Đồ án Tốt nghiệp Thiết kế và Thi Công mô hình HỆ THỐNG CẤP NƯỚC TRONG TÒA NHÀ sử dụng PLC s7 1200 có code và mô phỏng trên TIA portal

1.1. Đặt vấn đềTrong xã hội hiện đại ngày nay rất nhiều người đã chọn việc ở các khu chung cư, tòa nhà cao tầng… Theo thống kê của Sở Xây dựng thành phố Hồ Chí Minh, hiện thành phố đang có 1,440 nhà chung cư với 141,062 căn hộ chiếm 8,4% tổng số nhà trên toàn thành phố và dự kiến còn tăng thêm 1. Với thống kê cho thấy thì nhu cầu của người dân khá cao trong việc chọn sinh sống trong các khu tòa nhà cao tầng. Hơn thế nữa mức sống của người dân ngày càng được nâng lên, người dân có yêu cầu càng cao về chất lượng cuộc sống của mình. Chất lượng của hệ thống cấp nước sinh hoạt trong các công trình đang rất được quan tâm, đặc biệt là ở các tòa nhà cao tầng như chung cư, ký túc xá… Vấn đề thiếu hụt nước vào các giờ cao điểm và dư thừa nước ở các giờ thấp điểm thường xuyên xảy ra và trở thành mối lo ngại đối với những người sinh sống tại các địa điểm trên. Vì thế cần phải có các phương án hợp lý để giải quyết được các vấn đề trên nên nhóm quyết định chọn đề tài “Thiết kế và thi công mô hình hệ thống cấp nước trong tòa nhà”.1.2. Mục tiêuMục tiêu đặt ra khi thực hiện đề tài như sau:•Nghiên cứu ứng dụng được PLC vào thực tế.•Ứng dụng được bộ điều khiển PID vào điều khiển ổn định áp suất nước.•Nghiên cứu điều khiển cấp nước ổn định trong một tòa nhà.1.3. Nội dung nghiên cứuĐề tài “Thiết kế và thi công mô hình hệ thống cấp nước trong tòa nhà” bao gồm các chương sau:Chương 1. Tổng quan: chương này trình bày một số nội dung như đặt vấn đề, mục tiêu, nội dung nghiên cứu cùng với đó là những giới hạn có thể thực hiện trong đề tài.Chương 2. Cơ sở lý thuyết: chương này giới thiệu về hệ thống cấp nước và sơ lược về các thiết bị được sử dụng trong đề tài như PLC, biến tần, động cơ… Bên cạnh đó, chương 2 còn trình bày về một số phương pháp điều khiển các thiết bị sử dụng để điều khiển mô hình.Chương 3. Tính toán thiết kế: chương này trình bày các yêu cầu thiết kế của hệ thống và đưa ra các lựa chọn, bố trí thiết bị thích hợp cho hệ thống để đảm bảo đúng yêu cầu đề ra.Chương 4. Thi công hệ thống: chương này trình bày các bước thi công về phần điện, cơ khí đồng thời viết chương trình và thiết kế giao diện giám sát cho hệ thống.Chương 5. Kết quả đạt được: chương này trình bày các kết quả đạt được bao gồm: thi công mô hình cơ khí, thi công tủ điện, giao diện hệ thống và kết quả sau quá trình thử nghiệm điều khiển hệ thống.Chương 6. Kết luận và hướng phát triển: chương này đưa ra nhận xét về hệ thống và các hướng phát triển trong thực tế. 1.4. Giới hạnDo hệ thống này chỉ được thiết kế và thi công ở dạng mô hình, có nhiều chi tiết không hoàn toàn giống với thực tế nên sẽ nhóm sẽ giới hạn lại như sau:•Chỉ làm mô hình đơn giản với hai máy bơm công suất nhỏ.•Áp suất nước trong đường ống được ổn định ở mức 0.7 bar.•Chỉ sử dụng phần mềm để dò tìm các thông số PID.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH

HỆ THỐNG CẤP NƯỚC TRONG TÒA NHÀ

MSSV:

17142112 17142159

SINH VIÊN THỰC HIỆN:

NGUYỄN HOÀI LINH

PHAN VĂN THẢO

KHÓA: 2017

NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

GVHD: GVC ThS NGUYỄN TẤN ĐỜI

Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2021

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH

HỆ THỐNG CẤP NƯỚC TRONG TÒA NHÀ

MSSV:

17142112 17142159

SINH VIÊN THỰC HIỆN:

NGUYỄN HOÀI LINH

PHAN VĂN THẢO

KHÓA: 2017

NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

GVHD: GVC ThS NGUYỄN TẤN ĐỜI

Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2021

Tp Hồ Chí Minh, ngày 03 tháng 08 năm 2021

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Hoài Linh MSSV: 17142112

Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện-điện tử Lớp: 17142CL3A

Giảng viên hướng dẫn: GVC ThS Nguyễn Tấn Đời

Ngày nhận đề tài: 22/03/2021 Ngày nộp đề tài: 03/08/2021

1 Tên đề tài: Thiết kế và thi công mô hình hệ thống cấp nước trong tòa nhà

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

- Số liệu về các hệ thống cấp nước thực tế

- Thông số các thiết bị

- Giáo trình, tài liệu các môn học về PLC, trang bị điện, tự động điều khiển

- Tài liệu manual các thiết bị điều khiển

3 Nội dung thực hiện đề tài:

- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về hệ thống cấp nước trong tòa nhà

- Nghiên cứu sử dụng bộ diều khiển PID trong PLC S7-1200

- Thiết kế và thi công mô hình hệ thống cấp nước điều khiển bằng PLC

4 Sản phẩm:

Mô hình Hệ thống cấp nước trong tòa nhà

TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Nguyễn Tấn Đời

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc ***

MSSV: 17142159 Phan Văn Thảo

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Hoài Linh MSSV: 17142112

Họ và tên sinh viên: Phan Văn Thảo MSSV: 17142159

Ngành: Công Nghệ kỹ thuật điện – điện tử

Tên đề tài: Thiết kế và thi công mô hình hệ thống cấp nước trong tòa nhà

Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: GVC ThS Nguyễn Tấn Đời

NHẬN XÉT

*** PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Hoài Linh MSSV: 17142112

Họ và tên sinh viên: Phan Văn Thảo MSSV: 17142159

Ngành: Công Nghệ kỹ thuật điện – điện tử

Tên đề tài: Thiết kế và thi công mô hình hệ thống cấp nước trong tòa nhà

Họ và tên Giáo viên phản biện: Trần Vi Đô

NHẬN XÉT

1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

Đề tài bao gồm việc thiết kế và thi công mô hình cấp nước cho tòa nhà Mô hình tòanhà được xây dựng với kích thước nhỏ dùng để kiểm tra phần điều khiển, đã viếtchương trình điều khiển và thiết kế giao diện giám sát mô hình

2 Ưu điểm:

Mô hình hoạt động đúng theo mục tiêu đề ra

Có vận dụng bộ điều khiển PID trong điều khiển ổn định áp suất trong đường ống.Ngoài ra, có thực hiện giao tiếp PLC và biến tần thông qua chuẩn truyền thôngRS485

3 Khuyết điểm:

Mô hình tòa nhà còn đơn giản, để áp dụng thực tế cần nâng cấp nhiều chi tiết Trong quyển báo cáo chưa thấy phần mô tả chung hệ thống hoạt động như thế nào:bơm 1 làm nhiệm vụ gì, bơm 2 có nhiệm vụ gì? Tại sao phao điện tác động thì mởbơm 2?

