Mục đích của để tàiMục đích của đề tài là: “ Đo, điều khiển và cảnh báo lưu lượng trên đường ống” ở một ngưỡng đặt trước thông qua sự điều khiển của PLC đối với biến tần.. Kỹ thuật về ph
Trang 1MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, PLC là một nhân tố tối quan trọng, là động lực để thúc đấy phát triển sản xuất PLC là nền tảng để thực hiện các thuật toán, các chương trình điều khiển, không thể thiếu trong các hoạt động sản xuất, giao thông vận tải, góp phần to lớn vào sự phát triển của nền kinh tế quốc dân PLC là một lĩnh vực đã được hình thành và phát triển rộng lớn trên phạm
vi toàn thế giới, nó đem lại một phần không nhỏ cho việc tạo ra các sản phẩm có chất lượng và độ phức tạp cao phục vụ nhu cầu thiết yếu trong cuộc sống Ở nước ta, các lĩnh vực đưa PLC vào tự động hoá đã được Đảng và Nhà nước quan tâm và đấu tư rất lớn, cùng với các lĩnh vực công nghiệp chuyển dịch nền kinh tế theo định hướng công nghiệp hoá - hiện đại hoá đất nước
Không ngoài mục đích đó, việc ứng dụng tự động hóa vào các hoạt động sản xuất là rất cần thiết Trên cơ sở đó, em đã chọn đề tài “Sử dụng PLC S7-1200 đo, điều khiển và cảnh báo lưu lượng trên đường ống với dải đo:[0-10]l/s” Đây là hệ thống được sử dụng rộng rãitrong công nghiệp ,tăng chất lượng sản phẩm, trộn đúng tỉ lệ chuẩn và giảm tác động của con người,nâng cao năng xuất lao động Sau một thời gian được sự hướng dẫn tận tình của
cô giáo Nguyễn Thu Hà, báo cáo của em đã hoàn thiện Do thời gian đề tài ngắn và khả năng còn hạn chế, chắc chắn báo cáo của em còn nhiều thiếu sót Em rất mong nhận được
sự đóng góp của thầy và các bạn để báo cáo của em đuợc hoàn thiện hơn
Em xin chân thành cảm ơn!
Trang 2CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Mục đích của để tài
Mục đích của đề tài là: “ Đo, điều khiển và cảnh báo lưu lượng trên đường ống” ở một ngưỡng đặt trước thông qua sự điều khiển của PLC đối với biến tần Hệ thống bơm dựa trên tín hiệu cảm biến lưu lượng trong đường ống đưa về
+ Để trực tiếp thể tích chất lưu chảy qua công tơ trong một khoảng thời gian xác định ∆t+ Đo vận tốc chất lưu chảy qua công tơ khi lưu lượng là hàm của vận tốc
+ Đo độ giảm áp qua tiết diện thu hẹp trên dòng chảy, lưu lượng là hàm phụ thuộc vào độ giảm áp
Tín hiệu đo biến đổi trực tiếp thành tín hiệu điện nhờ bộ chuyển đổi điện thích hợp
1.2.2 Các phương pháp đo lưu lượng
+ Lưu lượng kế cơ khí: lưu lượng kế cánh quạt-tuabin (Turbine flowmeters), lưu lượng kế phao nổi (Variable-area flowmeters), lưu lượng kế bản chắn (Palette flowmeters)
+ Lưu lượng kế điện từ (Electro-magnetic flowmeters)
+ Lưu lượng kế tần số dòng xoáy
Bài Tập Lớn Điều Khiển Lập Trình PLC
Trang 3+ Lưu lượng kế khối lượng nhiệt
+ Lưu lượng kế đo độ giảm áp suất (Differential pressure flowmeters)
1.2.3 Kỹ thuật về phương pháp đo lưu lượng kế tần số dòng xoáy
a) Nguyên lý hoạt động: phương pháp đo lưu lượng bằng tần số dòng xoáy dựa trên
hiệu ứng sự phát sinh dòng xoáy khi một vật cản nằm trong lưu chất
Nguyên nhân gây ra sự dao động này là sự sinh ra và biến mất của các dòngxoáy bên cạnh vật cản Các dòng xoáy ở 2 cạnh bên của vật cản có chiều xoáyngược nhau
Hình 17.3 Dòng xoáy xuất hiện sau vật cản
Tần số sự biến mất của dòng xoáy (và cả sự xuất hiện) là một hiệu ứng dùng
để đo lưu lượng tính bằng thể tích Liên hệ giữa kích thước hình học vật cản, vậntốc lưu chất v và tần số biến mất của dòng xoáy f- tần số dòng xoáy được diễn tả
Hình 17.4 Phương pháp đo lưu lượng bằng dòng xoáy
Với điều kiện hằng số Strouhal S không phụ thuộc vào trị số Reynold ta có thể tích lưu lượng theo thể tích trên đơn vị thời gian được tính:
Q = 1 b.A f S
v
v
Trang 4với A là diện tích cắt ngang của dòng chảy.
Để hình thành một con đường dòng xoáy có tính xác định và lập lại thậttốt yêu cầu vật cản phải đáp ứng đủ một số điều kiện Hình dáng một số vậtcản được trình bày dưới đây:
Hình 17.5 Hình dáng một số vật cản
Hình dáng của vật cản phải được cấu tạo sao cho trong một khoảng trị sốReynold khá rộng mà trị số Strouhal vẫn là hằng số Với vật cản có hình dạnglăng kính, ta có trị số S khá ổn định trong suốt một dải trị số Reynold khárộng do vậy các thiết bị đo được bán trên thị trường thường có vật cản hìnhlăng kính Tần số dao động của vận tốc có thể được đo với nhiều phươngpháp khác nhau Cũng có thể đo sự dao động áp suất với màng sọc co giãnhoặc đo các dòng xoáy với sóng siêu âm Lực tác dụng lên vật cản có hướng
thẳng góc vớidòng chảy và trục của vật cản và được đo bằng các cảm ứng áp điện
b) Đặc điểm của phương pháp đo lưu lượng bằng tần số dòng xoáy:
- Phương pháp này rất kinh tế và có độ tin cậy cao Tần số dòng xoáy không bịảnh hưởng bởi sự dơ bẩn hay sự hư hỏng nhẹ của vật cản Đường biểu diễncủa nó tuyến tính và không thay đổi theo thời gian sử dụng Sai số phép đorất bé Khoảng đo lưu lượng tính bằng thể tích từ 3 đến 100%
Một tính chất rất đặc biệt của phép đo bằng dòng xoáy là nó độc lập vớicác tính chất vật lý của môi trường dòng chảy Sau một lần chỉnh định, sau đó
ta không cần chỉnh định lại với từng loại lưu chất
Một ưu điểm nữa là các thiết bị đo lưu lượng bằng dòng xoáy không có
bộ phận cơ học chuyển động và sự đòi hỏi về cấu trúc khá đơn giản
- Lưu lượng kế kiểu xoáy được dùng để đo các lưu chất là chất lỏng, khí và hơi(trừ các lưu chất có độ nhớt quá lớn) với độ chính xác tương đối cao:
Bài Tập Lớn Điều Khiển Lập Trình PLC
Trang 5với: Q - lưu lượng tỉ lệ
d - độ rộng của thanh tạo xoáy
D - đường kính bên trong của YEWFLO
Hình 17.6 Lưu lượng kế kiểu xoáy YEWFLO
Cấu trúc của lưu lượng kế này như hình 17.7:
Chiều dòng chảy
Hình 17.7 Cấu trúc của lưu lượng kế kiểu xoáy YEWFLO
3 Thành phần cảm biến 4 Thanh tạo xoáy
5 Màn hình hiển thị tín hiệu đầu ra 6 Dây tín hiệu cảm biến
Trang 6Điện cực
Thanh tạo xoáy sẽ tạo ra các lực nâng có ứng suất thay đổi Tần số của các thay đổi vềứng suất này tức là tần số xoáy sẽ được phát hiện bởi các thành phần áp điện được hànkín trong trong thanh tạo xoáy Có 2 thành phần áp điện để phân biệt các lực tạo ra bởixoáy và các lực tạo ra do những yếu tố khác Chúng có nhiệm vụ chuyển đổi các lựcxoáy thành các tín hiệu điện được đưa tới bộ chuyển đổi để xử lý Những thành phầnnày được đặt trong thanh tạo xoáy và không tiếp xúc với lưu chất như hình 17.8:
Cảm biến
Phần tiếp xúc với lưu chất
Hình 17.8 Cấu tạo của cảm biến áp điện đo lực tạo xoáy.
1.3 Tổng quan về PLC S7-1200
PLC viết tắt của Programmable Logic Controller là thiết bị điều khiển lập trình được cho phép thực hiện linh hoạt các thực toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện môt loạt trình tự các sự kiện Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích tác động vào plc hoặc qua các hoạt động có trễ nhưthời gian định kì hay thời gian được đếm Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật
ON hay OFF các thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý Một bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục lặp trong chương trình do người sử dụng lập ra chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ra tại các thời điểm đã lập trình Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối, người ta đã chế tao bộ điều khiển plc nhẳm thoả mãn các yêu cẩu sau:
+Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học
Bài Tập Lớn Điều Khiển Lập Trình PLC
Trang 7+Gọn nhẹ, dễ bảo quản, sửa chữa
+Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp
+Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp
+Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như máy tính, nối mạng, các module mởrộng
Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay cho các phần cứng Relay dây nối và các logic thời gian Tuy nhiên bên cạnh đó việc đòi hỏi tăng cường dung lượng nhớ và tính dễ dàng cho PLC mà vẫn đảm bảo tốc độ xử lí cũng như giá cả… Chính điều này đã tạo ra sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong công nghiệp, các tập lệnh nhanh chóng đi từ các lệnh
logic đơn giản đến các lệnh đếm, định thời, thanh ghi dịch…Sự phát triển
các máy tính dẫn đến các bộ PLC có dung lượng lớn, số lượng I/O nhiều hơn Trong PLC phần cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trình điều khiển và sử lí hệ thống, chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ được xác định bằng một chương trình Chương trình này sẽ được nạp sẵn vào bộ nhớ của PLC, PLC sẽ thực hiện việc điều khiển dựa vào chương trình này Như vậy nếu muốn thay đổi hay mở rộng chức năng của quy trình công nghệ Ta chỉ cần thay đổi chương trình bên trong bộ nhớ PLC Việc thay đổi hay mở rộng chức năng sẽ được thực hiện một cách dễ dàng mà không cần một sự canthiệp vật lí nào so với các bộ dây nối hay Relay
Trang 8Bài Tập Lớn Điều Khiển Lập Trình PLC
Trang 91.3.1 Các dòng sản phẩm của SIEMENS
1.3.2 Cấu hình và điều hành SIMATIC S7-1200
1.3.2.1 Signal boards
Trang 101.3.2.2 Signal modules
1.3.2.3 Các mođun truyền thông
1.3.3 Những đặc điểm nổi bật của Simatic S7 – 1200
1.3.3.1 Thiết kế dạng Module
Bài Tập Lớn Điều Khiển Lập Trình PLC
Trang 11+ Tích hợp cổng truyền thông Profinet (Ethernet) tạo sự dễ dàng trong kết nối.
+ Simatic S7 – 1200 với Simatic HMI Basic được lập trình chung trên một nền phần mềm
là TIA Portal V10.5 (Simatic Step 7 Basic, WinCC Basic) hoặc version cao hơn Các thao tác lập trình thực hiện theo cách kéo – thả, do đó tạo sự dễ dàng cho người sử dụng, lập trình nhanh chóng, đơn giản, chính xác trong sự truyền thông kết nối theo tags
+ Tích hợp sẵn các đầu vào ra, cùng với các board tín hiệu, khi cần mở rộng ứng dụng với
số lượng đầu vào ra ít sẽ tiết kiệm được chi phí, không gian và phần cứng
+ Dễ dàng cho người sử dụng sản phầm trong việc mua gói thiết bị
1.3.3.2 Phạm vi ứng dụng của Simatic S7 1200
– Simatic S7 1200 bao gồm các họ:
• Standard CPUs:CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C, CPU 1215C, CPU 1217C
• SIPLUS standard CPUs:SIPLUS CPU 1211C, SIPLUS CPU 1212C,
SIPLUS CPU 1214C, SIPLUS CPU 1215C
• Fail-safe CPUs: CPU 1212 FC, CPU 1214 FC, CPU 1215 FC
• SIPLUS fail-safe CPUs: SIPLUS CPU 1214 FC
• Mỗi loại CPU có những tính năng khác nhau, thích hợp cho từng loại ứng dụng
Trang 12• Các kiểu cấp nguồn và đầu vào ra có thể là AC/DC/ Rly, DC/DC/DC hay DC/DC/Rly.
• Đều có khe cắm thẻ nhớ, dùng cho khi mở rộng bộ nhớ cho CPU, copy chương trình ứng dụng hay cập nhật firmware
• Chẩn đoán lỗi online/offline
• Một đồng hồ thời gian thực cho các ứng dụng thời gian thực
1.3.3.3 Các chức năng nổi bật của CPU 1215C
– Có 6 bộ đếm tốc độ cao HSC dùng cho các ứng dụng đếm và đo lường
– Có 2 ngõ ra PTO 100kHz để điều khiển tốc độ, động cơ bước hay servo
– Có ngõ ra PWM điều chế độ rộng xung cho các ứng dụng điều khiển tốc độ động
cơ, valve, nhiệt độ
– Có 16 bộ điều khiển PID với tính năng tự động xác định thông số cho bộ điều khiển (Autotuning)
Bài Tập Lớn Điều Khiển Lập Trình PLC
Trang 131.3.3.4 Sơ đồ đấu dây PLC CPU 1215C DC/DC/DC
1.3.3.5 Board tín hiệu của S7-1200
Board tín hiệu – một dạng module mở rộng tín hiệu vào/ra với số lượng tín hiệu ít, giúp tiết kiệm chi phí cho các ứng dụng yêu cầu mở rộng số lượng , Gồm các board: 1 cổng tín hiệu ra analog 12 bit (0-10VDC, 0- 20mA)
Trang 141.3.3.6 Modules mở rộng tín hiệu vào/ra
Các module mở rộng tín hiệu vào/ra 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 sử dụng S7-1200 Tính đa dạng của các module tín hiệu vào/ra sẽ được tiếp tục phát triển
Trang 151.3.3.8 Module truyền thông
Giao tiếp với RS 232/RS 485, PROFIBUS
1.3.3.9 Thẻ nhớ
SIMATIC thẻ nhớ 2MB hoặc 24MB cho các chương trình lưu trữ dữ liệu và thay thế CPU đơn giản để bảo trì
Trang 171.3.4 Nguyên lý hoạt động
1.3.4.1 Cấu trúc
– PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp: làm bộ định thời cho các kênh trạng thái I/O Làm bộ đệm trạng thái các chức năng trong PLC như định thời, đếm, gọi các Relay
– Mỗi lệnh của chương trình có một vị trí riêng trong bộ nhớ, tất cả các vị trí trong bộ nhớ đều được đánh số, những số này chính là địa chỉ trong bộ nhớ Địa chỉ của từng ô nhớ sẽ được trỏ đến bởi một bộ đếm địa chỉ nằm bên trong
bộ vi xử lý Bộ vi xử lý sẽ có giá trị trong bộ đếm này thêm một trước khi xử lýlệnh tiếp theo Với một địa chỉ mới, nội dung của ô nhớ tương ứng sẽ xuất hiện
ở đầu ra, quá trình này gọi là quá trình đọc
– Bộ nhớ bên trong của PLC được tạo bởi vi mạch bán dẫn, mỗi vi mạch này có khả năng chứa 2000-16000 dòng lệnh tuỳ theo loại vi mạch trong PLC các bộ nhớ như RAM và EPROM đều được sử dụng +RAM có thể nạp chương trình, thay đổi hay xoá bỏ nội dung bất kì lúc nào, nội dung của RAM sẽ bị mất nếu nguồn điện nuôi bị mất Để tránh tình trạng này các PLC đều được trang bị pin khô có khả năng cung cấp năng lượng dự trữ cho RAM từ vài tháng đến vài năm Trong thực tế RAM được dung khởi tạo và kiểm tra chương trình
Trang 18Khuynh hướng hiện nay dung CMOSRAM do khả năng tiêu thụ thấp và tuổi thọ cao
– EPROM là bộ nhớ mà người sử dụng bình thường có thể đọc chứ không ghi nộidung vào được, nội dung của EPROM không bị mất khi mất nguồn, nó được gắn sẵn trong máy, đã dược nhà sản xuất nạp và chứa sẵn hệ điều hành Nếu người sử dụng không muốn sử dụng bộ nhớ thì chỉ dùng EPROM gắn bên trongPLC Trên PG có sẵn chổ ghi và xoá EPROM +EEEPROM liên kết với những truy xuất linh động của RAM và có tính ổn định Nội dung của nó có thể xoá vàlập trình bằng điện tuy nhiên số lần là có giới hạn
1.3.4.2 Hệ thống và PID, High speed counters (HSC) trong PLC S7-1200
– HSC (High speed counter)
Mục đích: Đọc tín hiệu xung tốc độ cao của các thiết bị ngoại vi đưa về PLC (VD: Đọc xung của encoder để từ đó chuyển đổi sang tốc độ quay encoder)
– PID (Proportional Integral Derivative)
Mục đích: Ứng dụng trong công nghiệp thường là ổn định các hệ thống công nghiệp
Bài Tập Lớn Điều Khiển Lập Trình PLC
Trang 19CHƯƠNG 2: THỰC HIỆN BÀI TOÁN ĐO LƯỜNG
VÀ ĐIỂU KHIỂN 2.1 Phân tích yêu cầu công nghệ
Hệ thống bao gồm:
– 1 PLC S7-1200
– 1 Bơm công suất lớn (11kw)
– 1 Biến tần (11Kw)
– 1 Cảm biến lưu lượng hoặc đồng hồ đo lưu lượng ([0-10]l/s)
– Nút nhấn START , STOP để điều khiển hệ thống
– 3 đèn báo: RUN (báo hệ thống hoạt động), FLA (cảnh báo lưu lượng thấp), FHA (Cảnh báo lưu lượng cao)
*Mô tả công nghệ: Ban đầu PLC, biến tần, bơm dừng
Khi nhấn START hệ thống hoạt động, PLC hoạt động ra lệnh cho biến tần khởi động bơm nước Lúc này cảm biến đo lưu lượng đưa thông tin về cho PLC xử lý
Trang 20(PLC xử lý tín hiệu cảm biến lưu lượng để ổn định lưu lượng ở mức 10 l/s) Khi cảm biến báo lưu lượng nhỏ hơn 9 l/s thì đàn cảnh báo FLA sáng, sau 1 phút lưu lượng vẫn thấp hơn 9 l/s thì hệ thống tự động dừng Khi cảm biến báo lưu lượng lớn hơn hơn 11 l/s thì đàn cảnh báo FHA sáng, sau 1 phút lưu lượng vẫn cao hơn
11 l/s thì hệ thống tự động dừng Dựa vào lưu lượng cảm biến đưa về PLC ra lệnh cho biến tần điều khiển động cơ máy bơm để máy bơm bơm đúng lưu lượng đã đặt Khi nhấn STOP hệ thống dừng hoạt động
2.2 Lựa chọn thiết bị cụ thể
2.2.1 PLC S7-1200, CPU 1215C, COMPACT CPU, DC/DC/DC
– Power supply (Nguồn nuôi) 20.4 - 28.8 V DC
– Digital Inputs (Ngõ vào số) 14 DI 24V DC, Digital outputs (Ngõ ra số) 10 DO 24V DC 0.5A
– Expansion Analog module (Khả năng mở rộng Analog) 2 AI 0-10V DC, 2 AO 0-20 MA DC
– Program language (Ngôn ngữ lập trình) Ladder / STL
– RTC (thời gian thực) Tích hợp sẵn
– Communication (truyền thông) RS485 qua cáp PC/PPI
– Communication Expansion (truyền thông mở rộng) Modbus, Profibus,
Devicenet
Bài Tập Lớn Điều Khiển Lập Trình PLC
Trang 212.2.2 Chọn cảm biến lưu lượng (Flowmeter)
Giới thiệu về cảm biến lưu lượng:
– Định nghĩa:
Lưu lượng kế là cảm biến đo không thể thiếu để đo lưu lượng của chất khí, chấtlòng, hay hỗn hợp khí- lỏng trong các ứng dụng công nghiệp như: Thực phẩm, nước giải khát, dầu mỏ, khí đốt, hóa chất, dược phẩm, sản xuất giấy, điện, xi măng…Trên thị trường, các loại lưu lượng kế rất đa dạng và luôn có sẵn cho bất kì ứng dụng công nghiệp hay dân dụng nào
– Việc lựa chọn cảm biến đo lưu lượng loại nào cho ứng dụng cụ thể thường dựa vào:
• Đặc tính chất lỏng (Dòng chảy một hay hai pha, độ nhớt, độ đậm đặc…)
• Dạng dòng chảy (Chảy tầng, chuyển tiếp, chảy hỗn loạn…)
• Dãy lưu lượng và yêu cầu độ chính xác của phép đo
• Các yếu tố hạn chế về cơ khí, kết nối đầu ra mở rộng– Ứng dụng:
Cảm biến đo lưu lượng trong công nghiệp được lắp đặt ở môi trường có độ nhiễu cao và thường bị xung áp, điều này đòi hỏi cảm biến đo lưu lượng phải hoạt động bình thường trong cả điều kiện xung điện áp và bù được nhiễu để đảm bảo đưa ra tín hiệu đo với độ chính xác cao
– Các cảm biến lưu lượng được chia thành bốn nhóm chính dựa vào nguyên lý hoạt động của chúng:
Cảm biến lưu lượng dựa vào chênh lệch áp suất
• Hoạt động: dựa vào nguyên lý Bernoulli Tức là sự chênh lệch áp suất xảy ra tại chỗ thắt ngẫu nhiên nào đó trên đường chảy, dựa vào sự chênhlệch áp suất này để tính toán ra vận tốc dòng chảy, dựa vào vận tốc dòngchảy có thể tính ra được lưu lượng thể tích dòng chảy
• Hình dạng: Cảm biến loại này thường có dạng lỗ orifice, ống pitot và ống venture
• Ưu điểm:
