Điều khiển và giám sát hệ thống ổn định áp suất nước sử dụng biến tần kết hợp thuật toán PID và điều khiển bằng PLC s7 1200 Điều khiển và giám sát hệ thống ổn định áp suất nước sử dụng biến tần kết hợp thuật toán PID và điều khiển bằng PLC s7 1200 Điều khiển và giám sát hệ thống ổn định áp suất nước sử dụng biến tần kết hợp thuật toán PID và điều khiển bằng PLC s7 1200
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tổng quan v PLC S7-1200 8 ề
Năm 2009, Siemens ra dòng sản phẩm S7-1200 dùng để thay thế dần cho S7-200
So với S7-200 thì S7-1200 có những tính năng nỗi trội:
S7-1200 là một dòng PLC (bộ điều khiển logic lập trình) của Siemens có khả năng kiểm soát nhiều ứng dụng tự động hóa Thiết kế gọn nhẹ, chi phí thấp và tập tính năng được tích hợp sẵn khiến S7-1200 trở thành giải pháp tối ưu cho các dự án tự động hóa vừa và nhỏ, bao gồm một microprocessor mạnh mẽ, nguồn cấp tích hợp sẵn và các đầu vào/ra DI/DO, giúp kết nối dễ dàng với cảm biến và cơ cấu chấp hành để điều khiển và giám sát hệ thống hiệu quả.
Một số tính năng bảo m t giúp b o v quy n truy c p vào cậ ả ệ ề ậ ả CPU và chương trình điều khiển:
Tất c ả các CPU đều cung c p b o v b ng password ch ng truy c p vào PLC ấ ả ệ ằ ố ậ
Tính năng “Know-how protection” để b o v ả ệ các block đặc bi t c a mình S7-ệ ủ
1200 cung c p m t c ng PROFINET, h ấ ộ ổ ỗtrợ chu n Ethernet và TCP/IP Ngoài ẩ ra b n có th dùng các Module truy n thông m r ng k t n i b ng RS485 ạ ể ề ở ộ ế ố ằ hoặc RS232
Phần mềm dùng để ậ l p trình cho S7-1200 h ỗtrợ 3 ngôn ng l p trình là FBD, LAD ữ ậ và SCL Ph n mầ ềm này được tích hợp trong Tia Portal 14 c a Siemems ủ
Vậy để làm m t d án v i S7-1200 ch c n cài Tia Portal V14 ph n mộ ự ớ ỉ ầ ầ ềm này đã bao gồm cả môi trường l p trình cho PLC và thi t k giao di n HMI ậ ế ế ệ
(1)Bộ ph n kậ ết nối ngu n ồ
(2)Các b ph n k t n i n i dây cộ ậ ế ố ố ủa người dùng có thể tháo được (phía sau các nắp che) và khe c m th nh nắ ẻ ớ ằm dưới cửa phía trên
(3)Các LED tr ng thái dành cho I/O tích h p ạ ợ
(4)Bộ ph n kậ ết nối PROFINET (phía trên c a CPU) ủ
Các kiểu CPU khác nhau mang lại sự đa dạng về tính năng và dung lượng, giúp người dùng chọn được cấu hình phù hợp để tối ưu hiệu suất cho nhiều ứng dụng khác nhau Nhờ đó, người dùng có thể tạo ra các giải pháp hiệu quả và tiết kiệm nguồn lực cho hệ thống CNTT Hiểu rõ đặc tính của từng loại CPU sẽ hỗ trợ quyết định đầu tư và tối ưu chi phí, từ đó nâng cao độ tin cậy và hiệu quả hoạt động của các giải pháp công nghệ.
Chức năng CPU 1211C CPU 1212C CPU 1214C
Kích thước vật lý (mm) 90 x 100 x 75 110 x 100 x 75
2 ngõ ra Kích thước ảnh tiến trình 1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (Q)
Bộ nhớ bit (M) 4096 byte 8192 byte Độ ở m rộng các module tín hi u ệ Không 2 8
Các module truy n ề thông 3 (m r ng v bên trái) ở ộ ề
Các b ộ đếm tốc độ cao
Thẻ nh ớ Thẻ nh SIMATIC (tùy ch n) ớ ọ
Thời gian lưu giữ đồng hồ thời gian th c ự Thông thường 10 ngày / ít nhất 6 ngày t i 400C ạ
PROFINET 1 c ng truyổ ền thông Ethernet
Tốc độ thực thi tính toán thực 18 μs/lệnh
Table 3.1-1 Thông s ố kĩ thuật PLC S7-1200
Hệ S7-1200 cung cấp nhiều loại module tín hiệu và module mở rộng để tăng dung lượng và khả năng xử lý của CPU Người dùng có thể lắp thêm các module truyền thông để hỗ trợ các giao thức truyền thông khác nhau.
Module Chỉ ngõ vào Chỉ ngõ ra Kết hợp In/Out
Kiểu tương tự 4 x Analog In
4 x Analog In / 2 x Analog Out Bảng tín hi u ệ
Kiểu tương tự _ 1 x Analog In _
Table 3.1-2 Các Module mở rộng
Một SB (bộ tín hiệu) cho phép người dùng bổ sung I/O cho CPU Người dùng có thể thêm một SB với I/O ở các kiểu khác nhau hoặc các kiểu kết nối tương tự SB được kết nối vào phía trước của CPU.
SB với 4 I/O kiểu số (ngõ vào 2 x DC và ngõ ra 2 x DC)
Figure 3.1-2 Các b ng ả tín hi u c a PLC S7-1200 ệ ủ
(1)Các LED tr ng thái trên SB ạ
(2)Bộ ph n kậ ết nối nối dây của người dùng có thể tháo ra
Người dùng có thể sử dụng các module tín hiệu để thêm vào CPU các chức năng Các module tín hi u kệ ết nối vào phía bên ph i c a CPU ả ủ
Figure 3.1-3 Các Module tín hi u c a PLC S7-1200 ệ ủ
(1) Các LED tr ng thái dành cho I/O cạ ủa module tín hi u ệ
(2)Bộ ph n kậ ết nối đường d n ẫ
(3)Bộ ph n kậ ết nối nối dây của người dùng có thể tháo ra
Họ S7-1200 cung c p các module truyấ ền thông (CM) dành cho các tính năng bổ sung vào h ệthống Có 2 module truy n thông: RS232 và RS485 ề
CPU hỗ trợ ối đa 3 module truyề t n thông
Mỗi CM k t n i vào phía bên trái c a CPU (hay v phía bên trái c a m t CM ế ố ủ ề ủ ộ khác)
Figure 3.1-4 Các Module truy n thông c a PLC S7-1200 ề ủ
(1)Các LED tr ng thái dành cho module truy n thông ạ ề
(2) Bộ ph n kậ ết nối truy n thông ề
3.1.6 Ưu điểm PLC S7-1200 so v i nhớ ững dòng PLC trước
Tín hiệu I/O và tín hi u trên PLC: ệ
Đố ới v i PLC S7 – 200 không thể thay đổi được vùng địa ch I/O mà nó tự ỉ động nhận
Đố ới v i PLC S7 – 1200 có thể thay đổi được vùng địa chỉ I/O tùy theo người sử dụng
SIMATIC S7-1200 thích h p vợ ới nhiề ứu ng d ng tụ ự động hóa khác nhau, cấp độ ừ t nhỏ đến trung bình Đặc điểm nổi bật là S7-1200 được tích hợp sẵn cổng truyền thông Profinet (Ethernet), sử d ng chung mụ ột phần m m Simatic Step 7 Basic cho viề ệc lập trình PLC và các màn hình HMI Điều này giúp cho vi c thiệ ết kế ậ, l p trình, thi công hệ thống điều khiển được nhanh chóng, đơn giản Bên cạnh CPU S7-1200 và phần mềm lập trình mới, một d i sả ản ph m các màn hình HMI mẩ ới dùng cho S7-1200 cũng được giới thiệu Tấ ả t c cùng tạo ra một giải pháp tích cực, thống nh t cho th ấ ị trường t ng hóa c nh ự độ ỡ ỏ S7-1200 bao g m các h CPU 1211C, 1212C, 1214C Mồ ọ ỗi loại CPU có đặc điểm và tính năng khác nhau, thích hợp cho từng ứng dụng Bên cạnh truyền thông Ethernet được tích hợp sẵn, CPU S7-1200 có thể m rở ộng được 3 module truyền thông khác nhau, giúp cho việc kết nối được linh hoạt.
3.2 Giới thiệu biến tần Mitsubishi FR-D700
Biến t n là thi t b lầ ế ị àm thay đổ ầi t n s dố òng điện đặt lên cu n dộ ây bên trong động cơ và thông qua đó có thể điều khi n tể ốc độ động cơ một cách vô c p, không c n dấ ầ ùng đến các hộp s ố cơ khí Biến tần thường s d ng các linh ki n bán dử ụ ệ ẫn để đóng ng t tu n t các cuắ ầ ự ộn dây của động cơ để làm sinh ra từ trường xoay làm quay rô-to (rotor)
3.2.2 Vai trò của biến tần
Năng lượng là nguồn lực thiết yếu cho mọi hoạt động sản xuất và là yếu tố then chốt cho sự phát triển bền vững của đất nước Tuy nhiên, hiện nay nhiều doanh nghiệp vẫn đối mặt với tình trạng lãng phí năng lượng và hiệu suất sử dụng thấp do quản lý năng lượng chưa được chú trọng và công nghệ, thiết bị chưa tối ưu Điều này dẫn tới thất thoát năng lượng và chi phí sản xuất tăng cao Để khắc phục nhược điểm này, các doanh nghiệp đang ứng dụng các biện pháp nâng cao hiệu suất động cơ xoay chiều trên các dây chuyền sản xuất, kết hợp với quản lý năng lượng chặt chẽ và các giải pháp tiết kiệm điện tiên tiến.
Biến t n kầ ết hợp với động cơ không đồng bộ đã đem lại nh ng l i ích sau: ữ ợ
- Hiệu su t làm viấ ệc của máy cao
- Quá trình khởi động và dừng động cơ rất êm d u nên giúp cho tu i thị ổ ọ động cơ và các cơ cấu bền hơn.
- An toàn, ti n l i và vi c bệ ợ ệ ảo dưỡng cũng ít hơn do vậy đã gi m b t s nhân ả ớ ố công phục v vụ à vận hành máy
- Tiết kiệm điện năng ở mức tối đa trong quá trình khởi động và v n hậ ành
Hệ thống máy được kết nối với máy tính và quản lý tập trung tại trung tâm điều khiển Tại đây, nhân viên vận hành có thể theo dõi đầy đủ hoạt động của hệ thống và các thông số vận hành như áp suất, lưu lượng và vòng quay, đồng thời nắm được trạng thái làm việc của thiết bị Trung tâm cho phép điều khiển từ xa, chẩn đoán và xử lý nhanh các sự cố có thể xảy ra để đảm bảo hoạt động liên tục và an toàn.
Trong chế độ PU, điều khiển được thực hiện bằng các phím chức năng tích hợp trên phần cứng của biến tần, cho phép bật/tắt và điều chỉnh các tham số vận hành Các phím này quản lý trực tiếp quá trình làm việc và các chế độ hoạt động, với tín hiệu điều khiển được đưa ra ở đầu ra thông qua cáp kết nối.
Figure 3.2-1 Nguyên lý hoạt động của biến tần
Biến tần thay đổi điện áp hay tốc độ cho động cơ xoay chi u b ng cách chuyề ằ ển đổi dòng điện xoay chiều cung cấp 1 pha hoặc 3 pha thành dòng điện 1 chiều trung gian sử dụng c u chầ ỉnh lưu, sau đó điện áp 1 chiều này được cho qua các tụ điện để san phẳng, sau đó lại được nghịch lưu thành điện áp xoay chiều cung cấp cho động cơ với giá trị tần số thay đổi Công đoạn này hiện nay được th c hi n thông qua h ự ệ ệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế độ ộ r ng xung PWM
Figure 3.2-2 Đấ u nối độ ng lực biến tần
Kết nối động cơ vào các chân U, V, W
Figure 3.2-3 Sơ đồ đấu nối bi n t n Mitshubishi ế ầ FR -D700
Ký hiệu Tên Mô tả
Ngõ vào cung cấp nguồn AC
Kết nối nguồn AC một pha và mắc vào các nhánh R(L1) và S(L2) Khi vận hành ở các chế độ FR-HC hoặc FR-CV nhằm nâng cao hệ số công suất, không cần kết nối tới bất kỳ đường dây nào khác.
U, V, W Ngõ ra c a ủ inverter Nối đến động cơ 3 pha rotor lồng sóc.
P,PR(+,P) Kết nối điện trở hãm Hai ngõ này được sử dụng để ế k t nối đến điện tr hãm.ở
Kết nối đến bộ ph n ậ hãm
Hai ngõ này được kết nối đến bộ phận hãm và b biộ ến đổ ệ ối h s công suất lớn (FR-HC).
Nhân tố cải thiện h s ệ ố công suất
Không kết nối tắt gi a P(+) và Pl, nữ ối cuộn dây DC c i thi n h s công suả ệ ệ ố ất vào. Đất (Ground, Earth)
Chân nối đất inverter Phải luôn nối đất cho inverter.
Khở ội đ ng động cơ quay thuận
Khởi động động cơ quay thuận khi ngõ ra STF-SD là ON.
STR Khở ội đ ng động cơ quay ngược
Khởi động động cơ quay ngược khi ngõ ra STR-SD là ON.
Chọn lựa đa tốc độ
Chọn lựa nhiề ốc độu t khi các ngõ RH,
Khi nối tắt hai đầu MRS và SD trong khoảng 20 ms, tín hiệu ngõ ra của inverter sẽ bị ngắt Tín hiệu này được dùng để ngắt ngõ ra của inverter khi động cơ được dừng bằng hãm từ, giúp đảm bảo an toàn vận hành và giảm thiểu hao mòn cơ khí cũng như tổn thất năng lượng.
Xóa trạng thái đang hoạt động khi cho mạch hoạt động b o v Nả ệ ối t t 2 cắ ực RES-SD trong 0.1s (hoặc hơn) sau đó h ở mạch H s ệ ố đặt ph i luả ôn reset.
SD Tiếp điểm vào chung
Nối với các tiếp điểm vào và đồng h hi n ồ ể thị Tiếp điểm ra có điện áp ra 24V DC và dòng 0,1A.
Chân chung các transistor bên ngoài.
Khi nối với m t ngõ ra cộ ủa transistor (ngõ ra cực thu hở), như là PLC Dùng nguồn vào khoảng 24 V DC, 0.1 A.
Nguồn cung cấp để định tần số nguồn
Khi ngõ vào từ 0-5V DC (hoặc từ 0-10V DC), tần số ra lớn nhất đạt đượ ạc t i 5V (hoặc 10V).Ngõ vào và ngõ ra có quan h ệ tỉ l Có th ệ ể thay đổi mức điện áp 5V hay 10V b ng cằ ách sử ụng Pr.73 Điệ d n tr ở vào là 10KΩ Điện áp vào có thể chịu đến 20V.
Thiết lập t n ầ số òng (d điện)
Tín hiệu vào là DC 4-20 mA Bộ inverter được điều chỉnh để tại 4 mA cho ra tần số 0 Hz và tại 20 mA cho ra tần số 60 Hz, với đầu ra tối đa là 20 mA Dòng tải tối đa mà hệ thống có thể chịu được là 30 mA Điện trở vào của hệ thống nằm khoảng 250 Ω.
Ngõ vào chung để định tần số.
Chân chung cho tín hiệu điều ch nh t n s ỉ ầ ố(chân 1,2 ho c 4ặ ) Không được nối đất chân này.
Tín hiệu báo động ngõ ra
Tiếp điểm báo mạch bảo vệ của inverter đã kích hoạt và ngõ ra đã ngừng hoạt động Hệ thống có hai mức nguồn: 200V AC ở dòng 0.3A hoặc 30V DC ở dòng 0.3A Khi sự cố xảy ra, mạch giữa A-C được đóng, còn mạch giữa B-C được mở.
RUN Inverter đang hoạt động
Tổng quan v ề bơm và ghép bơm
3.3.1 Khái niệm và phân loại bơm
Trong nhiều ngành công nghiệp, bơm là thiết bị chủ chốt để vận chuyển chất lỏng qua hệ thống ống và mạng phân phối Bơm cung cấp động lực cho dòng chất lỏng, vượt qua trở lực trong đường ống và tạo lưu lượng cùng áp suất cần thiết cho quá trình sản xuất Nhờ bơm, chất lỏng có thể được nâng lên một độ cao nhất định và được phân phối đồng đều khắp hệ thống Năng lượng để vận hành bơm tới từ các nguồn động năng khác nhau như động cơ điện, động cơ đốt hoặc nguồn năng lượng tái tạo, tùy thuộc vào loại bơm và ứng dụng.
Theo nguyên lý hoạt động, bơm chất lỏng chia làm ba nhóm chính sau:
Bơm thể tích là loại bơm hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi thể tích của buồng làm việc để hút và đẩy chất lỏng Khi buồng làm việc giãn ra, chất lỏng được hút vào; khi buồng nén lại, chất lỏng bị đẩy ra và đi vào hệ thống Quá trình này khiến thể tích và áp suất chất lỏng trong bơm dao động, cung cấp năng lượng để chất lỏng di chuyển qua các ống và thành phần của hệ thống.
Việc thay đổi thể tích trong bơm có thể do:
Chuyển động tịnh tiến (bơm piston)
Chuyển động quay (bơm roto)
Bơm động lực hoạt động dựa trên nguyên lý hút và đẩy chất lỏng ra khỏi buồng bơm nhờ sự quay vòng của rotor và các cánh quạt Khi các cánh quạt quay, động năng của chúng được truyền vào chất lỏng, tạo áp lực và năng lượng để đẩy dòng chảy qua bơm và đi tiếp vào hệ thống Quá trình này cho phép chất lỏng được vận chuyển liên tục với hiệu suất dòng chảy cao.
Năng lượng của cánh quạt truy n vào ch t lỏng có th dưới dạng: ề ấ ể
Lực ly tâm (bơm ly tâm)
Lực đẩy c a cánh quủ ạt (bơm hướng trục)
Lực ma sát (bơm xoáy lốc)
Bơm khí động hoạt động dựa trên nguyên lý hút và đẩy chất lỏng nhờ sự thay đổi áp suất của dòng khí chuyển động bên trong bơm, từ đó tạo động năng và cung cấp năng lượng cho dòng chảy Khi áp suất khí nén được nén hoặc giãn, sự biến đổi này đẩy chất lỏng theo hướng mong muốn và duy trì lưu lượng cần thiết Quá trình này cho phép vận chuyển chất lỏng hiệu quả mà không phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn điện, đồng thời cho phép kiểm soát lưu lượng bằng cách điều chỉnh áp suất khí và mở van Do đó, bơm khí động là giải pháp phù hợp cho các hệ thống đòi hỏi di chuyển chất lỏng nhanh chóng, an toàn và thân thiện với năng lượng.
Bơm Ejector: việc thay đổi áp su t dòng khí s t o ra l c lôi cu n chấ ẽ ạ ự ố ất lỏng cùng dòng khí
Thùng nén: t o áp su t trên b m t ch t l ng nh m t o cho ch t lạ ấ ề ặ ấ ỏ ằ ạ ấ ỏng có thế năng cần thiết để chuyển động
Trong các trạm bơm cấp nước và thoát nước, khi yêu cầu lưu lượng lớn hoặc ổn định, người ta thường bố trí nhiều bơm hoạt động song song để cùng làm việc Việc chạy đồng thời của các bơm giúp đạt được lưu lượng mục tiêu một cách linh hoạt, tăng cường độ tin cậy của hệ thống và tối ưu hóa hiệu suất năng lượng Hệ thống bơm song song cho phép điều chỉnh lưu lượng dễ dàng bằng cách bật/tắt các bơm và phân bổ tải giữa chúng, giảm thiểu rủi ro mất nước và đảm bảo cấp nước liên tục cho người dùng.
Khi các bơm cấp nước làm việc cùng một hệ thống đường ống, ta gọi đó là làm việc song song Trong chế độ này, các bơm có cột áp bằng nhau để đáp ứng cột áp yêu cầu của hệ thống, đồng thời tổng lưu lượng của hệ thống được xác định bằng tổng lưu lượng của các bơm Việc vận hành bơm song song giúp phân bổ lưu lượng đồng đều cho các nhánh và đảm bảo áp lực nước ổn định trên toàn mạng lưới.
Trong thực tế hệ thống ống, người ta có thể ghép hai hoặc nhiều bơm làm việc song song trên cùng một đường ống để tăng lưu lượng và cải thiện độ ổn định Thậm chí có trường hợp hai trạm bơm hoạt động song song trên cùng một mạng lưới để đảm bảo nguồn cấp liên tục ngay cả khi một máy gặp sự cố Để xác định điểm làm việc tối ưu và phạm vi hoạt động của hệ thống, cần tính tổng công suất và đặc tính áp lực–lưu lượng của các bơm khi vận hành ở chế độ song song, cũng như cân bằng áp suất giữa các nhánh đường ống Việc phân tích kỹ lưỡng giúp chọn cấu hình bơm phù hợp, tối ưu hóa hiệu quả vận hành và đảm bảo an toàn cho toàn hệ thống.
Figure 3.3-1 H ệ thống hai bơm (cùng đặc tính) ghép song song
Hai bơm cùng đặc tính làm việc song song:
Trên Figure 3.3-1 gi i thiớ ệu hai bơm cùng đặc tính Q-H làm vi c song song trên ệ cùng đường ống
Do khi làm vi c song song, c t áp tệ ộ ổng H,„ của h ệthống băng cột áp c a tủ ừng bơm:
𝐻 𝑡𝑐 = 𝐻 1 = 𝐻 2 =𝐻 3 = = 𝐻 𝑛 (1) nên khi dựng đường đặc tính t ng c ng ch cổ ộ ỉ ần nhân đôi hoành độ ( lưu lượng) còn tung độ (cột áp) giữ nguyên
Figure 3.3-2 Đặc tính làm việc song song của hai bơm giống nhau
Ví dụ : tìm c trên đường đặc tính t ng c ng Q-ổ ộ 𝐻 (1+2) , ch vi c lỉ ệ ấy ac = 2ab Tương tự như vậy s ẽ tìm được các điểm của đường đặc tính tổng công Q-𝐻 (1+2)
Giao điểm giữa hai đường đặc tính đường ống DE và đường đặc tính tổng cộng Q-
Điểm làm việc H(1+2) là điểm làm việc của hai bơm ghép song song trên đồ thị Q–H, với trục hoành biểu diễn lưu lượng tổng Q và trục tung biểu diễn tổng áp hay tổng head H(1+2) Từ điểm 2 vẽ đường song song với trục hoành để cắt đường đặc tính Q–H của từng bơm tại điểm 1, cho lưu lượng Q1 và áp lực H1 mà mỗi bơm chịu khi làm việc song song; như vậy hai bơm ghép song song sẽ phân chia lưu lượng và duy trì tổng head theo hệ thống, luôn tuân theo các điều kiện (1) và (2) Hình 12 minh họa trực quan cho cách hai bơm làm việc song song trong hệ thống.
Từ điểm I k ẻ đường song song v i trớ ục tung được điểm 3 và 4 cho công su t và hiấ ệu suất của từng bơm khi làm việc song song trong hệ thống
Giao điểm 5 của đường đặc tính từng bơm Q- 𝐻 1,2 với đường đặc tính đường ng ố xác định điểm làm việc của từng bơm trong hệ ống cho lưu lượ th ng Q, cột áp H Từ điểm
5 kẻ đường song song v i trớ ục tung được điểm 6 và 7 xác định công su t và hi u su t cấ ệ ấ ủa tưng bơm khi làm việc riêng rẽ
Hai bơm ghép song song trên một hệ thống đường ống nhỏ có tổng lưu lượng bằng Q1+Q2 nhưng thường nhỏ hơn tổng lưu lượng khi hai bơm làm việc riêng rẽ trong cùng hệ thống Nguyên nhân là khi các bơm làm việc song song, lưu lượng tăng lên làm tăng tổn thất cột áp trên đường ống, khiến cột áp toàn phần của bơm tăng lên và điểm làm việc dịch về phía có cột áp lớn hơn; do đó lưu lượng của cặp bơm làm việc song song bị giảm so với làm việc độc lập.
Hiệu quả tối ưu khi làm việc song song của hai bơm là khi điểm làm việc của hệ tương ứng với lưu lượng tính toán Điều này có thể thực hiện được nếu chọn bơm một cách hợp lý Khi chọn bơm, lưu lượng của mỗi bơm nên bằng một nửa lưu lượng tính toán và cột áp toàn phần tương ứng sẽ được xác định theo giá trị lưu lượng tính toán, từ đó cân bằng tải và tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng cho hệ thống bơm.
Các bơm được gọi là làm việc nối tiếp khi nước ra khỏi bơm đầu tiên được đưa trực tiếp vào ống hút của bơm thứ hai và sau đó đẩy vào hệ thống Trong cấu hình bơm nối tiếp, lưu lượng qua từng bơm bằng nhau và bằng với lưu lượng của toàn bộ hệ thống, trong khi tổng áp suất nhờ cộng dồn giữa các bơm tăng lên để đẩy chất lỏng qua hệ thống.
𝑄 1 = 𝑄 2 = =𝑄 ℎ𝑡 còn cột áp của hệ thông băng tông cột áp của các bơm:
Các bơm làm việc nối tiếp được sử dụng khi hệ thống yêu cầu áp lực cao mà một bơm không đáp ứng được
Figure 3.3-3 H ệ thống 2 bơm (cùng đặc tính) ghép n i ti ố ếp
Hệ thống 2 bơm (cùng đặc tính) ghép nối tiếp:
Trên Figure 3.3-4 gi i thiớ ệu đặc tính của hai bơm giống nhau làm vi c n i tiệ ố ếp Đặc tính t ng c ng cổ ộ ủa hai bơm được d ng b ng cách: ng v i mự ằ ứ ớ ỗi điểm trên đường đặc tính của bơm, giữ nguyên hoành độ và nhân đôi tung độ Ví dụ điểm c trên đường đặc tính t ng ổ cộng Q-𝐻 (1+2) nhận được bằng cách lấy tung độ ac = 2ab, còn hoành độ giữ nguyên Đặc tính đường ng CE cố ắt đặc tính Q-𝐻 (1+2) tại A xác định điểm làm vi c cệ ủa hai bơm trong hệ thống T ừ đường đặc tính xác định được lưu lượng 𝑄 (1+2) và cột áp 𝐻 (1+2) của hai bơm làm việc nố ếp Lưu lượi ti ng của mỗi bơm:
Figure 3.3-4 Đặc tính làm việc của hai bơm ghép nối ti p ế
Figure 3.3-5 mô tả đặc tính làm việc của hai bơm ghép nối tiếp Trên hình, đặc tính của hai bơm giống nhau ghép nối tiếp khi có tải cho thấy không chỉ tăng cột áp mà còn tăng lưu lượng của hệ thống Cách dựng đường đặc tính tổng của hệ thống cũng tương tự như trường hợp trên A là điểm hệ thống Từ đồ thị có thể thấy rõ rằng khi ghép hai bơm làm việc nối tiếp, không chỉ tăng cột áp mà còn tăng lưu lượng của hệ thống.
Tổng quan bộ điều khi n PID 30 ể
3.4.1 Tổng quan bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) là một bộ điều khiển vòng lặp có hồi tiếp, được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động Nó so sánh tín hiệu đặt với tín hiệu đo được từ quá trình, tính toán sai lệch và kết hợp ba thành phần P, I và D để tạo ra tín hiệu điều khiển phù hợp, nhằm điều chỉnh quá trình và đạt được đáp ứng mong muốn một cách nhanh chóng và ổn định.
Hệ thống được thiết kế hồ ếp âm đơn vị có sơ đồi ti khối như sau:
Figure 3.4-1 Sơ đồ khối hệ th ống điề u khiển vòng kín
Bộ điều khiển PID là một cơ chế điều khiển được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp Nó so sánh giá trị đo được của biến quá trình với giá trị mong muốn cần đạt và tính toán để xuất ra một tín hiệu điều chỉnh nhằm đưa hệ thống về trạng thái mong muốn Tín hiệu điều chỉnh này được xác định bởi ba thành phần Proportional, Integral và Derivative, giúp tối ưu hóa đáp ứng và giảm thiểu sai lệch ở mức thấp nhất có thể, đồng thời tăng sự ổn định và hiệu suất của hệ thống.
Bộ điều khi n PID g m 3 thông s riêng: Tể ồ ố ỷ l , Tích phân và Vi phân ệ
Figure 3.4-2 Sơ đồ khối PID
Thành phần t l (Kp) có tác dỉ ệ ụng làm tăng tốc độ đáp ứng c a h và làm gi m ch ủ ệ ả ứ không tri t tiêu sai s xác l p cệ ố ậ ủa hệ (steady-state error)
Thành ph n tích phân (Ki) có tác d ng tri t tiêu sai s xác lầ ụ ệ ố ập nhưng có thể làm giảm tốc độ đáp ứng của hệ
Thành phần vi phân (Kd) làm tăng độ ổn định hệ thống, giảm độ ọ ố v t l và c i thiả ện tốc độ đáp ứng của hệ
Như vậy, từ ba thành phần tỉ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D), ta có thể xây dựng các bộ điều khiển khác như bộ điều khiển P, PI và PD sao cho phù hợp với đặc tính của đối tượng tác động Ở đây, chúng ta sẽ tập trung nghiên cứu sâu về bộ điều khiển PID, vì đây là cấu hình điều khiển phổ biến và linh hoạt nhất để cân bằng sai số và đảm bảo sự ổn định của hệ thống.
Xét ảnh hưởng c a các thành phủ ần Kp, Ki, Kd đối v i h ớ ệ kín được tóm t t trong bắ ảng sau:
Thành phần Thời gian đáp ứng Độ quá điều chỉnh
Thời gian quá độ Ổn định ở trạng thái xác l p ậ
KP Giảm Tăng Thay đổi ít Giảm
KI Giảm Tăng Tăng Bị loại bỏ
KD Thay đổi ít Giảm Giảm Thay đổi ít
Table 3.4-1 Ảnh hưởng của các thành ph n Kp, Ki, Kd v ầ ớ ệ i h kín
Khi thiết kế b ộ PID nên theo các bước sau để có kết quả như mong muốn:
+ Tìm đáp ứng hệ hở và xác định thông số nào cần cải thiện
+ Thêm thành phần Kp để ải thiệ c n thời gian đáp ứng
+ Thêm thành phần Kd để ảm độ ọt lố gi v
+ Thêm thành phần Ki đểtriệt tiêu sai số xác l p ậ
+ Điều ch nh Kp, Ki, Kd cỉ ho đến khi đáp ứng các thông s yêu c u ố ầ
3.4.2 Tìm hiểu khối hàm PID_Compact trong Tia Portal
Figure 3.4-3 Khố i PID Compact trong Tia Portal
Công d ng: PID_Compact cung c p 1 b ụ ấ ộ điều khi n PID v i chể ớ ức năng tự điều ch nh ỉ cho chế t ng hođộ ự độ ặc bằng tay
Setpoint IN Real là điểm đặt của bộ điều khiển PID ở chế độ tự động, cho phép xác định mục tiêu điều khiển cho quá trình và có giá trị mặc định là 0.0 Input IN Real là giá trị quá trình thực tế được cảm biến đo, với giá trị mặc định là 0.0 Trong chế độ tự động, bộ điều khiển PID sử dụng Setpoint và giá trị quá trình để tính toán tín hiệu điều khiển và điều chỉnh quá trình nhằm đưa giá trị quá trình tiến tới điểm đặt mong muốn.
Phải đặt sPid_Cmpt.b_Input_PER_OnSE Input_PER IN Word Giá trị xử lý analog (tùy chọn).Giá tr mị ặc định:
Trong cấu hình PID, tham số b_Input_PER_On của PID_Cmpt = TRUE ManualEnable IN Bool cho phép hoặc ngăn chế độ vận hành bằng tay; giá trị mặc định: FALSE Khi có cạnh từ FALSE sang TRUE ở tín hiệu ManualEnable, bộ điều khiển PID sẽ chuyển sang chế độ vận hành bằng tay, State=4 và sRet.i_Mode không đổi Việc đặt các tham số này giúp điều khiển PID có thể can thiệp bằng tay khi cần thiết, đồng thời duy trì trạng thái vận hành tự động khi ManualEnable ở FALSE Đây là yếu tố quan trọng cho khả năng kiểm soát và tối ưu hóa quá trình điều khiển.
FALSE,bộ điều khi n PID chuy n t i ch ể ể ớ ế độ v n ậ hành cu i cùng và State = sRet.i_Mode ố ManualValue IN Real Giá x lí cho vi c v n hành b ng tay Default trị ử ệ ậ ằ value: 0.0 Reset IN Bool Khởi động lại bộ điều khiển Default value:
Nếu Reset=TRUE, những điều sau đây được áp dụng:
Mode: Ch ế độ vận hành không hoạt động
Integral part of the process value = 0
Giá tr trung gian c a h ị ủ ệthống được reset (các thông số PID được duy trì) ScaledInput OUT Real Giá tr ị quá trình được tỷ l Giá tr mệ ị ặc định: 0.0 Output(1) OUT Real Giá trị đầu ra Giá tr mị ặc định: 0.0
Output_PER(1) OUT Word is the analog output value, with a default of W#16#0 Output_PWM(1) OUT Bool is the output control for PWM modulation, defaulting to FALSE SetpointLimit_H OUT Bool represents the upper limit on the setpoint, with a default value of FALSE.
Nếu SetpointLimit_H=TRUE, đạt đến giới hạn trên tuyệt đối của SP Default value: FALSE SetpointLimit_L OUT Bool Giới hạn dướ ủa SP Default value: FALSE i c
Nếu SetpointLimit_H=TRUE, đạt đến giới hạn dưới tuyệt đối của SP Default value: FALSE InputWarning_H OUT Bool N u InputWarning_H = TRUE, giá tr xế ị ử lí
(PV) đạt đến hay vượt m c gi i h n trên Default ứ ớ ạ value: FALSE
InputWarning_L OUT Bool N u InputWarning_H = TRUE, giá tr x lí(PV) ế ị ử đạt đến hay vượt mức giới hạn dưới Default value: FALSE
State OUT Int Chế độ v n hành hi n tậ ệ ại của bộ điều khi n PID ể
Sử dụng sRet.i_Mode để chuy n ch ể ế độ
State = 1: Pretuning (điều chỉnh sơ bộ)
State = 4: Manual mode Error OUT DWord Giá tr mị ặc định báo l i: DW#16#0000 (no ỗ
Table 3.4-2 Thông s b PID_Compact ố ộ(1)Các thông số Output, Output_PER, và Output_PWM được sử ụ d ng song song
3.5 Mạng truy n thông trong công nghiề ệp – mạng RS 485
3.5.1 Khái niệm và vai trò m ng truy n thông công nghi p ạ ề ệ
3.5.1.1 Khái niệm Đây là một khái niệm chung chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, được sử dụng để ghép nối các thiết bị công nghiệp Các hệ thống truy n thông công ề nghiệp ph bi n hi n nay cho phép liên kổ ế ệ ết mạng nhi u m c khác nhau, t các c m biở ề ứ ừ ả ến, cơ cấu chấp hành dướ ấp trường cho đến các máy tính điềi c u khiển, thiết bị quan sát, máy tính điều khiển giám sát và máy tính cấp điều hành xí nghiệp, quản lý công ty
Việc sử dụng mạng truyền thông công nghiệp, đặc biệt là fieldbus (bus trường), để thay thế cách nối điểm-điểm cổ điển giữa các thiết bị công nghiệp mang lại hàng loạt lợi ích rõ rệt như giảm chi phí lắp đặt và bảo trì, tăng tính đồng bộ và khả năng mở rộng của hệ thống, cải thiện độ tin cậy và khả năng chẩn đoán sự cố, giảm nhiễu và quản lý mạng dễ dàng hơn, từ đó tối ưu hóa hiệu suất sản xuất và dễ dàng tích hợp với các chuẩn công nghệ và hệ thống tự động hóa hiện đại.
Một đường truyền duy nhất giúp đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp Với số lượng lớn thiết bị thuộc các loại khác nhau được ghép nối với nhau thông qua một đường truyền duy nhất, hệ thống được tối ưu hóa về mức độ phức tạp và dễ dàng bảo trì, đồng thời tăng khả năng tương thích và hiệu quả truyền thông trong mạng công nghiệp.
Tiết kiệm dây nối và tối ưu hóa thiết kế khiến hệ thống trở nên đơn giản và dễ triển khai hơn rất nhiều Với cấu trúc cơ bản, quá trình thiết kế và lắp đặt được rút ngắn nhờ giảm thiểu số lượng dây và các điểm nối, từ đó tăng độ tin cậy và giảm công sức thi công Khi một đường cáp duy nhất có thể thay thế nhiều tuyến cáp khác nhau, chi phí vật liệu và chi phí lắp đặt được giảm đáng kể, mang lại hiệu quả tiết kiệm lớn cho dự án.
Để nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin, các hệ thống truyền tín hiệu hiện đại thường ưa chuộng phương pháp số hóa thay cho truyền tín hiệu tương tự cổ điển Nhiễu có thể dễ dàng làm sai lệch nội dung khi dùng tín hiệu analog, trong khi các thiết bị số có khả năng nhận diện và xử lý sai lệch tốt hơn, đồng thời tự động phát hiện lỗi và chẩn đoán lỗ hổng Hơn nữa, việc giảm thiểu hoặc loại bỏ nhiều lần chuyển đổi giữa tương tự và số giúp tăng đáng kể độ chính xác của dữ liệu được truyền tải.
Việc nâng cao độ linh hoạt và khả năng mở rộng của hệ thống cho phép các thành phần giao tiếp với nhau một cách hiệu quả Việc thay thế thiết bị, nâng cấp và mở rộng phạm vi chức năng của hệ thống trở nên dễ dàng hơn khi thiết kế chú trọng đến tính tương thích và tính modular Khả năng tương tác giữa các thành phần (phần cứng và phần mềm) được tăng lên nhờ các giao diện chuẩn, từ đó tối ưu hóa quá trình tích hợp, bảo trì và mở rộng hệ thống trong tương lai.
Việc tham số hóa, chẩn đoán và định vị sự cố cho các thiết bị được đơn giản hóa và tiện lợi nhờ một đường truyền duy nhất Các thiết bị có thể trao đổi đầy đủ dữ liệu tham số, dữ liệu trạng thái, dữ liệu cảnh báo và dữ liệu chẩn đoán, đồng thời tích hợp khả năng tự chẩn đoán để tăng khả năng nhận diện sự cố và cảnh báo lẫn nhau giữa các trạm trong mạng Việc thiết lập hệ thống, lập trình, tham số hóa và đưa thiết bị vào vận hành có thể thực hiện từ xa qua mạng trung tâm, giúp tối ưu hóa quy trình bảo trì và nâng cao hiệu quả vận hành của toàn bộ hệ thống.
Tổng quan ph n m m Tia Portal 40 ầ ề
3.6.1 Giới thiệu ph n m m Tia Portal ầ ề
Phần mềm TIA Portal cung cấp một môi trường thân thiện cho người dùng để phát triển, chỉnh sửa và giám sát mạng logic cần thiết nhằm điều khiển các ứng dụng tự động hóa Nền tảng này tích hợp đầy đủ các công cụ quản lý và cấu hình thiết bị trong dự án, như PLC và HMI, giúp quản lý và triển khai hệ thống một cách nhất quán từ một nền tảng duy nhất.
TIA Portal cung cấp hai ngôn ngữ lập trình LAD và FBD, giúp phát triển và triển khai chương trình điều khiển cho các ứng dụng PLC một cách thuận tiện và hiệu quả Ngoài ra, nền tảng này còn tích hợp các công cụ để thiết kế, tạo lập và cấu hình các thiết bị HMI trong dự án một cách đồng bộ Để cài đặt TIA Portal, người dùng cần bỏ đĩa CD vào ổ CD-ROM của máy tính và làm theo các bước hướng dẫn cài đặt.
Trình cài đặt sẽ khởi động m t cách tự động và nh c trong suộ ắ ốt quá trình cài đặt. Cấu hình thiết bị:
Chúng ta t o ra c u hình thi t b cho PLC b ng cách thêm m t CPU và các ạ ấ ế ị ằ ộ Module bổ sung vào đề án
Figure 3.6-1 Kế t cấu làm vi c vói Tia Portal ệ
(1)Module truy n thông (CM): Tề ối đa là 3, được chèn vào các khe s 101, 102 ố và 103
(4)Bảng tín hiệu (SB): T i ố đalà 1, được chèn vào CPU.
(5)Module tín hi u (SM) dành cho ệ I/O tương tự hay s : Tố ối đa là 8, được chèn vào trong các khe từ 2 đến 9
Bước 1: Từ màn hình desktop nhấp đúp chọn biểu tượng Tia Portal V14
Bước 2: Click chuột vào Create new project để ạ t o d ựán.
Bước 3: Nhập tên d án vào Projeự ct name sau đó nhấn Create
Bước 5: Chọn add new device
Bước 6: Chọn loại CPU PLC sau đó chọn add
Bước 7: Project mới được hiện ra
Bước 1: Click chu t vào chộ ức năng Module cần thêm
Lúc này trên giao di n s hiệ ẽ ện ra các khung màu xanh Đây là vị trí để đặt Module cần thêm
Bước 3: Kéo th Module vào khung xanh ho c nhả ặ ấp đúp chuột vào Module Module được thêm vào
Figure 3.6-3 Thêm Module vào Project
3.6.3 Làm việc với một trạm PLC
3.6.3.1 Quy định địa chỉ IP cho Module PLC
IP TOOL có thể thay đổi IP address c a PLC S7-1200 b ng 1 trong 2 cách ủ ằ Phương pháp thích hợp được tự động xác định bởi trạng thái của địa chỉ IP đó
Gán địa chỉ IP ban đầu cho PLC S7-1200 bằng IP TOOL, công cụ này dùng các chức năng thiết lập chính để xác định và cấp phát địa chỉ IP ban đầu cho PLC S7-1200 Nếu bạn cần thay đổi địa chỉ IP, IP TOOL sẽ sửa đổi cấu hình phần cứng (HW Config) của PLC S7-1200 để cập nhật địa chỉ mới một cách chính xác.
Figure 3.6-5 Đị a ch IP của PLC ỉ
3.6.3.2 Đổ chương trình xuống CPU
Bước 1: Đổ t màn hình so n thừ ạ ảo chương trình bằng cách kích vào biểu tượng Download trên thanh công c cụ ủa màn hình
Bước 2: Chọn cấu hình “Type of the PG/PC interface” và “PG/PC interface” như hình dưới sau đó nhấn chọn Load
Bước 3: Chọn Start all như hình vẽ và nhấn Finish
3.6.3.3 Giám sát và th c hiự ện chương trình Để giám sát chương trình trên màn hình soạn th o kích ch n Monitor trên thanh công ả ọ cụ
Hoặc cách 2 làm như hình dưới
Sau khi chọn monitor chương trình soạn thảo xu t hiấ ện như sau:
3.6.3.4 Tag của PLC Đố ới v i những người dùng sử d ng PLC S7 – 200/300/400 v i các phần mềm Step ụ ớ
7 Microwin, Step 7 Manager s quen g i nh ng tên g i nh cho nh ng vùng nh hay các ẽ ọ ữ ợ ớ ữ ớ
PLC Tag là tên tượng trưng phản ánh I/O và địa chỉ của chúng trong hệ thống TIA Portal cho phép người dùng truy cập và điều khiển thiết bị thông qua Tag Điều này có nghĩa là khi một phần nào đó của chương trình, một I/O hoặc khu vực I/O gặp sự cố, ta có thể thay thế nhanh chóng bằng cách cập nhật I/O hoặc khu vực tương ứng trong Tag table mà không cần phải sửa đổi toàn bộ chương trình.
Bước 1: Tạo một bảng Tag table để qu n lý Tag: ả
Từ Project tree Device CPU… PLC Tags Add new tag table
Bước 2: Đổi tên Tag table để ễ quả d n lý những Tag trong đó và khai báo Tag cũng như kiểu dữ liệu được sử dụng tương ứng
- Name : chỉ được khai báo và s d ng mử ụ ột lần trong CPU
- Data type : ki u dể ữ liệu chỉ định cho các tag
- Retain : khai báo c a tag s ủ ẽ được lưu trữ ại l
PLC th c hiự ện chương trình theo chu trình lặp Mỗi vòng lặp được gọi là vòng quét Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ các cổng vào số tới vùng bộ đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình Trong từng vòng quét chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đế ệnh kết thúc c a khn l ủ ối OB1 Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nộ ụi d ng c a bộ đệm ảo Q t i các củ ớ ổng ra s Vòng ố quét k t thúc bế ằng giai đoạn truyền thông nộ ội b và kiểm tra l i [1] ỗ
Chú ý rằng đường dẫn I và Q có bộ đệm riêng và không liên quan tới các nguồn vào/ra khác; do đó các lệnh truy cập tương tự có thể được thực thi trực tiếp với thiết bị mà không thông qua bộ đệm, giúp giảm thiểu độ trễ và tăng tính đồng bộ giữa các kênh I và Q trong hệ thống xử lý tín hiệu.
Tạo ra các kh i mã trong TIA Portal ố
- Sử d ng h p thoụ ộ ại “Add new block” ở dưới mục “Program blocks” trong điều hướng chương trình để tạo ra các OB, FB, FC và các DB toàn cục.
- Khi tạo ra kh i mã, ta lố ựa chọn ngôn ng l p trình cho kh i Không lữ ậ ố ựa chọn ngôn ng l p trình cho DB vì nó ch ữ ậ ỉ lưu trữ ữ liệu d
3.6.4.2 Khối Tổ Chức Ob – Oganization Blocks
Organization blocks (OBs): Là giao diện gi a hoữ ạt động hệ thống và chương trình người dùng Chúng được gọi ra b i hệ thống hoạt động, và điều khiển theo quá trình: ở
- Xử lý chương trình theo quá trình
- Báo động – kiểm soát xử lý chương trình.
- Sử d ng h p thoụ ộ ại “Add new block” để t o ra các OB mạ ới trong chương trình
Figure 3.6-9 Chèn các OB vào chương trình Figure 3.6-8 Tạo kh i m i trong Tia Portal ố ớ
- Startup OB, Cycle OB, Timing Error OB và Diagnosis OB: Có th chèn và lể ập trình các kh i này trong các project Không c n ph i gán các thông s cho chúng ố ầ ả ố và cũng không c n gầ ọi chúng trong chương trình chính.
Các OB Process Alarm và Time Interrupt OB có thể được tham số hóa khi đưa vào chương trình, cho phép tùy chỉnh hành vi và thời điểm kích hoạt của chúng Quá trình báo động OB có thể được gán cho một sự kiện thời gian bằng cách sử dụng lệnh ATTACH, hoặc tách biệt với lệnh DETACH.
Time Delay Interrupt OB là một OB ngắt thời gian trễ có thể được đưa vào dự án và lập trình Để hoạt động đúng, OB này cần được gọi trong chương trình bằng lệnh SRT_DINT, với tham số được thiết lập phù hợp với yêu cầu của hệ thống.
Khi một OB được bắt đầu, hệ điều hành sẽ đọc thông tin đã được thẩm định trong chương trình Quá trình này rất hữu ích cho việc chẩn đoán lỗi, kể cả khi thông tin đó đã được cung cấp trong mô tả của các khối OB.
Functions (FCs) là các kh i mã không c n b nh Dố ầ ộ ớ ữ liệu c a các bi n tủ ế ạm thờ ịi b mất sau khi FC được xử lý Các khối dữ liệu toàn c u có thầ ể đượ ửc s dụng để lưu trữ dữ liệu FC
Functions có th ể được s d ng v i mử ụ ớ ục đích:
- Trả l i giá ạ trịcho hàm chứ năng được g c ọi.
- Thực hi n công nghệ ệ chức năng, ví dụ: Điều khiển riêng với các hoạt động nhị phân
Ngoài ra, FC có thể được gọi lại tại các thời điểm khác nhau trong một chương trình Điều này tạo điều kiện cho việc lập trình các chức năng có chu trình lặp lại phức tạp, giúp tăng tính linh hoạt và hiệu quả của hệ thống.
FB (function block): Đố ới v i m i l n g i, FB c n m t khu v c nh Khi mỗ ầ ọ ầ ộ ự ớ ột
Trong cơ cấu hoạt động, mỗi Function Block (FB) được gọi và một Data Block (DB) được gán cho một instance của DB Dữ liệu chứa bên trong DB instance sau đó truy cập và thao tác với các biến và thành phần của FB, thiết lập liên kết dữ liệu giữa khối chức năng và hệ thống điều khiển Các khu vực khác nhau vốn bị phân tách sẽ được gán cho cùng một FB khi được gọi nhiều lần, giúp tái sử dụng FB và tối ưu hoá hiệu suất.
Giới thi ệu t ng quan v ph n m ổ ề ầ ề ứng d ng WinCC 54 m ụ
thể đọc được dữ ệu lưu trữ, hoặc có thể tự mình ghi dữ li liệu vào DB, và instance DB được gán cho một FB nhất định
3.7 Giới thiệu tổng quan v ềphần mềm ứng d ng WinCC ụ
WinCC (Window Control Center) là nền tảng hệ thống phần mềm giám sát và điều khiển công nghiệp, có giao diện HMI đồ họa trực quan giúp theo dõi, điều khiển và tự động hóa các quy trình sản xuất Hệ thống tích hợp các module cho hiển thị dữ liệu, cảnh báo sự cố, thông báo, lưu trữ dữ liệu và báo cáo, hỗ trợ quản lý toàn diện các nhiệm vụ vận hành WinCC cho phép cập nhật hình ảnh thời gian thực của các quá trình quan trọng, giảm thiểu thời gian dừng máy và tăng độ tin cậy vận hành Với tính mở rộng và bảo mật dữ liệu cao, WinCC đáp ứng yêu cầu của nhà máy hiện đại, tối ưu hóa hiệu suất sản xuất và đảm bảo an toàn thông tin trong môi trường công nghiệp.
Graphics Designer đảm nhận việc thiết kế và triển khai chức năng mô phỏng cũng như điều khiển hoạt động của các đối tượng đồ họa trên WinCC, Windows và các thành phần I/O, đồng thời tối ưu các thuộc tính động (Dynamic) để mang lại giao diện trực quan, linh hoạt và hiệu quả cho hệ thống và người dùng.
Alarm Logging (nhật ký cảnh báo) ghi nhận và quản lý các thông báo cảnh báo khi hệ thống vận hành, nhận thông tin từ các tiến trình, hiển thị, phản hồi và lưu trữ chúng một cách có tổ chức Nhật ký cảnh báo giúp theo dõi hoạt động của hệ thống theo thời gian, nhận diện sự cố và đưa ra phản hồi nhanh chóng Bên cạnh đó, Alarm Logging còn góp phần phát hiện nguyên nhân gốc rễ của lỗi bằng cách phân tích dữ liệu từ các cảnh báo và sự kiện liên quan, hỗ trợ chẩn đoán và khắc phục sự cố hiệu quả.
Tag Logging: Thu thập, lưu trữ và xuất ra dưới nhi u d ng khác nhau t các quá ề ạ ừ trình đang thực thi
Report Designer: Tạo ra các thông báo, k t quế ả Và các thông báo này được lưu dưới dạng nhật ký sự kiện
User Achivers cho phép người sử dụng lưu trữ dữ liệu từ chương trình ứng dụng và có khả năng trao đổi dữ liệu với các thiết bị khác Trong WinCC, các công thức và ứng dụng có thể được soạn thảo, lưu trữ và sử dụng để quản lý dữ liệu, tối ưu hóa vận hành hệ thống và dễ dàng kết nối, đồng bộ với các thiết bị khác trong mạng công nghiệp.
Ngoài ra, WinCC còn k t h p v i Visual C++, Visual Basic t o ra m t h ế ợ ớ ạ ộ ệthống tinh vi và phù h p cho t ng hợ ừ ệ thống tự động hóa chuyên bi ệt.
WinCC là hệ thống HMI (giao diện Người – Máy) cho phép kết nối và điều khiển các thiết bị, hệ thống tự động hóa thông qua hình ảnh, dữ liệu và sơ đồ trực quan Giao diện của WinCC giúp người dùng vận hành và giám sát từ xa, theo dõi tiến trình sản xuất một cách trực quan và tương tác với các yếu tố của quá trình Ngoài ra, WinCC có thể hiển thị báo cáo và cảnh báo khi phát hiện sự cố, giúp người vận hành ứng phó nhanh chóng và tối ưu hóa hiệu suất hệ thống.
WinCC là chương trình thiết kế giao diện Người Máy thực sự cần thiết cho các hệ thống tự động hóa cao và hiện đại.
THIẾT KẾ THI CÔNG VÀ LẬP TRÌNH
Mô hình hệ thống
Bước 1: Xây d ng mô hình 3D trên ph n m m Autocad ự ầ ề để xác định kích thước, v ị trí thi t bế ị
Bước 2: Mua vật tư dựa vào kích thước trên phần m m: thùng x p, sề ố ắt V, bơm, ống nước PVC,…
Bước 3: Tiến hành làm khung ch a thùng x p ứ ố
Bước 4: Bỏ thùng x p vào khung và l p các thanh g ố ắ ỗ để đặt bơm
Bước 5: Xác định v ị trí bơm và cố định bơm
Bước 6: Lắp đặt đường ống hút và xả nước
Bước 7: Hoàn thi n mô hình, lên danh sách thiệ ết bị và ti n hành l p tế ắ ủ điện
Lựa chọn thi t b 58 ế ị
4.2 Lựa ch n thiọ ết bị
4.2.1 PLC S7-1200 CPU 1212 (DC/DC/DC)
Với đề tài được giao, chúng em lựa chọn PLC S7-1200 CPU 1212 DC/DC/DC vì đây là loại PLC có đầy đủ chức năng để thực hiện bài toán: kết nối đầu vào là tín hiệu analog, có nhiều ngõ vào/ra, tích hợp sẵn phần mềm điều khiển PID, và đặc biệt phù hợp với điều kiện học tập của sinh viên chúng em.
Figure 4.2-1 CPU 1212C DC/DC/DC 6ES7212-1AE31-0XB0
Table 4.2-1 V trí ị chân k t n ế ố ủ i c a CPU 1212 DC/DC/DC
No of digital inputs (max.) 8
No of relay outputs (max.) 6
Supported protocols TCP / IP, ISO- -TCP, USS drive on protocol, Modbus Master/Slave
IP rating IP65 (on front)/IP20 (on back)
No of extension modules Max 1 Signalboard, 2 Signal Module, 3
Type CPU 1212 DC/DC/DC
Manufacturer part # 6ES7212-1AE31-0XB0
Table 4.2-2 Thông s ố kĩ thuật PLC 1212 DC/DC/DC
Tốc độ vòng quay 2900 v/phút
Chiều cao đẩy tối đa 15 m
Chiều cao đẩy định mức 10 m Lưu lượng tối đa 6.5 m 3 /h Lưu lượng định mức 1.5 m 3 /h
Chiều cao hút tối đa 8 m
Chiều cao hút định mức 6 m
Table 4.2-3 Thông s ố kĩ thuật bơm 1 pha
4.2.3 Cảm bi n áp suế ất nước
Figure 4.2-4 Cảm bi n áp su ế ất
Analog output Ngõ ra điện áp: 1V – 5V
5 DC12-24V NPN 80mA NPN 80 mA Analog Out 0V
Table 4.2-4 Thông s ố kĩ thuật cảm biến áp suất
4.3 Thiết kế và lắp đặ ủ điện t t
Bước 1: Thiết k t ế ủ điện trên ph n mầ ềm Autocad để xác định kích thước tủ và bố trí thiết bị
Bước 2: Mua vỏ ủ t và các thiết bị
Bước 3: Xác định v trí và khoét lị ỗ
Bước 4: Lắp thiết bị lên tủ
Bước 5: Đi dây trong tủ điện
Bước 6: Lắp cảm biến lên mô hình
Bước 7: Kiểm tra và test hệ thống
Figure 4.3-2 Mặt trước và m t bên t ặ ủ
Tủ điện sau khi hoàn thành:
Figure 4.3-3 Mặt trong tủ và thi t b ế ị khi hoàn thành
Figure 4.3-5 Mặt trước của tủ khi hoàn thành
Sơ đồ đấu dây PLC v i ớ thiết bị:
Figure 4.3-6 Sơ đồ đấu dây ngõ vào PLC
4.4 Chương trình lập trình trên Tia Portal và cấu hình Module
Bơm 1P ON, Bơm 3P (biến tần) OFF Cập nh t áp suậ ất từ ả c m bi n ế
Bơm 3P (biến tần) ON Gọi chương trình con PID Cập nh t áp suậ ất từ ả c m bi n ế
Sensor = Setpoint Ổn định áp suất Cập nh t áp suậ ất từ ả c m bi n ế
4.4.2 Chương trình xử lý tín hiệu Analog Để đọc và xuất tín hiệu analog trong S7 1200 ta sử dung hàm NORM_X và hàm SCALE_X
Lệnh SCALE_X định tỷ lệ c a thông s s ủ ố ốthực được chu n hóa VALUE, thành kiẩ ểu dữ liệu và ph m vi giá trạ ị được xác định b i thông sở ố MIN và MAX : OUT = VALUE (MAX - MIN) + MIN
Lệnh NORM_X chu n hóa thông s VALUE bên trong ph m vi giá trẩ ố ạ ị được xác định b i các thông số MIN và MAX: OUT = (VALUE MIN) / (MAX ở - - MIN)
Tuỳ vào cảm biến, ta chọn các thông số min và max cho Scale_x và Norm_X để biểu diễn dữ liệu một cách nhất quán Trong đồ án, nhóm sử dụng cảm biến áp suất SMC ISE40 có dải đo từ 0.03 đến 10 bar, tương ứng với tín hiệu điện áp từ 1 V đến 5 V Với các tham số trên và thực tế đo đạc, ta tính được K1 = 64, K2 = 13824, Min = -0.03, Max = 10, nhằm thiết lập phạm vi chuẩn hoá và hệ quy đổi cho dữ liệu đầu vào, tối ưu hóa quá trình Scale_x và Norm_X cho phân tích.
Cấu hình ph n c ng trên Tia Portal: ầ ứ
Figure 4.4-3 trình bày cấu hình phần cứng PLC 1212 DC/DC/DC Trong quá trình cấu hình phần cứng, cần lưu ý đến loại tín hiệu và địa chỉ vào ra của tín hiệu analog để đảm bảo sự tương thích và độ chính xác của dữ liệu Xác định đúng loại tín hiệu (ví dụ 0–10 V hoặc 4–20 mA) và gán địa chỉ I/O phù hợp cho các kênh tín hiệu analog là yếu tố then chốt để kết nối với cảm biến, thiết bị điều khiển và các thiết bị mở rộng, đồng thời tối ưu hóa hiệu suất vận hành và thuận tiện cho công tác bảo trì.
Trong phần này, ta thấy có hai kênh đầu vào analog là Channel0 và Channel1 Nhóm chúng ta chọn kênh Channel0 làm kênh đầu vào chính Channel0 có địa chỉ ngõ vào IW64 và tín hiệu đầu vào analog ở dạng Voltage với dải đo 0–10V Channel1 khác với Channel0 ở địa chỉ ngõ vào IW66.
Chương trình lập trình xử lý tín hiệu Analog trong Tia Portal
4.4.3 Chương trình truyền thông biến tần Để có th truy n thông t t c các thi t b phể ề ấ ả ế ị ải được cài đặt chung các thông s , chố ọn các thông số của biến tần như sau:
Tốc độ baud 9600 Port 269 (Xem trong Hardware identifier trong Tia Portal c a board truyủ ền thông)
Parity b it 2 (Ki m tra ch n l ) ể ẵ ẻ Data bit 8
Table 4.4-1 Cài đặt chung thông s bi n t ố ế ần để truyền thông Các bước để truyền thông Modbus RTU
4.4.3.1 Cấu hình bi n tế ần FR-D700 Đọc Manual biến tần FR – D700, ta cấu hình các thông số sau:
Pr.2 = 0 Giới hạn t n s ầ ốnhỏ nh t ấ
Pr 79 = 2 Cho phép chuy n các chể ế độ PU, EXT,
Pr 117 = 1 Vị trí trạm của biế ần t n
Pr 120 = 2 Kiểm tra ch n l ẵ ẻ(bằng 0: không ki m tra, ể bằng 1: ki m tra ch n, b ng 2: ki m tra l ) ể ẵ ằ ể ẽ
Pr 122 = 9999 Kiểm tra l i giao ti p (b ng 9999, không ỗ ế ằ kiểm tra l i giao ti p) ỗ ế
Pr 304 = 0 Hiển th s l i giao ti p c a truy n thông ị ố ỗ ế ủ ề
Pr 549 = 1 Lựa ch n giao th c trọ ứ uyền thông (bằng 0: giao th c v i bi n t n Missubishi, b ng 1: ứ ớ ế ầ ằ giao th c modbus-RTU) ứ
Table 4.4-2 Cấu hình thông s bi n t n ố ế ầ
- Lưu ý: sau khi cài đặt đầy đủ các thông số trên, chuyển biến tần sang chế độ Net, sau đó khởi động biến tần lại để điều khiển
Ngoài ra có th cài thêm m t s khác, tham kh o Manual c a bi n t n FR-ể ộ ố ả ủ ế ầ D700
Modbus là 1 chu n giao ti p (Protocol) lẩ ế ớp Ứng d ng Mụ ọi ngườ thười ng nhầm Modbus là l p vớ ật lý Điển hình là chu n Modbus RTU có th truyẩ ể ền theo chu n v t lý RS-ẩ ậ
232 ho c RS-485 và chúng ta có th dùng b chuy n RS232 - ặ ể ộ ể RS485 để giao ti p 2 hoế ặc nhiều thi t bế ị khác chu n vẩ ật lý trên cùng 1 mạng
Trong 1 m ng Modbus ch có 1 Master và nhi u Slave ạ ỉ ề (31), để có th truy n thông ể ề tất c các thi t b phả ế ị ải được cài đặt chung các thông s : Tố ốc độ truyền, Độ dài Frame, Kiểm tra lỗi Parity, s bit Stop và khác thông s Station (Master có Station mố ố ặc định b ng 0) ằ Phương pháp giao tiếp: Về cơ bản, Master sẽ gửi một thông điệp truy vấn (câu hỏi) và m Slave v mtrạ trả ề ột thông điệp ph n h i (ph n hả ồ ả ồi).
Truy cập vào địa chỉ thanh ghi Modbus, bao gồm các thanh ghi holding (holding registers) và thanh ghi input (input registers), cho phép đọc và ghi giá trị từ các cảm biến, kiểm tra trạng thái hoạt động và các cảnh báo, cũng như gửi lệnh điều khiển tới biến tần thông qua các thanh ghi điều khiển Địa chỉ Modbus thường bắt đầu từ 40001 và có phạm vi cụ thể tùy hệ thống; việc xác định đúng dải thanh ghi là nền tảng để đảm bảo giao tiếp Modbus ổn định và tối ưu hoá việc giám sát dữ liệu thời gian thực.
Một số địa ch modbus ỉ
40001: Move giá tr ị 02H để điều khi n bi n t n ch y thu n Theo dõi bể ế ầ ạ ậ ảng dưới đây để biết rõ hơn.
Bit Định nghĩa Điều khiển đầu vào Trạng thái biến tần
0 Start, Stop bi n t n ế ầ Đang chạy
1 Quay thu n ậ Đang quay thuận
2 Quay nghịch Đang quay nghịch
3 RH SU (Tăng tần số)
8 AU(Chọn 4 đầu vào cho thiết bị đầu cuối) 0
SO (Giám sát đầu ra an toàn)
Table 4.4-3 Bảng địa chỉ Modbus
40014: Ch y t n s cho bi n t n (giá tr RAM) ạ ầ ố ế ầ ị
40015: Ch y t n s cho bi n t n (giá tr EEPROM) ạ ầ ố ế ầ ị
Trong đồ án, nhóm s dử ụng 2 địa ch ỉ Modbus để on, off bi n t n, và truy n t n s t ế ầ ề ầ ố ừ PLC xuống bi n t n (40001, 40014) ế ầ
Sơ đồ chân biến tần: biến tần sử dụng jack RJ-45, có sơ đồ chân như sau:
STT Pin Tên Mô tả
3 RDA Nhận tín hi u bi n t n ệ ế ầ
4 SDB Gửi tín hiệu bi n t n ế ầ
5 SDA Gửi tín hiệu bi n t n ế ầ
6 RDB Nhận tín hi u bi n t n ệ ế ầ
Table 4.4-4 Sơ đồ chân vào bi n t n ế ầ
Sơ đồ chân Board truyền thông RS485 (CB 1241 – RS485)
STT Pin Tên Mô tả
2 TA Nhận tín hi u t bi n t n - ệ ừ ế ầ
3 TRA Nhận, g i tín hi u t bi n t n - ử ệ ừ ế ầ
4 TRB Nhận, g i tín hi u t bi n t n + ử ệ ừ ế ầ
5 TB Nhận tín hi u t bi n t n + ệ ừ ế ầ
Table 4.4-5 Sơ đồ chân vào board truyền thông
Từ hai bảng trên, nhóm đã mua cáp RJ-45, một đầu b m h t mấ ạ ạng để đưa vào biến tần, đầu còn lại bấm cos đấu vào board u dây:
4.4.3.4 Chương trình lập trình trong tia portal
Trước khi lập trình cho board CB 1241 (RS-485), cần cấu hình đầy đủ các thông số truyền thông liên quan đến biến tần, bao gồm tốc độ baud, Port, Parity bit, Data bit và Stop bit Việc thiết lập đúng các tham số này sẽ đảm bảo giao tiếp giữa CB 1241 và biến tần ổn định, giảm sai lệch dữ liệu và tối ưu hóa hiệu suất hệ thống.
Cấu hình truy n thông trên Tia portal: ề
Figure 4.4-7 Cấu hình truyền thông
Figure 4.4-8 Tạo chu k quét, x lý truy n thông ỳ ử ề
Figure 4.4-9 Khai báo truyền thông
Figure 4.4-10 Start, stop biến tần
4.4.4 Chương trình lập trình PID
4.4.4.1 Mô hình hóa h ệthống, tính toán các thông s ốPID
Hệ thống gồm hai bơm mắc song song, trong đó một bơm hoạt động ở chế độ nền để duy trì áp suất ở mức ổn định và bơm còn lại được kích hoạt khi cần Bơm thứ hai được điều khiển bằng biến tần và thuật toán PID nhằm điều chỉnh lưu lượng và áp suất sao cho ổn định và đáp ứng nhanh với biến động tải Cách bố trí này tối ưu hóa hiệu suất, tăng độ tin cậy và cho phép vận hành liên tục mà vẫn giữ áp suất ổn định cho toàn bộ hệ thống.
Cấp t n sầ ố cho bơm, áp suất do bơm tạo ra tăng dần Sau một thời gian áp suất đạt đến bão hòa Đặc tính áp suất theo thời gian có thể biểu diễn như sau:
Figure 4.4-12 Đặc tính của động cơ
Do đặc tính chính xác của động cơ bơm khá phức tạp nên ta xấp xỉ bằng đáp ứng gần đúng
Sơ đồ khối mô tả đối tượng điều khiển:
Hàm truyền được xác định gần đúng theo:
Tín hiệu đầu vào của hệ thống d ng hàm nở ạ ấc đơn vị, nên ta có
Biến đổi laplace ngược, ta được:
𝐹(𝑠) = 𝐾 𝑠(1 + 𝑇𝑠) Áp dụng tính ch t tr cấ ễ ủa biến đổi Laplace:
1 + 𝑇𝑠 Tuyến tính hóa ta được:
Hệ thống có áp suất t -0.03 ừ 10 bar, tương ứng với tần s t 0 50Hz ố ừ
Xác định thông số Kp, Ki, Kd
Theo phương pháp Zeigler-Nichols, ta có:
4.4.4.2 Mô phỏng hệ thống trong Matlab
Xây d ng mô hình Simulink, v i các thông s ự ớ ố ở phần trước và m t s thông s nhóm ộ ố ố đã tìm hiểu từ 1 số hệ thống thực tế
Figure 4.4-13 Mô hình Simulink-Matlab
Figure 4.4-14 Thông s PID ốKết quả mô ph ng: v i tín hi u áp suỏ ớ ệ ấ ặt đ t là 0.8 bar
Figure 4.4-15 K t qu mô ph ế ả ỏng PID
Với các thông s ố PID tính được ở trên, ta th y h ấ ệthống có thời gian đáp ứng kho ng ả 27s, không có v t l , sai s xác l p nh ọ ố ố ậ ỏ
Cấu hình khối PID Compact
Trước tiên, tạo một khối OB Cyclic (từ 30 tr đi), có chu kỳ ngắt là 300ms, ngắt ở theo chu kì định trước Sau đó, tạo khối PID Compact V1.2 trong FC vừa tạo để lập trình
Figure 4.4-16 Tạo chương trình ngắt trong PLC
Tiếp theo, thiết kế và tinh chỉnh hệ PID compact Đầu tiên chọn loại điều khiển PID phù hợp với ứng dụng, có các tùy chọn như điều khiển theo nhiệt độ, điều khiển theo áp suất và điều khiển theo tần số Ở đây, nhóm đã chọn tập trung vào điều khiển theo tần số để đáp ứng các yêu cầu đặc thù của hệ.
Figure 4.4-17 Chọn loại điều khiển PID trong PID compact
Giá trị đầu vào là giá trị từ cảm biến ở dạng analog, đã qua xử lý tín hiệu analog; vì vậy ngõ vào được xác định là input analog Ngõ ra là tín hiệu số, được truyền thông qua giao diện số, nên tín hiệu ngõ ra được định danh là Output số Hệ thống chuyển đổi giữa hai kiểu tín hiệu này giúp dễ dàng lưu trữ, xử lý và truyền dữ liệu từ cảm biến đến các bộ xử lý và thiết bị ngoài.
Chương trình lập trình trên Tia Portal và cấu hình Module
Bơm 1P ON, Bơm 3P (biến tần) OFF Cập nh t áp suậ ất từ ả c m bi n ế
Bơm 3P (biến tần) ON Gọi chương trình con PID Cập nh t áp suậ ất từ ả c m bi n ế
Sensor = Setpoint Ổn định áp suất Cập nh t áp suậ ất từ ả c m bi n ế
4.4.2 Chương trình xử lý tín hiệu Analog Để đọc và xuất tín hiệu analog trong S7 1200 ta sử dung hàm NORM_X và hàm SCALE_X
Lệnh SCALE_X định tỷ lệ của giá trị thực VALUE được chuẩn hóa thành một dữ liệu có phạm vi từ MIN đến MAX Quá trình này cho phép chuẩn hóa dữ liệu cho các hệ thống phân tích và hiển thị đồ thị Kết quả OUT được tính bằng công thức OUT = VALUE * (MAX - MIN) + MIN, với MIN và MAX là giới hạn dưới và trên của phạm vi mong muốn Việc chuẩn hóa bằng SCALE_X giúp so sánh và xử lý dữ liệu dễ dàng hơn trong các ứng dụng AI, thống kê và báo cáo.
Lệnh NORM_X chu n hóa thông s VALUE bên trong ph m vi giá trẩ ố ạ ị được xác định b i các thông số MIN và MAX: OUT = (VALUE MIN) / (MAX ở - - MIN)
Tuỳ thuộc cảm biến và điều kiện thực tế, ta chọn các thông số min và max cho Scale_x và Norm_X sao cho phù hợp Trong đồ án, nhóm sử dụng cảm biến áp suất SMC ISE40 có dải đo từ 0.03 đến 10 bar, tương ứng với điện áp từ 1 đến 5 V Với các thông số này và thực tế đo đạc, ta tính được K1 = 64, K2 = 13824, Min = -0.03, Max = 10.
Cấu hình ph n c ng trên Tia Portal: ầ ứ
Figure 4.4-3 mô tả cấu hình phần cứng PLC 1212 DC/DC/DC Trong quá trình cấu hình phần cứng PLC, cần lưu ý đúng loại tín hiệu và địa chỉ đầu vào, đầu ra của tín hiệu analog để đảm bảo điều khiển và giám sát chính xác Việc xác định rõ loại tín hiệu và gán địa chỉ I/O phù hợp giúp tối ưu hóa thu thập dữ liệu và điều khiển các thiết bị ngoại vi Đồng thời kiểm tra nguồn cấp và bố trí dây tín hiệu nhằm giảm nhiễu và duy trì sự ổn định của hệ thống PLC.
Trong phần này, hệ thống có hai kênh đầu vào analog là Channel0 và Channel1; nhóm đã chọn Channel0 làm kênh đo chính Channel0 có địa chỉ đầu vào IW64 và tín hiệu đầu vào ở dạng Voltage với dải đo từ 0–10V Channel1 khác với Channel0 ở địa chỉ đầu vào IW66.
Chương trình lập trình xử lý tín hiệu Analog trong Tia Portal
4.4.3 Chương trình truyền thông biến tần Để có th truy n thông t t c các thi t b phể ề ấ ả ế ị ải được cài đặt chung các thông s , chố ọn các thông số của biến tần như sau:
Tốc độ baud 9600 Port 269 (Xem trong Hardware identifier trong Tia Portal c a board truyủ ền thông)
Parity b it 2 (Ki m tra ch n l ) ể ẵ ẻ Data bit 8
Table 4.4-1 Cài đặt chung thông s bi n t ố ế ần để truyền thông Các bước để truyền thông Modbus RTU
4.4.3.1 Cấu hình bi n tế ần FR-D700 Đọc Manual biến tần FR – D700, ta cấu hình các thông số sau:
Pr.2 = 0 Giới hạn t n s ầ ốnhỏ nh t ấ
Pr 79 = 2 Cho phép chuy n các chể ế độ PU, EXT,
Pr 117 = 1 Vị trí trạm của biế ần t n
Pr 120 = 2 Kiểm tra ch n l ẵ ẻ(bằng 0: không ki m tra, ể bằng 1: ki m tra ch n, b ng 2: ki m tra l ) ể ẵ ằ ể ẽ
Pr 122 = 9999 Kiểm tra l i giao ti p (b ng 9999, không ỗ ế ằ kiểm tra l i giao ti p) ỗ ế
Pr 304 = 0 Hiển th s l i giao ti p c a truy n thông ị ố ỗ ế ủ ề
Pr 549 = 1 Lựa ch n giao th c trọ ứ uyền thông (bằng 0: giao th c v i bi n t n Missubishi, b ng 1: ứ ớ ế ầ ằ giao th c modbus-RTU) ứ
Table 4.4-2 Cấu hình thông s bi n t n ố ế ầ
- Lưu ý: sau khi cài đặt đầy đủ các thông số trên, chuyển biến tần sang chế độ Net, sau đó khởi động biến tần lại để điều khiển
Ngoài ra có th cài thêm m t s khác, tham kh o Manual c a bi n t n FR-ể ộ ố ả ủ ế ầ D700
Modbus là một giao thức truyền thông phổ biến trong công nghiệp, cho phép trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị điều khiển và cảm biến đồng thời hỗ trợ tích hợp thiết bị từ nhiều nhà sản xuất Nó xác định cách gửi nhận dữ liệu, cách nhận diện thiết bị và các định dạng dữ liệu để một trạm có thể hỏi và trả lời một cách nhất quán Modbus là một giao thức ở lớp ứng dụng, nhưng cần một lớp vật lý làm nền; ví dụ Modbus RTU là phiên bản chạy trên các giao thức vật lý RS-232 hoặc RS-485 và yêu cầu cấu hình như tốc độ baud, parity và chu trình khung dữ liệu Hai hình thức phổ biến của Modbus là Modbus RTU (serial) và Modbus TCP (Ethernet); trong khi Modbus RTU thường được dùng cho mạng công nghiệp có khoảng cách ngắn và tín hiệu ổn định, Modbus TCP phù hợp với mạng Ethernet hiện đại và dễ tích hợp với hệ thống tự động hóa Hiểu biết về Modbus RTU và Modbus TCP là chìa khóa để thiết kế và triển khai giải pháp truyền thông công nghiệp hiệu quả.
232 ho c RS-485 và chúng ta có th dùng b chuy n RS232 - ặ ể ộ ể RS485 để giao ti p 2 hoế ặc nhiều thi t bế ị khác chu n vẩ ật lý trên cùng 1 mạng
Trong 1 m ng Modbus ch có 1 Master và nhi u Slave ạ ỉ ề (31), để có th truy n thông ể ề tất c các thi t b phả ế ị ải được cài đặt chung các thông s : Tố ốc độ truyền, Độ dài Frame, Kiểm tra lỗi Parity, s bit Stop và khác thông s Station (Master có Station mố ố ặc định b ng 0) ằ Phương pháp giao tiếp: Về cơ bản, Master sẽ gửi một thông điệp truy vấn (câu hỏi) và m Slave v mtrạ trả ề ột thông điệp ph n h i (ph n hả ồ ả ồi).
Thông qua địa chỉ thanh ghi Modbus, cụ thể là các holding register từ 40001 đến 49999, chúng ta có thể đọc và ghi các giá trị biến tần, cảm biến hoặc PLC tương ứng, từ đó kiểm tra trạng thái vận hành và điều chỉnh hoạt động của hệ thống Việc truy cập đúng loại thanh ghi cho phép đọc/ghi các thông số như tần số, công suất, lưu lượng hoặc trạng thái đầu ra, đồng thời gửi lệnh điều khiển tới biến tần hoặc thiết bị thực thi để điều chỉnh quá trình Địa chỉ Modbus 40001-49999 giúp kỹ thuật viên xây dựng giải pháp giám sát từ xa, chẩn đoán sự cố và tối ưu hóa vận hành.
Một số địa ch modbus ỉ
40001: Move giá tr ị 02H để điều khi n bi n t n ch y thu n Theo dõi bể ế ầ ạ ậ ảng dưới đây để biết rõ hơn.
Bit Định nghĩa Điều khiển đầu vào Trạng thái biến tần
0 Start, Stop bi n t n ế ầ Đang chạy
1 Quay thu n ậ Đang quay thuận
2 Quay nghịch Đang quay nghịch
3 RH SU (Tăng tần số)
8 AU(Chọn 4 đầu vào cho thiết bị đầu cuối) 0
SO (Giám sát đầu ra an toàn)
Table 4.4-3 Bảng địa chỉ Modbus
40014: Ch y t n s cho bi n t n (giá tr RAM) ạ ầ ố ế ầ ị
40015: Ch y t n s cho bi n t n (giá tr EEPROM) ạ ầ ố ế ầ ị
Trong đồ án, nhóm s dử ụng 2 địa ch ỉ Modbus để on, off bi n t n, và truy n t n s t ế ầ ề ầ ố ừ PLC xuống bi n t n (40001, 40014) ế ầ
Sơ đồ chân biến tần: biến tần sử dụng jack RJ-45, có sơ đồ chân như sau:
STT Pin Tên Mô tả
3 RDA Nhận tín hi u bi n t n ệ ế ầ
4 SDB Gửi tín hiệu bi n t n ế ầ
5 SDA Gửi tín hiệu bi n t n ế ầ
6 RDB Nhận tín hi u bi n t n ệ ế ầ
Table 4.4-4 Sơ đồ chân vào bi n t n ế ầ
Sơ đồ chân Board truyền thông RS485 (CB 1241 – RS485)
STT Pin Tên Mô tả
2 TA Nhận tín hi u t bi n t n - ệ ừ ế ầ
3 TRA Nhận, g i tín hi u t bi n t n - ử ệ ừ ế ầ
4 TRB Nhận, g i tín hi u t bi n t n + ử ệ ừ ế ầ
5 TB Nhận tín hi u t bi n t n + ệ ừ ế ầ
Table 4.4-5 Sơ đồ chân vào board truyền thông
Từ hai bảng trên, nhóm đã mua cáp RJ-45, một đầu b m h t mấ ạ ạng để đưa vào biến tần, đầu còn lại bấm cos đấu vào board u dây:
4.4.3.4 Chương trình lập trình trong tia portal
Trước khi l p trình, ta c u hình cho board CB 1241 (RS-485) có các thông s giậ ấ ố ống như cấu hình với biến tần (Tốc độ baud, Port, Parity bit, Data bit, Stop bit)
Cấu hình truy n thông trên Tia portal: ề
Figure 4.4-7 Cấu hình truyền thông
Figure 4.4-8 Tạo chu k quét, x lý truy n thông ỳ ử ề
Figure 4.4-9 Khai báo truyền thông
Figure 4.4-10 Start, stop biến tần
4.4.4 Chương trình lập trình PID
4.4.4.1 Mô hình hóa h ệthống, tính toán các thông s ốPID
Hệ thống gồm hai bơm mắc song song, một bơm chạy nền để duy trì mức áp suất ổn định và bơm còn lại được điều khiển bằng biến tần Hệ thống này dễ dàng áp dụng điều khiển PID để đảm bảo áp suất luôn ổn định và đáp ứng tốt các biến động tải.
Áp suất do bơm tạo ra tăng dần khi cấp nước cho hệ thống và sau một thời gian nó đạt tới áp suất bão hòa Đặc tính áp suất theo thời gian có thể được mô tả bằng một mô hình tăng dần đến ngưỡng bão hòa, ví dụ P(t) = Pmax(1 - e^{-t/τ}) hoặc P(t) = Pmax(1 - e^{-kt}), trong đó Pmax là áp suất bão hòa và τ hoặc 1/k là thời gian quá độ Tốc độ tăng áp suất bị ảnh hưởng bởi lưu lượng dòng chảy, đặc tính của bơm, trạng thái van và hệ số trở lực của đường ống, vì vậy cần tùy chỉnh tham số để phù hợp với từng hệ thống.
Figure 4.4-12 Đặc tính của động cơ
Do đặc tính chính xác của động cơ bơm khá phức tạp nên ta xấp xỉ bằng đáp ứng gần đúng
Sơ đồ khối mô tả đối tượng điều khiển:
Hàm truyền được xác định gần đúng theo:
Tín hiệu đầu vào của hệ thống d ng hàm nở ạ ấc đơn vị, nên ta có
Biến đổi laplace ngược, ta được:
𝐹(𝑠) = 𝐾 𝑠(1 + 𝑇𝑠) Áp dụng tính ch t tr cấ ễ ủa biến đổi Laplace:
1 + 𝑇𝑠 Tuyến tính hóa ta được:
Hệ thống có áp suất t -0.03 ừ 10 bar, tương ứng với tần s t 0 50Hz ố ừ
Xác định thông số Kp, Ki, Kd
Theo phương pháp Zeigler-Nichols, ta có:
4.4.4.2 Mô phỏng hệ thống trong Matlab
Xây d ng mô hình Simulink, v i các thông s ự ớ ố ở phần trước và m t s thông s nhóm ộ ố ố đã tìm hiểu từ 1 số hệ thống thực tế
Figure 4.4-13 Mô hình Simulink-Matlab
Figure 4.4-14 Thông s PID ốKết quả mô ph ng: v i tín hi u áp suỏ ớ ệ ấ ặt đ t là 0.8 bar
Figure 4.4-15 K t qu mô ph ế ả ỏng PID
Với các thông s ố PID tính được ở trên, ta th y h ấ ệthống có thời gian đáp ứng kho ng ả 27s, không có v t l , sai s xác l p nh ọ ố ố ậ ỏ
Cấu hình khối PID Compact
Đầu tiên, tạo khối OB Cyclic với chu kỳ ngắt 300 ms, bắt đầu từ 30 vòng và ngắt theo chu kỳ đã được định trước Sau đó, tạo khối PID Compact V1.2 trong FC vừa được tạo để tiến hành lập trình hệ thống.
Figure 4.4-16 Tạo chương trình ngắt trong PLC
Tiếp theo, ta sẽ cấu hình cho bộ điều khiển PID compact Đầu tiên, cần chọn loại điều khiển PID phù hợp với ứng dụng, với các loại phổ biến là điều khiển theo nhiệt độ, điều khiển theo áp suất và điều khiển theo tần số Trong ví dụ này, nhóm đã chọn loại điều khiển theo tần số để tối ưu đáp ứng của hệ thống.
Figure 4.4-17 Chọn loại điều khiển PID trong PID compact
Giá tr vào là giá tr c m biị ị ả ến analog, đã qua xử lí tín hi u analog, vì v y, ngõ vào là ệ ậ input Ngõ ra là tín hi u s , truy n thông qua bi n t n, v y ch n tín hi u ngõ ra là Output ệ ố ề ế ầ ậ ọ ệ per
Trong hình 4.4-18, chọn tham số cho ngõ vào và ngõ ra, sau đó điền các giá trị đã tính toán vào bảng tham số PID Vì các giá trị của bộ điều khiển PID đã được xác định sẵn, nên không cần thực hiện tiền hiệu chỉnh (pre-tuning) hay tinh chỉnh (fine-tuning).
Chương trình lập trình PID trên Tia Portal V14
Figure 4.4-20 Chương trình PID Compact
Figure 4.4-21 Chương trình sửa lỗi PID và Auto run
Kết quả đạt được 99 5.2 Hạn ch 99ế 5.3 Hướng phát tri n cể ủa đề 99tài TÀI LIỆU THAM KH O 100Ả
- Thiết kế và l p ráp hoàn ch nh mô hình ắ ỉ
- Hệ thống hoạt động với áp suất luôn giữ ổn định theo giá trị đặt
- Truyền thông gi a PLC và bi n t n theo chu n RS485 ữ ế ầ ẩ
- Thiết kế giao diện WinCC để giám sát và điều khi n h ể ệthống trên máy tính
Hệ thống sử dụng hai bơm ghép song song để cung cấp nước với áp suất ổn định Khi áp suất nước trên đường ống vượt quá mức cho phép, van một nhánh sẽ đóng lại, gây tiêu hao áp suất giữa các nhánh và làm giảm áp suất trên toàn tuyến ống.
- Chương trình điều khiển chưa được tối ưu
5.3 Hướng phát triển của đề tài
- Khắc phục được những h n ch trong viạ ế ệc ghép song song 2 bơm.
Để tăng độ tin cậy và tuổi thọ cho hệ thống, sử dụng hai bơm nền và cho chúng chạy luân phiên với nhau Việc vận hành luân phiên giúp hai bơm không làm việc quá lâu liên tục, giảm mài mòn động cơ và kéo dài tuổi thọ thiết bị, đồng thời cung cấp biện pháp dự phòng khi một bơm bị trục trặc Khi một bơm gặp sự cố, bơm còn lại sẽ tiếp tục vận hành để duy trì cấp nước cho hệ thống và cho phép lên kế hoạch bảo dưỡng một cách hiệu quả.
- Phát triển Điều khi n và giám sát h ể ệthống t xa qua Internet ừ