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

Đề nghị cho bảo vệ

5 Câu hỏi phản biện:

Câu 1: Lưu đồ hình 3.31 (trang 35), tăng tần số và giảm tần số với lượng bao

nhiêu? Việc tăng hay giảm tần số này có phải là nhiệm vụ của bộ điều khiển PID?

Câu 2: Đối với trường hợp tải của hệ thống thay đổi (van xả nước của mỗi tầng

đóng mở khác nhau), thì áp suất trong đường ống có được đảm bảo? Thông số bộ

*** điều khiển PID của đề tài hiên nay được dò tự động bằng phần mềm, nếu chọn bằngkinh nghiệm thì được không và làm như thế nào?

6 Điểm: 8,0/10 (Bằng chữ: Tám điểm)

Tp Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 08 năm 2021

Giáo viên phản biện

*** XÁC NHẬN CHỈNH SỬA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên SV1: Nguyễn Hoài Linh MSSV: 17142112

Họ và tên SV2: Phan Văn Thảo MSSV: 17142159

Lớp: 17142CL3A Khóa: 2017

Ngày bảo vệ: 14/08/2021

Chuyên ngành CNKT Điện – Điện tử - Khoa Đào tạo Chất lượng cao (hệ CLV)Căn cứ ý kiến nhận xét của Hội đồng chấm Khóa luận tốt nghiệp (HĐ số 06)

1 Cần bổ sung phần mô tả hoạt động của hệ thống

2 Các thông tin về độ vọt lố, thời gian đáp ứng… cần thể hiện rõ ràng bằng con số

3 Một vài góp ý khác

Nhóm sinh viên đã sửa chữa, hoàn chỉnh một số nội dung sau:

ST

T

Nội dung cũ Nội dung đã chỉnh sửa Trang

1 Thiếu phần mô tả hoạt động Đã bổ sung mô tả hoạt động 22

2 Các thông số chưa rõ ràng Đã bổ sung số liệu cụ thể 33

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm

SV THỰC HIỆN GV HƯỚNG DẪN

NGUYỄN HOÀI LINH

PHAN VĂN THẢO

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN

1 Chọn đề tài Tên đề tài, mô tả công việc

2 Nghiên cứu tổng quan Có được thông tin về đề tài và hệ thống

3 Thiết kế mô hình cơ khí Lên ý tưởng cho mô hình cơ khí

4 Thiết kế mô hình cơ khí Có được bản thiết kế mô hình tòa nhà

5 Thiết kế điện cho mô hình Thiết kế sơ đồ đấu dây cho các thiết bị

6 Thiết kế điện cho mô hình Hoàn thành kết nối về điện cho mô hình

7 Thi công mô hình cơ khí Có được mô hình thực tế của hệ thống

8 Thi công tủ điện Hoàn thành tủ điện

13 Viết báo cáo chương 3 Thiết

kế giao diện SCADA

Hoàn thành chương 3 Thiết kế giaodiện SCADA

14 Viết báo cáo chương 4, 5 Hoàn

chỉnh giao diện SCADA

Hoàn thành chương 4, 5 Hoàn thànhgiao diện SCADA

15 Viết báo cáo chương 6 Hoàn

chỉnh mô hình

Hoàn thành chương 6 Hoàn thành cácthành phần của mô hình

16 Mô phỏng điều khiển mô hình

Biên soạn slide bảo vệ

Mô phỏng được hoạt động của hệ thống

Lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn đến: Ban giám hiệu trường Đại học SưPhạm Kỹ Thuật TP.HCM đã tạo điều kiện tốt nhất cho em học tập và nghiên cứu tạitrường.

Đồng thời, em xin chân thành cảm ơn Khoa Điện - Điện Tử, Khoa Đào tạoChất lượng cao, thư viện trường đã cung cấp giáo trình và nhiều tài liệu tham khảo

bổ ích cho em Đặc biệt, em xin cảm ơn đến thầy Nguyễn Tấn Đời đã giúp đỡ tậntình cho em trong thời gian nghiên cứu và thi công đồ án

Tuy gặp nhiều khó khăn trong quá trình thực hiện nhưng nhóm em đã tìm hiểu

và đưa ra phương án tối ưu, tuy nhiên không thể tránh khỏi những sai sót khôngmong muốn Do đó em rất mong được sự góp ý, nhận xét đánh giá về nội dung cũngnhư hình thức trình bày của các thầy cô để sau đó em có thể hoàn thiện hơn nữa.Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iii

XÁC NHẬN CHỈNH SỬA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP v

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN vi

LỜI CẢM ƠN vii

MỤC LỤC viii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xii

DANH MỤC HÌNH xiii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu 1

1.3 Nội dung nghiên cứu 1

1.4 Giới hạn 2

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

2.1 Tổng quan hệ thống cấp nước 3

2.1.1 Giới thiệu hệ thống cấp nước 3

2.1.2 Một số hệ thống cấp nước hiện nay 3

2.2 Giới thiệu về PLC S7-1200 4

2.2.1 Cấu tạo của PLC 4

2.2.2 Những đặc điểm của SIMATIC S7-1200 5

2.2.3 Ứng dụng của PLC trong thực tế 5

2.3 Biến tần 6

2.3.1 Cấu tạo và nguyên lý của biến tần 6

2.3.2 Cài đặt vận hành biến tần 7

2.4 Động cơ không đồng bộ ba pha lồng sóc 8

2.4.2 Nguyên lý hoạt động 9

2.4.3 Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ ba pha 9

2.5 Động cơ không đồ bộ một pha 10

2.5.1 Cấu tạo động cơ điện một pha 11

2.5.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một pha 11

2.6 Giới thiệu về phương thức truyền thông RS485 12

2.6.1 Giới thiệu chuẩn truyền thông RS485 12

2.6.2 Giới thiệu về giao thức truyền thông USS 12

2.6.3 Quá trình giao tiếp hai thiết bị thông qua truyền thông USS 13

2.7 Cở sở lý thuyết về PID 14

2.7.1 Giới thiệu về PID 14

2.7.2 Các phương pháp điều chỉnh PID 17

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 19

3.1 Thiết kế cơ khí hệ thống 19

3.1.1 Yêu cầu thiết kế 19

3.1.2 Thiết kế bộ khung 19

3.1.2.1 Bản vẽ thiết kế 19

3.1.2.2 Tỉ lệ mô hình so với thực tế 20

3.1.3 Thiết kế hệ thống đường ống cấp thoát nước 20

3.1.3.1 Bản vẽ thiết kế 20

3.1.3.2 Cấu trúc đường ống và các van 21

3.2 Thiết kế phần điện hệ thống 21

3.2.1 Yêu cầu thiết kế 21

3.2.2 Sơ đồ khối, chức năng từng khối 22

3.2.3 Chọn thiết bị cho từng khối 23

3.2.3.1 Bộ điều khiển trung tâm 23

3.2.3.2 Khối nguồn 25

3.2.3.3 Khối đo áp suất 26

3.2.3.4 Khối nhận biết mức nước 28

3.2.3.5 Khối vận hành 28

3.2.3.6 Khối bơm nước 29

3.2.3.7 Khối SCADA 31

3.2.3.7 Khối đèn báo 31

3.2.4 Sơ đồ nối dây 32

3.2.4.1 Mạch động lực 32

3.2.4.2 Mạch nối dây PLC 32

3.2.5 Thiết kế tủ điện 33

3.3.1 Yêu cầu điều khiển 33

3.3.2 Lưu đồ giải thuật 34

CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG 36

4.1 Thi công cơ khí 36

4.1.1 Thi công mô hình tòa nhà 36

4.1.2 Thi công đường ống nước 37

4.2 Thi công phần điện 39

4.3 Cài đặt biến tần 40

4.4 PID trong phần mềm TIA Portal 41

4.5 Thi công giao diện giám sát, điều khiển, viết chương trình 43

4.5.1 Viết chương trình 43

4.5.2 Thiết kế giao diện điều khiển, giám sát 45

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ 49

5.1 Kết quả nghiên cứu 49

5.2 Kết quả thi công cơ khí 49

5.3 Kết quả thi công phần điện 50

5.4 Kết quả giao diện giám sát và điều khiển 51

5.5 Kết quả vận hành hệ thống 51

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 59

6.1 Kết luận 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 PHỤ LỤC 61

HMI: Human Machine Interface

IGBT: Insulated-Gate Bipolar Transistor

MCCB: Moduled Case Circuit Breaker

TCP/IP: Tranmission Control Protocol/Internet Protocol

USS: Universal Serial Interface protocol of Siemens AG

VOM: Volt-Ohm-Milliammeter

Hình 2.1: Hệ thống cấp nước tòa nhà chung cư Vĩnh Hưng 3

Hình 2.2: Hệ thống cấp nước tòa nhà chung cư COMATIC TOWER 4

Hình 2.3: Cấu tạo của PLC [2] 4

Hình 2.4: Ứng dụng PLC cho trạm cấp nước 5

Hình 2.5: Cấu tạo của biến tần 6

Hình 2.6: Nguyên lý hoạt động của biến tần 7

Hình 2.7: Cấu tạo động cơ ba pha [3] 8

Hình 2.8: Cấu tạo của động cơ một pha [4] 11

Hình 2.9: Giao thức truyền thông USS [5] 12

Hình 2.10: Thư viện truyền thông USS [5] 13

Hình 2.11: Bộ điều khiển PID [6] 14

Hình 2.12: Đồ thị PV theo thời gian, với ba giá trị Kp (Ki và Kd là hằng số) [6] 15

Hình 2.13: Đồ thị PV theo thời gian, với ba giá trị Ki (Kp và Kd không đổi) [6] 16

Hình 2.14: Đồ thị PV theo thời gian, với ba giá trị Kd (Kp và Ki không đổi) [6] 16

Hình 2.15: Phương pháp Ziegler-Nichols [6] 17

Y Hình 3.1: Mô phỏng phần khung tòa nhà 20

Hình 3.2: Cấu trúc đường ống nước và các van 21

Hình 3.3: Sơ đồ các khối chức năng 22

Hình 3.4: PLC S7-1200 23

Hình 3.5: Sơ đồ chân CPU 1214 [7] 24

Hình 3.6: Sơ đồ chân của module CM 1241 24

Hình 3.7: Module truyền thông CM 1241 25

Hình 3.8: MCCB 2 pha LS 26

Hình 3.9: Bộ nguồn 24V DC, 5A 26

Hình 3.10: Sơ đồ chân cảm biến 27

Hình 3.11: Cảm biến áp suất 0-10 bar, 4-20 mA 27

Hình 3.12: Mạch chuyển đổi mA sang V 28

Hình 3.13: Sơ đồ chân mạch chuyển đổi 28

Hình 3.14: Bộ phao điện 28

Hình 3.15: Sơ đồ chân phao điện 28

Hình 3.16: Nút nhấn có đèn 29

Hình 3.17: Sơ đồ chân nút nhấn 29

Hình 3.18: Máy bơm ba pha 29

Hình 3.19: Sơ đồ chân máy bơm ba pha 29

Hình 3.20: Biến tần SINAMICS V20 30

Hình 3.21: Sơ đồ chân của biến tần SINAMICS V20 [8] 30

Hình 3.22: Máy bơm một pha 31

Hình 3.23: Sơ đồ chân máy bơm một pha 31

Hình 3.24: Đèn báo pha 31

Hình 3.25: Sơ đồ mạch động lực 32

Hình 3.26: Sơ đồ kết nối PLC 32

Hình 3.27: Các thiết bị bên trong tủ điện 33

Hình 3.28: Lưu đồ chương trình chính 34

Hình 3.29: Lưu đồ chương trình con điều khiển máy bơm 1 34

Hình 3.30: Lưu đồ chương trình con điều khiển máy bơm 2 35

Hình 3.31: Lưu đồ chương trình con điều chỉnh và duy trì tần số thích hợp 35

Hình 4.1: Lắp các thanh nhôm 36

Hình 4.2: Khoan lỗ và lắp đặt sàn của mỗi tầng 36

Hình 4.3: Khoan lỗ lắp mica 37

Hình 4.4: Lắp máy bơm và bể nước 37

Hình 4.5: Lắp đặt đường ống và van xả nước 38

Hình 4.7: Lắp đặt phao điện 39

Hình 4.8: Thi công tủ điện 39

Hình 4.9: Thêm hàm ngắt 41

Hình 4.10: Thêm hàm PID_Compact 41

Hình 4.11: Cấu hình cho hàm PID 42

Hình 4.12: Dò tìm thông số cho bộ điều khiển PID 42

Hình 4.13: Tạo project lập trình 43

Hình 4.14: Viết chương trình 43

Hình 4.15: Biên dịch chương trình 44

Hình 4.16: Nạp chương trình vào PLC 44

Hình 4.17: Kiểm tra các trạng thái hoạt động 44

Hình 4.18: Kiểm tra các trạng thái hoạt động 45

Hình 4.19: Thêm HMI vào chương trình 45

Hình 4.20: Kết nối HMI với PLC 46

Hình 4.21: Thêm màn hình Scada 46

Hình 4.22: Thêm các đối tượng cần thiết 46

Hình 4.23: Thêm đặc điểm, hiệu ứng cho các đối tượng 47

Hình 4.24: Thêm các tag vào PLCSIM 47

Hình 4.25: Chạy thử giao diện giám sát 48

Hình 5.1: Kết quả thi công mô hình 49

Hình 5.2: Kết quả thi công tủ điện 50

Hình 5.3: Kết quả giao diện giám sát 51

Hình 5.4: Hệ thống ở trạng thái OFF 52

Hình 5.5: Hệ thống ở trạng thái vận hành 52

Hình 5.6: Một số hình ảnh mô phỏng hệ thống 53

Hình 5.7: Một số hình ảnh mô phỏng hệ thống 53

Hình 5.8: Kết quả vận hành hệ thống, trường hợp 1 54

Hình 5.9: Thông số PID của trường hợp 1 54

Hình 5.10: Kết quả vận hành hệ thống, trường hợp 2 55

Hình 5.11: Thông số PID của trường hợp 2 55

Hình 5.12: Kết quả vận hành hệ thống, trường hợp 3 56

Hình 5.13: Thông số PID của trường hợp 3 56

Hình 5.14: Kết quả vận hành hệ thống, trường hợp 4 57

Hình 5.15: Thông số PID của trường hợp 4 57

Hình 5.16: Áp suất ổn định 57

Hình 5.17: Áp suất thay đổi khi đóng, mở van nước 58

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề

Trong xã hội hiện đại ngày nay rất nhiều người đã chọn việc ở các khu chung

cư, tòa nhà cao tầng… Theo thống kê của Sở Xây dựng thành phố Hồ Chí Minh,hiện thành phố đang có 1,440 nhà chung cư với 141,062 căn hộ chiếm 8,4% tổng sốnhà trên toàn thành phố và dự kiến còn tăng thêm [1] Với thống kê cho thấy thì nhucầu của người dân khá cao trong việc chọn sinh sống trong các khu tòa nhà caotầng Hơn thế nữa mức sống của người dân ngày càng được nâng lên, người dân cóyêu cầu càng cao về chất lượng cuộc sống của mình

Chất lượng của hệ thống cấp nước sinh hoạt trong các công trình đang rất đượcquan tâm, đặc biệt là ở các tòa nhà cao tầng như chung cư, ký túc xá… Vấn đề thiếuhụt nước vào các giờ cao điểm và dư thừa nước ở các giờ thấp điểm thường xuyênxảy ra và trở thành mối lo ngại đối với những người sinh sống tại các địa điểm trên

Vì thế cần phải có các phương án hợp lý để giải quyết được các vấn đề trên nênnhóm quyết định chọn đề tài “Thiết kế và thi công mô hình hệ thống cấp nước trongtòa nhà”

1.2 Mục tiêu

Mục tiêu đặt ra khi thực hiện đề tài như sau:

 Nghiên cứu ứng dụng được PLC vào thực tế

 Ứng dụng được bộ điều khiển PID vào điều khiển ổn định áp suất nước

 Nghiên cứu điều khiển cấp nước ổn định trong một tòa nhà

1.3 Nội dung nghiên cứu

Đề tài “Thiết kế và thi công mô hình hệ thống cấp nước trong tòa nhà” baogồm các chương sau:

Chương 1 Tổng quan: chương này trình bày một số nội dung như đặt vấn đề,

mục tiêu, nội dung nghiên cứu cùng với đó là những giới hạn có thể thực hiện trong

đề tài

Chương 2 Cơ sở lý thuyết: chương này giới thiệu về hệ thống cấp nước và sơ

lược về các thiết bị được sử dụng trong đề tài như PLC, biến tần, động cơ… Bêncạnh đó, chương 2 còn trình bày về một số phương pháp điều khiển các thiết bị sửdụng để điều khiển mô hình

Chương 1: Tổng quan

Chương 3 Tính toán thiết kế: chương này trình bày các yêu cầu thiết kế của hệ

thống và đưa ra các lựa chọn, bố trí thiết bị thích hợp cho hệ thống để đảm bảo đúngyêu cầu đề ra

Chương 4 Thi công hệ thống: chương này trình bày các bước thi công về phần

điện, cơ khí đồng thời viết chương trình và thiết kế giao diện giám sát cho hệ thống

Chương 5 Kết quả đạt được: chương này trình bày các kết quả đạt được bao

gồm: thi công mô hình cơ khí, thi công tủ điện, giao diện hệ thống và kết quả sauquá trình thử nghiệm điều khiển hệ thống

Chương 6 Kết luận và hướng phát triển: chương này đưa ra nhận xét về hệ

thống và các hướng phát triển trong thực tế

1.4 Giới hạn

Do hệ thống này chỉ được thiết kế và thi công ở dạng mô hình, có nhiều chi tiết không hoàn toàn giống với thực tế nên sẽ nhóm sẽ giới hạn lại như sau:

 Chỉ làm mô hình đơn giản với hai máy bơm công suất nhỏ

 Áp suất nước trong đường ống được ổn định ở mức 0.7 bar

 Chỉ sử dụng phần mềm để dò tìm các thông số PID

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan hệ thống cấp nước

2.1.1 Giới thiệu hệ thống cấp nước

Hầu hết hệ thống cấp nước của các tòa nhà chung cư sử dụng tích hợp của baloại hệ thống: hệ thống cấp nước trực tiếp, hệ thống cấp nước gián tiếp và hệ thốngbơm nước thải, cụ thể:

 Đối với hệ thống cấp nước trực tiếp: nước sạch được cấp trực tiếp từ đườngống nước công cộng đến các hộ gia đình ở các tầng thấp bằng áp suất thủylực bên trong đường ống chính

 Đối với hệ thống cấp nước gián tiếp: sử dụng máy bơm nước để lấy nước từcác bể chứa ở tầng trệt của tòa nhà và hút nước sạch vào bể trên mái nhà, sau

đó dẫn nước đến từng hộ gia đình thông qua mạng lưới đường ống phụ

 Đối với hệ thống bơm nước thải: nước được truyền kết thúc nhận được bằngcách lắp máy bơm áp lực để cấp nước, đường ống cứu hỏa cũng có chứcnăng tương tự

Hệ thống cấp nước bao gồm: máy bơm nước, đường ống đứng, bể chứa, thiết

bị phao tự ngắt và các đường ống phụ

2.1.2 Một số hệ thống cấp nước hiện nay

Hình 2.1: Hệ thống cấp nước tòa nhà chung cư Vĩnh Hưng

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Hình 2.2: Hệ thống cấp nước tòa nhà chung cư COMATIC TOWER

2.2 Giới thiệu về PLC S7-1200

PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển khả trình (có khảnăng lập trình được) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logicthông qua một ngôn ngữ lập trình nào đó Người điều khiển có thể lập trình để thựchiện một loạt trình tự, sự kiện

2.2.1 Cấu tạo của PLC

PLC thường được cấu tạo bởi 3 thành phần chính đó là phần nguồn thường là

220 V hoặc 24 V (có một số loại PLC ít phổ biến có thể sử dụng nguồn 5 V hoặc3.7 V) Tiếp theo là CPU, mỗi loại PLC tùy theo ứng dụng thì sẽ có tốc độ xử lýcũng như bộ nhớ lưu trữ chương trình, khả năng mở rộng khác nhau Phần còn lại làkhối ngoại vi bao gồm: in/out, truyền thông, module phát xung, analog

Hình 2.3: Cấu tạo của PLC [2]

2.2.2 Những đặc điểm của SIMATIC S7-1200

Board tín hiệu của PLC S7-1200: board tín hiệu – đây là một dạng module

giúp mở rộng tín hiệu vào/ra với số lượng tín hiệu ít, từ đó tiết kiệm chi phí cho các

ứng dụng yêu cầu mở rộng với số lượng tín hiệu ít PLC S7-1200 gồm các board:

 1 cổng tín hiệu ra analog 12 bit (+/- 10V DC, 0 20 mA)

 2 cổng tín hiệu vào + 2 cổng tín hiệu ra số, 0.5 A

Module mở rộng tín hiệu vào/ra: các module mở rộng tín hiệu vào/ra sẽ được

gắn trực tiếp vào phía bên phải của CPU Với dải rộng các loại module tín hiệu vào/

ra số và analog giúp linh hoạt trong việc sử dụng S7-1200

Module truyền thông: bên cạnh truyền thông Ethernet được tích hợp sẵn, CPU

S7-1200 còn có thể mở rộng thêm được ba module truyền thông khác nhau Điều đógiúp cho việc kết nối được linh hoạt, nhanh chóng hơn

Giao tiếp: PLC Siemens S7-1200 hỗ trợ các kết nối Profibus và kết nối PTP

(point to point) Giao tiếp PROFINET với: các thiết bị lập trình, thiết bị HMI, các

bộ điều khiển SIMATICS khác Hỗ trợ các giao thức kết nối: TCP/IP, ISO-on-TCP

Hình 2.4: Ứng dụng PLC cho trạm cấp nước

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Bộ lập trình PLC được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực tự động hoá, phục vụcho nhiều ngành, nhiều loại máy móc như: cấp nước, xử lý nước thải, giám sát nănglượng, giám sát hệ thống điện, máy đóng gói, máy đánh sợi, máy se chỉ, máy chếbiến thực phẩm, máy cắt tốc độ cao, hệ thống phân bổ giám sát trong dây chuyền…

2.3 Biến tần

Biến tần là thiết bị chuyển đổi nguồn một pha hoặc ba pha có tần số cố địnhthành nguồn ba pha có tần số thay đổi qua đó làm thay đổi tần số dòng điện đặt lêncuộn dây bên trong động cơ và có thể điều khiển tốc độ động cơ một cách vô cấp,không cần dùng đến các hộp số cơ khí Biến tần thường sử dụng các linh kiện bándẫn để đóng ngắt tuần tự các cuộn dây của động cơ để làm sinh ra từ trường xoaylàm quay rotor Biến tần có thể thay đổi tần số từ 1Hz đến 50Hz, thậm chí là 60Hzhoặc lên đến 400Hz Chính vì vậy biến tần thường được sử dụng rộng rãi trong cácdây chuyền sản xuất công nghiệp để điều khiển tốc độ của động cơ AC ba pha nhưđiều khiển bơm nước, các cơ cấu nâng hạ…

2.3.1 Cấu tạo và nguyên lý của biến tần

Hình 2.5: Cấu tạo của biến tần

Cấu tạo bên trong của biến tần gồm:

 Mạch chỉnh lưu: chuyển đổi điện áp AC thành DC

 Tụ điện: hoạt động để làm phẳng điện áp DC đã được chuyển đổi

 Mạch nghịch lưu: được sử dụng để xuất ra điện áp AC từ điện áp DC, được

sử dụng để cấp điện áp/tần số biến thiên cho động cơ

 Mạch điều khiển: kiểm soát điều khiển, cài đặt biến tần

Nguyên lý hoạt động:

Hình 2.6: Nguyên lý hoạt động của biến tần

Đầu tiên, nguồn điện một pha hay ba pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồnmột chiều bằng phẳng Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode

và tụ điện Điện áp đầu vào có thể là một pha hoặc ba pha, nhưng nó sẽ ở mức điện

áp và tần số cố định (ví dụ 380 V 50 Hz)

Điện áp một chiều ở trên sẽ được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoaychiều ba pha đối xứng Mới đầu, điện áp một chiều được tạo ra sẽ được lưu trữtrong giàn tụ điện Tiếp theo, thông qua quá trình tự kích hoạt thích hợp, bộ biến đổiIGBT (viết tắt của tranzito lưỡng cực có cổng cách điện hoạt động giống như mộtcông tắc bật và tắt cực nhanh để tạo dạng sóng đầu ra của biến tần) sẽ tạo ra mộtđiện áp xoay chiều ba pha bằng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM

2.3.2 Cài đặt vận hành biến tần

Cài thông số chọn cách RUN/STOP: tùy mỗi loại biến tần có cách ghi khác

nhau Trong đó có các lựa chọn như sau:

 0: Keypad: Run/Stop trên bàn phím

 1: External Run/Stop control: Run/stop bên ngoài

 2: Communication: Run/Stop qua cổng RS485

Thời gian tăng tốc và thời gian giảm tốc: thời gian tăng tốc là thời gian khi ta

nhấn RUN thì motor sẽ chạy từ 0 Hz ~ 50 Hz nói chung là lúc chạy tốc độ tối đa.Thường mặc định là 10 giây, tùy ứng dụng sẽ có thời gian khác nhau Thời giangiảm tốc là thời gian khi nhấn STOP đến khi động cơ ngừng hẳn Trong biến tần cóthông số cài đặt bỏ qua chế độ Deceleration

Chọn lựa cách thức thay đổi tần số: thông số này mô tả tùy mỗi hãng là Main

frequency source selection, Frequency setting Method, Frequency Command Baogồm các lựa chọn sau:

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

 0: Keypad: thay đổi tần số bằng nút lên và xuống trên bàn phím

 1: Potentiometer on keypad: thay đổi tần số bằng núm vặn

 2: External AVI analog signal input: thay đổi tần số bằng tín hiệu biến trở

 3: External ACI analog signal input: thay đổi tần số bằng tín hiệu 4-20 mA

 4: Communication setting frequency: thay đổi tần số bằng RS485

 5: PID output frequency: thay đổi tần số bằng tín hiệu hồi tiếp PID

Cài giới hạn tần số: cụm từ thường dùng là (Frequency upper limit),

(Maximum Frequency) Là thông số cho phép động cơ chạy nhanh nhất với đơn vị

là Hz Giả sử khi số này cài là 40 Hz thì động cơ chạy tối đa là 40 Hz, n = 60×40/2

= 1200 vòng/phút Có thể cài bao nhiêu cũng được trong phạm vi thông dụng là

(1-60 Hz) đối với động cơ thường

2.4 Động cơ không đồng bộ ba pha lồng sóc

Rotor lồng sóc là loại động cơ bao gồm nhiều lớp thép ở trong lõi với cácthanh đồng hoặc nhôm được cách đều nhau và đặt dọc theo trục ngoại vi, cuối cùng

sẽ bị chập vĩnh viễn ở 2 đầu khi đến các vòng cuối Cấu trúc đơn giản nhưng rấtchắc chắn này sẽ giúp cho rotor hoạt động thuận thường được ứng dụng rỗng rãitrong đời sống và sản xuất công nghiệp như bơm nước, trộn nguyên liệu…

2.4.1 Cấu tạo của động cơ ba pha

Hình 2.7: Cấu tạo động cơ ba pha [3]

Cấu tạo của động cơ ba pha bao gồm 2 phần chính: Stator và Rotor.

 Phần Stator: gồm các dây đồng quấn trên khung được ghép lại từ các lá thép

kỹ thuật Khi cho dòng điện chạy qua đó điện năng sẽ biến đổi thành hệthống các đường sức từ có hướng khép kín trên mạch từ

 Phần Rotor: đây là phần quay của động cơ được ghép từ nhiều thanh kim loạitạo thành một cái lồng hình trụ

hỗ của từ trường quay của máy và thanh dẫn mang dòng điện rotor, làm rotor quayvới tốc độ n < n1 và cùng chiều với n1 Rotor luôn có tốc độ quay nhỏ hơn tốc độ từtrường quay n1 Nếu tốc độ của chúng bằng nhau, trong dây quấn rotor sẽ không cònsức điện động và dòng điện cảm ứng, lực điện từ bằng không

2.4.3 Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ ba pha

Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi số đôi cặp cực: dây quấn stator

có thể được nối thành bao nhiêu cặp số đôi cực khác nhau thì tốc độ động cơ cũng

có bấy nhiêu cấp Vì vậy, việc thay đổi tốc độ động cơ chỉ có thể thay đổi từng cấpmột cách không bằng phẳng Có nhiều cách để tiến hành thay đổi số đôi cực củaphần dây quấn stator, chẳng hạn:

Đổi cách nối dây để có được các cặp số đôi cực khác nhau, thường dùng trongđộng cơ điện hai tốc độ, căn cứ theo tỷ lệ 2:1 Trên rãnh stator, đặt hai dây quấn độclập có các cặp số đôi cực khác nhau, thường thì để đạt hai tốc độ theo tỷ lệ là 4:3hoặc 6:5 Trên rãnh stator của động cơ có đặt hai dây quấn độc lập luôn có cặp sốđôi cực khác nhau, mỗi dây quấn của nó lại có thể thay đổi cách nối để có được các

số đôi cực khác nhau

Dây quấn rotor trong động cơ ba pha không đồng bộ chính là rotor dây quấn có

số đôi cực bằng với số đôi cực của toàn bộ dây quấn stator Do đó, khi đấu lại dâyquấn stator cho động cơ để có được các cặp số đôi cực khác nhau thì dây quấn rotorcũng phải được đấu lại, điều này sẽ không tiện lợi chút nào

Ngược lại, cuộn dây quấn rotor lồng sóc luôn thích ứng với bất kì cặp số đôicực nào của dây quấn stator Do đó thích hợp cho động cơ điện thay đổi cặp số đôicực để điều chỉnh tốc độ Mặc dù điều chỉnh ở tốc độ nhảy cấp, nhưng động cơ bapha này có có ưu điểm đó là giữ nguyên độ cứng của đặc tính cơ

Điều chỉnh tốc độ động cơ ba pha bằng cách thay đổi tần số:

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Tốc độ của động cơ không đồng bộ có giá trị bằng n = n1(1-s) = (60f/p).(1-s).Khi đó hệ số trượt có sự thay đổi ít thì tốc độ sẽ tỷ lệ thuận với tần số Mặt khác, từbiểu thức E1=4.44f1W1KdqØmax, do đó, ta nhận thấy Ømax lại tỷ lệ thuận với E1/f1.Nếu mong muốn giữ cho giá trị Ømax = const thì cần phải điều chỉnh đồng thời

cả E/f Điều này có nghĩa là động cơ phải sử dụng một nguồn điện đặc biệt, đóchính là các bộ biến tần

Do sự phát triển mạnh mẽ như vũ bão của kỹ thuật vi điện tử và điện tử côngsuất nên các bộ biến tần cũng đã ra đời Chúng đã mở ra một triển vọng vô cùng lớntrong lĩnh vực điều khiển động cơ điện xoay chiều bằng phương pháp thay đổi tần

số Sử dụng biến tần để giúp điều khiển động cơ theo các quy luật khác nhau (quyluật U/f, điều khiển véc tơ…) đã tạo ra những hệ điều khiển tốc độ động cơ vớinhiều tính năng vượt trội

Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp cung cấp cho stator: ta đã biết,

hệ số trượt giới hạn của Sth không hề phụ thuộc vào điện áp, nếu R’2 không đổi thìkhi chúng ta thực hiện giảm tốc điện áp nguồn U, hệ số trượt tới hạn là Sth sẽ khôngcòn là Mmax giảm tỷ lệ với U2 Phương pháp này chỉ được áp dụng đối với máy

mang tải, còn khi máy không mang tải mà có sự giảm điện nguồn, tốc độ lúc nàycũng gần như không đổi

Điều tốc bằng cách thay đổi điện trở của động cơ rotor dây quấn:

Thông qua vành trượt, chúng ta nối một biến trở ba pha để có thể điều chỉnhđược vào trong dây quấn rotor Với một moment tải nhất định, khi đó điện trở phụcàng lớn bao nhiêu sẽ đồng nghĩa với giá trị của hệ số trượt ở điểm làm việc cànglớn bấy nhiêu, nghĩa là tốc độ động cơ lại càng giảm xuống Vì moment thường có

tỷ lệ cùng với công suất Pđt, cho nên ta có: (r2/ s2) = ((r2 + rf)/ s)

Do Pđt của bản thân không đổi, dòng điện I2 cũng không đổi cho nên một bộphận công suất cơ trước kia đã được biến đổi thành tổn hao đồng: I2 x Rf Vì lúc đócông suất đưa vào được tính là không đổi nên dẫn đến hiệu suất giảm, đây cũngchính là nhược điểm của phương pháp này

2.5 Động cơ không đồ bộ một pha

Động cơ không đồng bộ một pha là loại động cơ xoay chiều làm việc theonguyên lý cảm ứng điện từ có tốc độ quay của rotor (tốc độ quay của máy) nho hơntốc độ của từ trường Trong sản xuất và đời sống, động cơ không đồng bộ một pha

chủ yếu dùng để biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều thành cơ năng, thườngđược ứng dụng trong bơm nước, quạt, máy cắt…

2.5.1 Cấu tạo động cơ điện một pha

Cấu tạo của động cơ điện một pha:

 Phần Stator: gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn Lõi thép đượclàm bằng các lá thép kỹ thuật điện có độ dày từ 0,35 mm đến 0,5 mm Chúngđược làm theo khuôn hình vành khăn, phía trong có xẻ rãnh để đặt dây quấn

Để đảm bảo yêu cầu, lõi thép sẽ được sơn phủ cẩn thận trước khi ghép lại.Dây quấn stator thường được làm bằng chất liệu đồng hoặc nhôm đặt trongcác rãnh của lõi thép

 Phần Rotor: gồm lõi thép, dây quấn và trục máy Lõi thép của rotor có dạnghình trụ đặc, được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện Chúng thường đượcdập thành hình dĩa và ép chặt lại, trên mặt có các đường rãnh để đặt dâyquấn Lõi thép được ghép chặt với trục quay của rotor và được đặt trên hai ổ

đỡ của stator Rotor được chia làm hai loại là rotor lồng sóc và rotor dâyquấn

Hình 2.8: Cấu tạo của động cơ một pha [4]

2.5.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một pha

Khi motor làm việc cần cấp cho chúng một dòng điện xoay chiều, dòng điệnqua dây quấn stator sẽ tạo ra từ trường quay với tốc độ n = 60 f/p (vòng/phút).Trong quá trình quay, từ trường sẽ quét qua các thanh dẫn của rotor, làm xuất hiệnsuất điện động cảm ứng Vì đây là mạch kín nên suất điện động sẽ tạo ra dòng điệntrong các thanh dẫn của rotor Các thanh dẫn có dòng điện lại nằm trong từ trường

sẽ tương tác với nhau, tạo ra lực điện từ đặt vào các thanh dẫn Lực điện từ sẽ tạo ramoment quay đối với trục rotor, làm cho rotor quay theo chiều của từ trường

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

2.6 Giới thiệu về phương thức truyền thông RS485

2.6.1 Giới thiệu chuẩn truyền thông RS485

Khi một mạng cần phải chuyển các khối nhỏ thông tin trên một khoảng cáchdài, RS485 thường là chuẩn giao tiếp được lựa chọn Các nút mạng có thể là máytính cá nhân, vi điều khiển, hoặc bất kỳ thiết bị có khả năng truyền thông nối tiếpkhông đồng bộ So với Ethernet và giao diện mạng khác, phần cứng và giao thứcyêu cầu của RS-485 đơn giản hơn và rẻ hơn

Có thể coi chuẩn RS485 là một phát triển của RS232 trong việc truyền dữ liệunối tiếp Những bộ chuyển đổi RS232/RS485 cho phép người dùng giao tiếp với bất

kỳ thiết bị mà sử dụng liên kết nối tiếp RS232 thông qua RS485 Liên kết RS485được hình thành cho việc thu nhận dữ liệu ở khoảng cách xa và điều khiển chonhiều ứng dụng Những đặc điểm nổi trội của RS485 là nó có thể hỗ trợ một mạnglên tới 32 trạm thu phát trên cùng một đường truyền, tốc độ baud có thể lên tới115.200 cho một khoảng cách là 4000 feet (1200m)

Với kiểu truyền cân bằng và các dây được xoắn lại với nhau nên khi nhiễu xảy

ra ở dây này thì cũng xảy ra ở dây kia, tức là hai dây cùng nhiễu giống nhau Điềunày làm cho điện áp sai lệch giữa hai dây thay đổi không đáng kể nên tại nơi thuvẫn nhận được tín hiệu đúng nhờ tính năng đặc biệt của bộ thu đã loại bỏ nhiễu.Liên kết RS485 được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp, nơi mà môi trườngnhiễu khá cao và sự tin tưởng vào tính ổn định của hệ thống là điều quan trọng

2.6.2 Giới thiệu về giao thức truyền thông USS

USS là giao thức truyền thông do Siemens phát triển, nó dựa trên nền tảngtruyền thông vật lý Modbus RS485 USS với cấu hình và cài đặt dễ dàng, chuyênnghiệp thật sự mang tới lợi thế với hệ tích hợp tự động hóa cao như Siemens

Hình 2.9: Giao thức truyền thông USS [5]

2.6.3 Quá trình giao tiếp hai thiết bị thông qua truyền thông USS

Mỗi CPU S7-1200 có thể có tối đa ba module giao tiếp và mỗi module giaotiếp CM 1241 RS485 hỗ trợ tối đa 16 biến tần Do đó, người dùng có thể thiết lậptối đa ba mạng USS trong một CPU S7-1200 và mỗi mạng USS hỗ trợ tối đa 16 bộbiến tần, với tổng số lên đến 48 bộ biến tần

PLC S7-1200 cung cấp một thư viện USS dành riêng cho giao tiếp USS, như thể hiện trong hình sau:

Hình 2.10: Thư viện truyền thông USS [5]

 Khối chức năng USS_DRV: là khối chức năng chính của giao tiếp USS Cácthông tin của biến tần và các lệnh điều khiển biến tần đều do chức năng nàyhoàn thành Phải được gọi trong OB chính và không được gọi trong OB ngắttuần hoàn

 Khối chức năng USS_PORT: là giao diện giữa S7-1200 và biến tần, và chủyếu thiết lập các tham số giao diện của giao tiếp Có thể gọi là OB chính hayngắt

 Khối chức năng USS_RPM: đọc các thông số của biến tần thông qua giaotiếp USS Phải được gọi trong OB chính và không được gọi trong OB ngắttuần hoàn

 Khối chức năng USS_WPM: là một tham số để cài đặt biến tần thông quagiao tiếp USS Phải được gọi trong OB chính và không được gọi trong OBngắt tuần hoàn

Khối chức năng USS_DRV nhận và truyền dữ liệu với khối chức năngUSS_PORT thông qua khối dữ liệu USS_DRV_DB và khối chức năng USS_PORT

là giao diện truyền thông giữa mô-đun S7-1200 PLC, CM1241 RS485 và biếntần Giao tiếp giữa khối chức năng USS_RPM và khối chức năng USS_WPM và bộbiến tần giống như giao tiếp của khối chức năng USS_DRV

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

2.7 Cở sở lý thuyết về PID

2.7.1 Giới thiệu về PID

Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ ( PID - Proportional Integral Derivative) làmột cơ chế phản hồi vòng điều khiển (lý thuyết điều khiển tự động) tổng quát được

sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID là

bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất trong các bộ điều khiển phản hồi Bộ điềukhiển PID sẽ tính toán giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biếnđổi và giá trị đặt mong muốn

Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điềukhiển đầu vào Trong trường hợp không có kiến thức cơ bản (mô hình toán học) về

hệ thống điều khiển thì bộ điều khiển PID là sẽ bộ điều khiển tốt nhất Tuy nhiên,

để đạt được kết quả tốt nhất, các thông số PID sử dụng trong tính toán phải điềuchỉnh theo tính chất của hệ thống trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các thông

số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống

Hình 2.11: Bộ điều khiển PID [6]

Sơ đồ điều khiển PID được đặt tên theo ba khâu hiệu chỉnh của nó, tổng của ba khâu này tạo thành bởi các biến điều khiển (MV) Ta có: MV(t) = Pout + Iout + Dout

Trong đó: Pout, Iout, Dout là các thành phần đầu ra của bộ điều khiển PID, đượcxác định như sau:

Khâu tỉ lệ: khâu tỉ lệ (độ lợi) làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số

hiện tại Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với mộthằng số Kp, được gọi là hệ số tỉ lệ Khâu tỉ lệ được cho bởi: Pout = Kpe(t)

Trong đó:

 Pout: thừa số tỉ lệ của đầu ra

 Kp: hệ số tỉ lệ, thông số điều chỉnh.

 e: sai số = SP - PV

 t: thời gian tức thời

Hình 2.12:Đồ thị PV theo thời gian, với ba giá trị Kp (Ki và Kd là hằng số) [6]

Hệ số của khâu tỉ lệ lớn là do thay đổi lớn ở đầu ra mà sai số thay đổi nhỏ Nếu

hệ số của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định Ngược lại, hệ số nhỏ là dođáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai số đầu vào lớn, và làm cho bộ điều khiển kém nhạyhoặc đáp ứng chậm Nếu hệ số của khâu tỉ lệ quá thấp, tác động điều khiển có thể sẽquá bé khi đáp ứng với các nhiễu của hệ thống

Khâu tích phân: phân phối của khâu tích phân tỉ lệ thuận với cả biên độ sai số

lẫn quảng thời gian xảy ra sai số Tổng sai số tức thời theo thời gian (tích phân saisố) cho ta tích lũy bù đã được hiệu chỉnh trước đó Tích lũy sai số sau đó được nhânvới độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển Biên độ phânphối của khâu tích phân trên tất cả tác động điều chỉnh được xác định bởi độ lợi tích

phân Ki Thừa số tích phân được cho bởi: Iout = Ki∫

0

t

e (τ ) dττ

Trong đó:

 Iout: thừa số tích phân của đầu ra

 Ki:độ lợi tích phân, thông số điều chỉnh

 e: sai số = SP - PV

 t: thời gian tức thời

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

 τ :một biến tích phân trung gian

Hình 2.13: Đồ thị PV theo thời gian, với ba giá trị Ki (Kp và Kd không đổi) [6]

Khâu vi phân: tốc độ thay đổi của sai số quá trình được tính toán bằng cách

xác định độ dốc của sai số theo thời gian (tức là đạo hàm bậc một theo thời gian) vànhân tốc độ này với độ lợi tỉ lệ Kd Biên độ của phân phối khâu vi phân (đôi khiđược gọi là tốc độ) trên tất cả các hành vi điều khiển được giới hạn bởi độ lợi viphân Kd

Hình 2.14: Đồ thị PV theo thời gian, với ba giá trị Kd (Kp và Ki không đổi) [6]Thừa số vi phân được cho bởi: Dout = Kddτ

dτt e (t )

Trong đó:

 Dout: thừa số vi phân của đầu ra.

 Kd:độ lợi vi phân, một thông số điều chỉnh

 e: sai số = SP - PV

 t: thời gian tức thời

Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặc tínhnày là đang chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển Từ đó, điều khiển viphân được sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố được tạo ra bởi thành phần tích phân

và tăng cường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp

2.7.2 Các phương pháp điều chỉnh PID

Phương pháp thủ công: nếu hệ thống phải duy trì trạng thái online, một

phương pháp điều chỉnh là thiết đặt giá trị đầu tiên của Ki và Kd bằng không Tăngdần Kp cho đến khi đầu ra của vòng điều khiển dao động, sau đó Kp có thể được đặttới xấp xỉ một nửa giá trị đó để đạt được đáp ứng "1/4 giá trị suy giảm biên độ" Sau

đó tăng Ki đến giá trị phù hợp sao cho đủ thời gian xử lý

Tuy nhiên, Ki lớn sẽ gây mất ổn định Cuối cùng, tăng Kd, nếu cần thiết, chođến khi vòng điều khiển nhanh chóng lấy lại được giá trị đặt sau khi bị nhiễu Tuynhiên, Kd lớn sẽ gây đáp ứng dư và vọt lố Một điều chỉnh cấp tốc của vòng điềukhiển PID thường hơi quá lố một ít khi tiến tới điểm đặt nhanh chóng, tuy nhiên vài

hệ thống không chấp nhận xảy ra vọt lố

Độ lợi P được tăng cho đến khi nó tiến tới độ lợi tới hạn, Ku ở đầu ra của vòng điềukhiển bắt đầu dao động Ku và thời gian giao động Pu được gán như hình sau:

Hình 2.15: Phương pháp Ziegler-Nichols [6]

Phương pháp dùng phần mềm: phần mềm điều chỉnh PID và tối ưu hóa vòng

lặp được dùng để đảm bảo kết quả chắc chắn Những gói phần mềm này sẽ tập hợp

dữ liệu, phát triển các mô hình xử lý, và đề xuất phương pháp điều chỉnh tối ưu Vài

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

gói phần mềm thậm chí còn có thể phát triển việc điều chỉnh bằng cách thu thập dữliệu từ các thay đổi

Điều chỉnh PID bằng toán học tạo ra một xung trong hệ thống, và sau đó sửdụng đáp ứng tần số của hệ thống điều khiển để thiết kế các giá trị của vòng điềukhiển PID Trong những vòng lặp có thời gian đáp ứng kéo dài nhiều phút, nênchọn điều chỉnh bằng toán học, bởi vì việc thử sai số thực tế có thể kéo dài nhiềungày để tìm điểm ổn định cho vòng lặp Giá trị tối ưu sẽ khó tìm hơn Vài bộ điềukhiển số còn có chức năng tự điều chỉnh, trong đó những thay đổi rất nhỏ của điểmđặt cũng được gửi tới quá trình, cho phép bộ điều khiển tự mình tính toán giá trịđiều chỉnh tối ưu Các dạng điều chỉnh khác cũng được dùng tùy theo tiêu chuẩnđánh giá kết quả khác nhau Nhiều phát minh hiện nay đã được nhúng sẵn vào trongcác module phần mềm và phần cứng để điều chỉnh PID

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 3.1 Thiết kế cơ khí hệ thống

3.1.1 Yêu cầu thiết kế

Hệ thống điều chỉnh áp suất này đã được hình thành và sử dụng rộng rãi trongcuộc sống, do đó yêu cầu đặt ra là tham khảo và xây dựng một mô hình sao cho các

bộ phận cấu thành phải giống với thực tế nhất có thể Phần cơ khí của hệ thống baogồm phần khung tòa nhà, hệ thống đường ống và các bể chứa nước

Phần mô hình tòa nhà đảm bảo các yêu cầu:

 Phần khung cân đối, vững chắc, chịu được sức nặng của máy bơm và bểnước

 Đường ống cứng cáp, không bị rung lắc, rỉ nước, chịu được áp suất cao

 Mô hình tòa nhà có bốn tầng với các đường ống và van nước ở mỗi tầng, hai

bể nước trong đó một bể được đặt ở trên mái nhà và một được đặt ở dưới

 Cần có hai máy bơm: máy bơm 1 (ba pha) và máy bơm 2 (một pha) dùng chomục đích khác nhau

 Hệ thống các máy bơm được đặt gần các bể nước sao cho lực hút nước tốtnhất

3.1.2 Thiết kế bộ khung

Để làm nên một mô hình thì có nhiều chất liệu để lựa chọn: nhôm, sắt haygỗ… Một số tiêu chí quan trọng để lựa chọn chất liệu là giá thành, thẩm mỹ và tínhtiện lợi khi thi công Mỗi chất liệu đều có ưu, nhược điểm của riêng chúng, tuynhiên để phù hợp với mô hình này thì nhôm là chất liệu được ưu tiên lựa chọn, tuygiá thành cao hơn nhưng nó đem lại tính thẩm mỹ cao và rất dễ sử dụng, chỉnh sửakhi lắp đặt mô hình

3.1.2.1 Bản vẽ thiết kế

Phần khung sẽ gồm nhiều thanh nhôm định hình được ghép với nhau qua cácphụ kiện của chúng như: tán, ốc, kê chịu lực… Các thanh nhôm nằm ngang đượcthêm vào để tăng độ cứng cáp cho phần khung, đồng thời tạo ra những khoảng trống

ví như 4 tầng của một tòa nhà Để có cái nhìn tổng quan hơn, trước tiên nhóm sẽdựng mô hình trên phần mềm, dựa vào đó để tính toán chọn lựa các thông số cầnthiết để tiến hành thi công mô hình thực tế sau này

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Hình 3.1: Mô phỏng phần khung tòa nhà 3.1.2.2 Tỉ lệ mô hình so với thực tế

Mô hình được xây dựng theo kích thước chiều dài, rộng, cao lần lượt là 0.5 m,0.5 m và 1 m Trên thực tế thì tòa nhà hay chung cư cao tầng có rất nhiều kíchthước khác nhau, trong số đó có nhiều công trình thiết kế chiều dài và chiều ngangxấp xỉ nhau, do đó tỉ lệ của mô hình phù hợp với thực tế

3.1.3 Thiết kế hệ thống đường ống cấp thoát nước

3.1.3.1 Bản vẽ thiết kế

Trên thực tế, trong các công trình thì đường ống cấp nước sẽ lấy nước từ mộtnguồn và xả nước thải qua đường ống nước thải vào một nguồn chứa nước thảiriêng biệt để xử lý Tuy nhiên trong phạm vi mô hình sẽ được giới hạn: nước cấp vànước thải sẽ là một nguồn duy nhất để thuận tiện cho quá trình thử nghiệm

Hình 3.2: Cấu trúc đường ống nước và các van

Hệ thống này bao gồm hai bể nước: bể ngầm và bể mái Theo đó, nước trên bểmái sẽ cấp đến các tầng để sử dụng, sau đó qua đường ống xả để quay trở về bểngầm để có thể sử dụng tuần hoàn mà không gây thất thoát lượng nước ban đầu

3.1.3.2 Cấu trúc đường ống và các van

Hệ thống đường ống bao gồm ba đường ống chính:

 Đường ống cấp nước cho các tầng (màu vàng)

 Đường ống xả nước các tầng (màu xanh)

 Đường ống tiếp nước cho máy bơm và bể nước (màu trắng)

Ngoài ra, mỗi tầng có thêm một van nước với đường kính trong khác nhau: 6,

8, 10 và 12 mm để tạo nên những mức áp suất khác nhau khi mở từng van một

3.2 Thiết kế phần điện hệ thống

3.2.1 Yêu cầu thiết kế

Để hệ thống có thể hoạt động thì không thể thiếu phần kết nối về điện giữa cáckhối với nhau Thiết kế phần điện cũng đóng vai trò quan trọng trong việc triển khaithi công mô hình

Phần điện của hệ thống phải đáp ứng các yêu cầu sau: