Hệ thống điều khiển và giám sát bơm ổn định áp suất trên đường ống

Khi mà bơm được điều khiển bằng biến tần hoạt động ở chế độ định mức mà vẫn chưa đáp ứng được áp suất trên được ống thì PLC sẽ ra lệnh để đưa các máy bơm khởi động mềm tham gia vào hệ th

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT BƠM ỔN ĐỊNH ÁP

SUẤT TRÊN ĐƯỜNG ỐNG NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: PGS.TS NGUYỄN HÙNG

Nguyễn Cảnh Minh 1811021071 18DDCA2

Trần Vinh Khôi 1811020102 18DDCA2

Tp Hồ Chí Minh, tháng … năm

LỜI CAM ĐOAN

Nhóm chúng em cam đoan đây là công trình nghiên cứu của nhóm chúng em Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 202…

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

II

LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc, em chân thành cảm ơn PSG.TS Nguyễn Hùng đã tạo điều kiện để em có thể hoàn thành đồ án tốt nghiệp trong tình hình dịch bệnh như hiện nay Mặc dù luận văn được thực hiện trong thời gian ngắn nhưng em đã cố gắng hoàn thiện nhất có thể để xứng đáng với sự tin tưởng khi giao nhiệm vụ của thầy Em rất cảm ơn thầy đã dành thời gian hướng dẫn và góp ý giúp luận văn của em được hoàn thiện

Bên cạnh đó, em cũng rất biết ơn các thầy cô Viện Kỹ Thuật Trường Đại học Công Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh, đặc biệt là các thầy cô trong bộ môn Khí Cụ Điện và Kỹ Thuật đo lường đã tận tâm chỉ dạy nhiều kiến thức hữu ích cũng như chia

sẻ những kinh nghiệm thực tế cho em, để em được trang bị đầy đủ kiến thức, kỹ năng

và sự tự tin trên con đường thực hiện đồ án cũng như chuẩn bị hành trang để chuẩn

bị tìm việc trong thời gian tới của chúng em

Chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn tới Ban giám hiệu nhà trường đã cho em và các bạn môi trường học tập và rèn luyện tốt

Cảm ơn những người bạn lớp 18DDCA2 đã cùng nhóm mình học tập, phấn đấu trong thời gian qua Mỗi giai đoạn của cuộc đời đều sẽ có những kỷ niệm khó quên thời sinh viên Hy vọng năm tháng sẽ không bao giờ làm những tình bạn đó phai nhạt Cuối cùng, con xin cảm ơn bố mẹ đã tin tưởng và tạo điều kiện để con được học tập và là động lực để con phấn đấu Cảm ơn những người thân yêu đã bên cạnh nhóm chúng tôi trong lúc khó khăn khi thực hiện đồ án

Trân trọng!

III

TÓM TẮT

Trong đề tài này, nhóm em sử dụng biến tần và điện lưới để điều khiển bơm theo nhu cầu của mình, PLC được sử dụng để đọc tín hiệu Analoag và cảm biến tín hiệu Đầu ra của PLC được nối với biến tần để điều khiển biến tần và từ đây biến tần điều khiển tốc độ động cơ Khi sử dụng thiết bị biến tần cho phép điều chỉnh một cách linh hoạt lưu lượng và áp lực cấp vào mạng lưới theo yêu cầu tiêu thụ Với tín hiệu

từ cảm biến áp lực phản hồi về PLC, PLC sẽ so sánh giá trị truyền về này với giá trị đặt để từ đó ra lệnh cho biến tần giúp thay đổi tốc độ của động cơ bằng cách thay đổi tần số dòng điện đưa vào động cơ để đảm bảo áp suất nước trong đường ống là ổn định

Điều khiển theo hình thức biến tần điều khiển một bơm chính thông qua thiết bị biến tần, các máy bơm còn lại đóng mở trực tiếp bằng khởi động mềm Khi tín hiệu

áp lực và lưu lượng trên mạng lưới hồi tiếp về PLC Bộ vi xử lý sẽ so sánh với giá trị cài đặt và điều khiển tốc độ máy bơm chính chạy với tốc độ phù hợp Khi mà bơm được điều khiển bằng biến tần hoạt động ở chế độ định mức mà vẫn chưa đáp ứng được áp suất trên được ống thì PLC sẽ ra lệnh để đưa các máy bơm khởi động mềm tham gia vào hệ thống nhằm duy trì được áp suất mong muốn trong đường ống Đến một lúc nào đó, khi mà áp suất trong đường ống đã đủ thì PLC sẽ ngắt các bơm phụ

ra dần dần tránh áp suất cao gây nguy hiểm cho đường ống Trong trường hợp ngắt tất cả các bơm mà áp suất vẫn còn cao thì PLC sẽ ra lệnh cho biến tần để biến tần giảm dần tần số của động cơ để đưa áp suất trong đường ống về gần bằng giá trị đặt nhanh nhất trong thời gian có thể Tất cả những việc này thì được theo dõi và giám sát bằng màn hình HMI (hoặc được điều khiển bằng tay)

Từ đó hệ thống sẽ hoạt động tự động nhận biết và xử lý trong bất kì trường hợp nào xảy ra

IV

ABSTRACT

In this topic, our group uses inverter and grid to control the pump according to their needs, PLC is used to read Analog signal and signal sensor The output of the PLC is connected to the inverter to control the inverter and from here the inverter controls the motor speed When using inverter equipment, it is possible to flexibly adjust the flow and pressure supplied to the network according to consumption requirements With the signal from the pressure sensor feedback to the PLC, the PLC will compare this transmitted value with the set value to command the inverter to help change the motor's speed by changing the current frequency inserted into the motor

to ensure that the water pressure in the pipeline is stable

Control in the form of an inverter to control a pump One main pump is through an inverter device, the remaining pumps open and close directly by soft start When the pressure and flow signals on the network feed back to the PLC The microprocessor will compare with the set value and control the speed of the main pump to run at the appropriate speed When the pump controlled by the inverter operates in the rated mode but still cannot meet the pressure on the pipe, the PLC will give an order to bring the soft-start pumps into the system to maintain the pressure desired capacity

in the pipeline At some point, when the pressure in the pipeline is enough, the PLC will turn off the auxiliary pumps gradually to avoid high pressure that is dangerous

to the pipeline In the case of disconnecting all pumps but the pressure is still high, the PLC will command the inverter to gradually reduce the frequency of the motor to bring the pressure in the pipeline to close to the set value as quickly as possible maybe All of this is monitored and monitored by the HMI display (or manually controlled)

From there, the system will work automatically to recognize and handle in any

case

V

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN II DANH MỤC HÌNH ẢNH VIII

DANH SÁCH CÁC BẢNG 1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI 2

1.1 Đặt vấn đề 2

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.3 Phương pháp nghiên cứu 3

1.4 Ý nghĩa khoa học của đề tài 4

1.5 Phạm vi nghiên cứu đề tài 4

1.6 Kết cấu đồ án 4

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN GIẢI PHÁP 6

2.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển áp suất 6

2.1.1 Sơ lược về điều chỉnh lưu lượng bơm 6

2.1.2 Nguyên tắc điều khiển trong hệ thống 6

2.1.3 Phương thức điều khiển bơm 7

2.2.4 Những ưu điểm khi điều khiển tốc độ bơm bằng thiết bị biến tần 8

2.1.5 Mô tả hoạt động của hệ thống (được điều khiển theo hình thức biến tần điều khiển một bơm) 9

2.1.6 Hệ thống điều khiển áp suất 9

2.2.7 Sơ đồ khối hệ thống 12

VI

2.2.8 Sơ đồ mạch động lực 13

2.2 Tổng quan về ứng dụng công PLC điều khiển 21

2.2.1 Sơ lược nguyên lý sử dụng PLC để điều khiển 21

2.2.2 Phương thức giao tiếp giữa PLC với máy tính 22

2.2.3 Sử dụng PLC để điều khiển tốc độ biến tần 23

2.2.4 Sử dụng phần mềm để lập trình PLC điều khiển biến tần thông qua ngôn ngữ lập trình Ladder 25

2.2.4.1 Phần mềm GX work 2 25

2.2.4.2 Ngôn ngữ Ladder 25

2.3 Tổng quan về điều khiển tốc độ động cơ 28

2.2.1 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ 28

2.3.2 Phương pháp điều khiển động cơ bằng biến tần 32

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM HỆ THỐNG BƠM ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT BƠM ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT TRÊN ĐƯỜNG ỐNG 35

3.1 Biến tần Mitsubishi FR-D720-0.75K 35

3.2 Bộ điều khiển PLC Mitsubishi FX3U-32MR/ES-A 36

3.3 Module 37

3.4 CB 39

3.5 Nguồn tổ ong 24V – 5A 41

3.6 Công tắc 2 vị trí 42

3.7 Nút ấn 43

3.8 Cầu nối 43

3.9 Thanh cái 44

VII

3.10 Contactor 44

3.11 Tụ ngậm 45

3.12 Cảm biến áp suất 45

3.14 Đồng hồ áp suất 0-5 bar 46

3.13 Relay 47

3.15 Bơm 3P 0,75 KW 48

3.16 Bình tích áp 2L 48

CHƯƠNG 4 :THI CÔNG VÀ MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 50

4.1 Nguyên lý hoạt động 50

4.1.1 Chế độ manual 50

4.1.2 Chế độ ưu tiên 50

4.1.3 Chế độ tự động (AUTO) 50

4.2 Thi công phần tủ điện 52

4.3 Mạch nguyên lý 55

4.4 Mô hình 3D 56

4.5 Hình ảnh thực tế 57

CHƯƠNG 5: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ, KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 59

5.1 Đánh giá và kết luận 59

5.2 Hướng phát triển đề tài 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

PHỤ LỤC 61

VIII

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Nước yếu vào những giờ cao điểm……… 2

Hình 2: Biểu đồ minh họa hoạt động điều khiển bơm………10

Hình 3: Sơ đồ khối hệ thống……… 12

Hình 4: Sơ đồ mạch động lực……….………13

Hình 5: Hệ thống PLC……….……… 14

Hình 6: Truyền thông Modbus……….………… 14

Hình 7: Truyền thông chuẩn 485……….….…….15

Hình 8: Truyền thông chuẩn Ethernet (Lan)……….……….….16

Hình 9: Dùng tín hiệu Analog……….…… 17

Hình 10: Dùng tín hiệu Digital……… 18

Hình 11: Dùng đường truyền dẫn……… 20

Hình 12: Icon phần mềm GX Works 2……….21

Hình 13: Ngôn ngữ lập trình Ladder……… … 22

Hình 14: Bảy phần cơ bản của biểu đồ bậc thang……….…………24

Hình 15: Biến tần điều khiển……….27

Hình 16: Ảnh cấu tạo bộ giảm tốc motor……… 28

Hình 17: Biểu đồ thay đổi điện áp động và momen……….29

Hình 18: Biểu đồ thay đổi tốc độ và tần số………29

Hình 19: Sơ đồ mạch điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi tần số……… 30

Hình 20: Biểu đồ thay đổi điện trở và momen……… 31

Hình 21: Sơ đồ mạch điều chỉnh tốc độ bằng điện trở………32

Hình 22: Một số lại biến tần phổ biến………33

IX

Hình 23 :Biến đổi điện áp / tần số qua biến tần……….34

Hình 24: Biến tần MITSUBISHI FR-D720-0.75K……… 34

Hình 18: PLC Mitsubishi FX3U-32MR/ES-A……… 35

Hình 19: Module mở rộng FX ON – 3A……… …… 36

Hình 20: Module truyền thông RS 485……….……….37

Hình 21: CB tổng DZ47-63 C16……… ……… 38

Hình 22: CB bảo vệ mạch CP30-BA MITSUBISHI………39

Hình 23: Nguồn tổ ong 24V ……….….……….40

Hình 24: Công tắc 2 vị trí ……….……….41

Hình 25: Nút ấn ON OFF ……….………42

Hình 26: Thanh cầu nối ……….43

Hình 27: Contactor S-N12 ……….43

Hình 28: Tụ ngậm 50μF ……… 44

Hình 29: Cảm biến áp suất ………45

Hình 30: Đồng hồ áp suât 0-5 bar ……….46

Hình 31: Relay 8 chân ……… ………… 46

Hình 32: Relay áp suất ……… ……… 47

Hình 33: Bình tích áp 2L ……… … 48

Hình 34: HMI GOT 1000 ……….……….49

Hình 35: Hình ảnh bản vẽ CAD tủ điện ………50

Hình 36: Ảnh chụp từ bên trong tủ điện ……… 51

Hình 37: Ảnh chụp mặt trước tủ điện ……… 52

Hình 38: Bản vẽ mạch nguyên lý ……… ……….52

X

Hình 39: Bản vẽ 3D trên AutoCAD ……… …….53

Hình 40: Bơm 3P……… ….….53

Hình 41: Mặt trước mô hình ……….……54

Hình 42 : Mặt ngang mô hình ……….……… 54

Hình 43: Nhìn từ trên xuống ……….……55

Hình 44: Ảnh chụp từ bên trong tủ điện………55

Hình 45: Ảnh chụp mặt trước tủ điện……… 56

Hình 46: Bản vẽ mạch nguyên lý………57

Hình 47: Bản vẽ 3D trên AutoCAD………57

Hình 48: Mặt trước mô hình……… ………58

Hình 49: Mặt ngang mô hình……….…59

Hình 50: Nhìn từ trên xuống……… ………61

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1: Thông số biến tần mitsubishi FR-D720-0.75K ……… 37

Bảng 2: Thông số của CB tổng……… 41

Bảng 3: Thông số của CB tép 3A………42

Bảng 4: Thông số của nguồn tổ ong 24V………43

Bảng 5: Thông số của Relay………49

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề

- Ngày nay, với sự phát triển không ngừng của cơ sở hạ tầng nên việc cung cấp nước cho việc này là điều thiết yếu của mỗi công trình Nên để đảm bảo được nguồn nước luôn luôn ổn định là điều kiện sống còn của mỗi công trình

- Hiện nay tại các thành phố lớn như Thành phố Hồ Chí Minh hay Hà Nội nhu cầu sử dụng nước của người dân vào giờ cao điểm khá là cao Vì thế đã dẫn đến việc nguồn nước sẽ bị yếu đi có khi chảy nhỏ giọt do việc người dân sử dụng vào cùng một thời điểm quá đông Cho nên việc ổn định nguồn nước vào những lúc như thế này mục đích để nâng cao chất lượng cuộc sống là điều thiết yếu

- Vì những lý do hết sức là thực tiễn đó nên tụi em đã tính hành nghiên cứu ứng dụng hệ thống điều khiển và giám sát ổn định áp suất trên đường ống

Hình 2: Nước yếu vào những giờ cao điểm

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

- Các nghành công nghiệp nói riêng cũng như ngành nước nói chung vẫn sử dụng công nghệ truyền động không thích hợp, điều khiển thụ động, không linh hoạt Đối với nhà máy nước, yếu tố cấu thành giá nước bị chi phối phần lớn bởi chi phí điện bơm nước (30-35%) Trước đây tồn tại quan điểm việc đầu tư vào tiết kiệm năng lượng là một công việc tốn kém và không mang lại hiệu quả thiết thực Với công nghệ

biến tần tính toán đã chỉ ra việc đầu tư vào hệ thống điều khiển tiết kiệm năng lượng cho trạm bơm cấp II có thời gian hoàn vốn đầu tư hết sức ngắn và giảm được chi phí cho công tác quản lý vạn hành thiết bị Máy bơm và quạt gió là những ứng dụng rất thích hợp với truyền động biến đổi tốc độ tiết kiệm năng lượng Trong phạm vi đồ

án, chúng ta chỉ đề cập tới việc sử dụng thiết bị biền tần trong điều khiển tốc độ tiết kiệm năng lượng cho các máy bơm và ổn định áp suất trong đường ống cấp nước

1.3 Phương pháp nghiên cứu

- Đối với các hệ thống bơm cấp nước trong thực tế, người ta sử dụng máy bơm công suất lớn, biến tần công suất lớn để bơm cấp nước cho cả khu dân cư, thành phố, cho cả khu công nghiệp Với đề tài này, chúng em đã mô hình hóa hệ thống nên chỉ

sử dụng biến tần công suất nhỏ và động cơ không đồng bộ để mô tả sự hoạt động của

hệ thống với tín hiệu thực tế từ cảm biến áp suất Một phần vì các máy bơm ba pha thường rất to và nặng kéo theo hệ thống sẽ không đơn giản, lý do nữa là chi phí cho một đồ án như vậy là quá lớn với khả năng của chúng em Để thực hiện được đề tài chúng em đã:

- Nghiên cứu kĩ hệ thống bơm cấp nước trong thực tế, nắm rõ trình tự điều khiển từng máy bơm

- Tìm hiểu về biến tần sử dụng

- Lựa chọn biến tần và động cơ có công suất hợp lý

- Tìm hiểu giao tiếp PLC với biến tần

- Lập trình PLC

- Lập trình bộ PID để điều khiển máy bơm

- Thiết kế giao diện HMI để giám sát và điều khiển

1.4 Ý nghĩa khoa học của đề tài

- Đề tài cho thấy việc ứng dụng của tự động hóa vào trong cuộc sống là rất cần thiết, nó giúp ta tiết kiệm được thời gian công sức, tiền bạc nhưng mang lai hiệu quả kinh tế cao và hoạt động rất ổn định

- Từ đề tài nghiên cứu về điều khiển ổn định áp suất cho đường ống nước, chúng

ta có thể mở rộng cho hệ thống điều khiển lò nhiệt, hệ thống điều hòa không khí…

1.5 Phạm vi nghiên cứu đề tài

- Từ những kiến thức cơ sở học được tại trường và ngoài thực tế, do còn hạn chế về kiến thức cũng như khả năng kinh tế và thời gian có hạn nên chúng em chỉ có thể tọa mô hình mang tính chất mô phỏng cao để thể hiện quy trình hoạt động của một hệ thống cấp nước thực tế Trong đó, chúng em đã thực hiện một số công việc :

- Lập trình PLC hoạt động theo thuật toán đưa ra

- Giao tiếp PLC với giám sát hệ thống

- Giao tiếp PLC với biến tần

- Thiết kế giao diện điều khiển tự động với GT Designer 3

- Điều khiển PID cho động cơ theo giá trị yêu cầu

- Chương 5: Thi công và mô hình thực nghiệm: Tiến hành thi công, lắp ráp mô hình đã thiết kế, trình bày lưu đồ thuật toán, lập trình vi điều khiển và vận hành mô hình

- Chương 6: Đánh giá kết quả và hướng phát triển đề tài: Kết luận chung về những kết quả đạt được, những cái chưa đạt được và đinh hướng phát triển cho đề tài trong tương lai

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN GIẢI PHÁP

2.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển áp suất

2.1.1 Sơ lược về điều chỉnh lưu lượng bơm

- Mỗi trạm bơm thường có nhiều máy bơm cùng cấp nước vào cùng một đường ống Áp lực và lưu lượng của đường ống thay đổi hang giờ theo nhu cầu Bơm và các thiết bị đi kèm như đường ống van, đài nước được thiết kế với lưu lượng nước bơm rất lớn Vì thế điều chỉnh lưu lượng nước bơm được thực hiện bằng các phương pháp sau:

- Điều chỉnh bằng cách khép van trên ống đẩy của bơm

- Điều chỉnh bằng đóng mở các máy bơm hoạt động đồng thời

- Điều khiển thay đổi tốc độ quay bằng khớp nối thủy lực

- Điều khiển theo những phương pháp trên không những không tiết kiệm được năng lượng điện tiêu thụ mà còn gây nên hỏng hóc thiết bị và đường ống do chấn động khi đóng mở van gây nên,đồng thời các máy bơm cung cấp không bám sát được chế độ tiêu thụ trên mạng lưới

- Để giải quyết các vấn đề kể trên chỉ có thể sử dụng phương pháp điều khiển truyền động biến đổi tốc độ bằng thiết bị biến tần.Thiết bị biến tần là thiết bị điều chỉnh biến đổi quay của động cơ bằng cách thay đổi tần số của dòng điện cung cấp cho động cơ

2.1.2 Nguyên tắc điều khiển trong hệ thống

- Đầu ra của PLC được nối với biến tần để điều khiển biến tần và từ đây biến tần điều khiển tốc độ động cơ

- Khi sử dụng thiết bị biến tần cho phép điều chỉnh một cách linh hoạt lưu lượng và

áp lực cấp vào mạng lưới theo yêu cầu tiêu thụ

- Với tín hiệu từ cảm biến áp lực phản hồi về PLC PLC sẽ so sánh giá trị truyền về này với giá trị đặt để từ đó ra lệnh cho biến tần giúp thay đổi tốc độ của động cơ bằng

cách thay đổi tần số dòng điện đưa vào đông cơ để đảm bảo áp suất nước trong đường ống là ổn định

- Sự điều chỉnh linh hoạt các máy bơm khi sử dụng biến tần được cụ thể như sau: + Điều chỉnh tốc độ quay khi áp suất thay đổi

+ Đa dạng trong phương thức điều khiển các máy bơm trong trạm bơm Một thiết bị biến tần có thể điều khiển tới 5 máy bơm

2.1.3 Phương thức điều khiển bơm

Có 3 phương thức điều khiển các máy bơm:

+ Điều khiển theo mực nước:

Trên cơ sở tín hiệu mực chất lỏng trong bể hut hồi tiếp về PLC.Bộ vi xử lý sẽ

so sánh tín hiệu hồi tiếp với mực chất lỏng được cài đặt.Trên cơ sở kết quả so sánh PLC sẽ điều khiển đóng mở các máy bơm sao cho phù hợp để mực chất lỏng trong

bể luôn bằng giá trị cài đặt.Ngược lại khi tín hiệu hồi tiếp lớn hơn giá trị cài đặt,biến tần sẽ điều khiển các bơm để mực chất lỏng luông đạt giá trị đặt

+ Điều khiển theo hình thức chủ động thụ động:

Mỗi một máy bơm được nối với một bộ biến tần trong đó có một biến tần là chủ động,các biến tần khác là thụ động.Khi tín hiệu hồi tiếp về biến tần chủ động thì bộ

vi xử lý của biến tần này sẽ so sánh với tín hiệu được đặt để từ đó tác động đến các biến tần thụ động điều chỉnh tốc độ quay của các máy bơm cho phù hợp và không gây ra hiện tượng đập thủy lực phản hồi từ hệ thống.Phương thức điều khiển này là linh hoạt nhất khắc phục những khó khăn trong quá trình vận hành bơm khác với thiết kế.Phương thức này được sử dung co trương hợp thay đổi cả về lưu lượng và áp suất trên mạng lưới.-

+ Điều khiển theo hình thức biến tần điều khiển một bơm:

Một máy bơm chính thông qua thiết bị biến tần,các máy bơm còn lại đóng mở trực tiếp bằng khởi động mềm.Khi tín hiệu áp lực và lưu lượng trên mạng lưới hồi

tiếp về PLC Bộ vi xử lý sẽ so sánh với giá trị cài đặt và điều khiển tốc độ máy bơm

chính chạy với tốc độ phù hợp Đây cũng chính là cách mà nhóm em đã tiến hành làm Khi mà bơm được điều khiển bằng biến tần hoạt động ở chế độ định mức mà

vẫn chưa đáp ứng được áp suất trên được ống thì PLC sẽ ra lệnh để đưa các máy bơm khởi động mềm tham gia vào hề thống nhằm duy trì được áp suất mong muốn trong đường ống.Đến một lúc nào đó,khi mà áp suất trong đường ống đã đủ thì PLC sẽ ngắt các bơm phụ ra dần dần tránh áp suất cao gây nguy hiểm cho đường ống.Trong trường hợp ngắt tất cả các bơm mà áp suất vẫn còn cao thì PLC sẽ ra lệnh cho biến tần đẻ biến tần giảm dần tần số của động cơ để đưa áp suất trong đường ống về gần bằng giá trị đặt nhanh nhất trong thời gian có thể.Tất cả những việc này thì được theo dõi

và giám sát bằng WinCC qua màn hình máy tính(hoặc được điều khiển bằng tay)

2.2.4 Những ưu điểm khi điều khiển tốc độ bơm bằng thiết bị biến tần

- Hạn chế được dòng khởi động cao

- Tiết kiệm năng lượng

- Điều khiển linh hoạt các máy bơm

- Dãy công suất rộng từ 1,1 – 400Kw

- Tự động ngừng khi đạt tới điểm cài đặt

- Tăng tốc nhanh giúp biến tần bắt kịp tốc độ hiện thời của động cơ

- Tự động tăng tốc giảm tốc tránh quá tải hoặc quá điện áp khi khởi động

- Bảo vệ được động cơ khi :ngắn mạch,mất pha,lệch pha,quá tải,quá dòng,quá nhiệt…

- Kết nối với máy tính chạy trên hệ điều hành Windows

- Kích thước nhỏ gọn không chiếm diện tích trong nhà trạm

- Mô-men khơỉ động cao với chế độ tiết kiệm năng lượng

- Dễ dàng lắp đặt vận hành

- Hiển thị các thông số của động cơ và biến tần

2.1.5 Mô tả hoạt động của hệ thống (được điều khiển theo hình thức biến tần điều khiển một bơm)

- Trong hệ thống có tất cả là 2 máy bơm: hai máy bơm 3 pha Biến tần sẽ điều khiển trực tiếp máy bơm 3 pha thứ nhất, máy bơm 3 pha còn lại sẽ bơm dự phòng khi

mà máy bơm 3 pha thứ nhất chạy hết công suất định mức mà áp suất vẫm chưa ổn định ở giá trị cài đặt (Setpoint) Máy bơm dự phòng này sẽ được điều khiển trực tiếp bằng điện lưới 220V

- Khởi động hệ thống lên thì máy bơm 3 pha được điều khiển bằng biến tần sẽ được động cơ chạy cho tới khi đạt được áp suất cài đặt, khi áp suất trong đường ống

đã bằng áp suất cài đặt thì biến tần sẽ giữ ổn định tốc độ của máy bơm này Trường hợp tải thay đổi tức thì là áp suất thay đổi, tùy theo tải tăng hay giảm thì biến tần sẽ điều khiển máy bơm chạy nhanh hay chậm

- Khi tải tăng tức là áp suất giảm, lúc này muốn ổn định áp suất thì biến tần sẽ điều khiển máy bơm chạy nhanh hơn (tức tăng tần số của máy bơm 3 pha thứ nhất) cho tới khi đạt được áp suất đặt

- Ngược lại, khi tải giảm thì biến tần sẽ giảm tần số của máy bơm xuống cho tới khi đạt được áp suất cài đặt

- Nếu lúc tải giảm mạnh nhất (áp suất tăng lên cao) thì bơm dự phòng sẽ tự động dừng chỉ còn bơm biến tần hoạt động Hệ thống cứ hoạt động liên tục như vậy, áp suất trong đường ống luôn luôn giữ ổn định tránh tình trạng áp suất tăng quá cao sẽ gây vỡ đường ống cấp nước

2.1.6 Hệ thống điều khiển áp suất

Yêu cầu công nghệ:

- Sử dụng biến tần MITSUBISHI D700 điều khiển cho động cơ bơm, công suất tiêu thụ của động cơ sẽ được biến tần điều chỉnh cho phù hợp với nhu cầu phụ tải Động cơ thứ 2 sẽ sử dụng chạy nền nếu sau này phụ tải phát triển lớn hơn Một sensor

áp suất được đưa vào đầu ra nước cấp của đường ống cấp để đo áp lực nước đưa về

hệ thống điều khiển

- Hệ thống điều khiển là 1 PLC FX3U-32MR/ES-A (MITSUBISHI) đảm bảo cho việc tự động hóa hoàn toàn quá trình bơm cấp nước của đường ống cấp.Vận hành

hệ thống thông qua GX Work 2 Hệ thống được hoạt động ở 3 chế độ: bằng tay, tự

động và ưu tiên Việc chuyển đổi giữa ba chế độ tự động,ưu tiên và bằng tay được thực hiện bằng các công tắc chuyển đổi vị trí Hệ thống mới và cũ sẽ được đấu nối đảm bảo chính xác, và vận hành an toàn trong mọi tình huống Đảm bảo tính an toàn cao nhất của cả hệ thống

Hình 3: Biểu đồ minh họa hoạt động điều khiển bơm

- Như vậy với việc đưa biến tần vào hệ thống sẽ hoạt động bám sát theo đúng thực tế lưu lượng phụ tải, do vậy sẽ giảm đáng kể năng lượng tiêu hao không cần thiết vào các giờ phụ tải thấp điểm

- Hệ thống sẽ tự động giám sát áp suất nước trên đường ống mạng và điều khiển ngược lại để đảm bảo giữ đúng áp suất theo yêu cầu PLC sẽ điều khiển áp suất nước trên đường ống mạng theo đồ thị phụ tải ngày, tức là hệ thống sẽ điều khiển áp suất theo thời gian thực Hệ thống điều khiển tự động này một số chức năng chính sau:

- Đo lường: do cảm biến áp suất đo lường và chuyển đổi để đưa về CPU của FX3U-32MR/ES-A

Xử lý thông tin: bộ điều khiển trung tâm sẽ đảm nhiệm vấn đề này

- Điều khiển: FX3U-32MR/ES-A sẽ phối hợp với biến tần làm việc này theo yêu cầu

- Giám sát: FX3U-32MR/ES-A sẽ kết nối đầu đo của cảm biến áp suất để giám sát hệ thống hoạt động

- Giao tiếp giữa người vận hành và thiết bị điều khiển: sử dụng phần mềm giao diện để người điều khiển màn hình (HMI) thông qua phần mềm GT Designer 3

- Hệ thống có thể chuyển đổi qua lại giữa các motor bơm chạy với biến tần nhằm mục đích nâng cao tuổi thọ bơm, phục vụ bảo trì bảo dưỡng mà không làm gián đoạn sản xuất

- Đồng thời để cho phép mở rộng và phát triển phụ tải sau này, hệ thống có thể

sử dụng cùng lúc hai bơm nếu cần Bơm thứ hai sẽ đươc tự động đóng chạy trực tiếp thông qua công tắc tơ như là một bơm nền và bơm có biến tần sẽ chạy điều chỉnh đỉnh cho phù hợp với phụ tải

2.2.7 Sơ đồ khối hệ thống

Hình 4: Sơ đồ khối hệ thống

2.2.8 Sơ đồ mạch động lực

Hình 5: Sơ đồ mạch động lực

2.2.9 Xây dụng thuật toán Nước trên đường ống:

Hệ thống bắt đầu vận hành sau khi chúng ta cấp nguồn 220v trực tiếp vào hệ thống, lưu đồ thuật toán dưới đây sẽ cho ta thấy cách vận hành của hệ thống:

- Sau khi ta cấp nguồn sẽ đến phép toán so sánh điều kiện là nút dừng khẩn nếu nút đang ở trạng thái bình thường thì ta sẽ tiến hành nhập áp suất mong muốn cho hệ thống làm việc ( áp suất Y ) và lúc này cảm biến áp suất trên đường ống sẽ làm việc, nếu điều kiện sai ( cảm biến không làm việc hiển thị áp suất X) thì ta sẽ tiến hành với chế độ MANUAL Tiếp theo hệ thống sẽ kích hoạt chương trình PID và tiến hành điều áp, nếu X= Y thì dừng hệ thống ( đủ áp), nếu áp suất không bằng thì lưu đồ sẽ tiến hành thực hiện phép so sánh điều kiện áp suất đặt, nếu X > Y thì hệ thống dừng( quá áp ) Nếu áp suất đặt bé hơn áp suất cài đặt thì hệ thống sẽ có 2 cách vận hành tiếp theo là vận hành ở chế độ ƯU TIÊN và AUTO

CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH AUTO:

- Ở chế độ này hệ thống ta sẽ hoạt động vào hai khung giờ là giờ cao điểm và giờ thấp điểm

+ Vận hành ở chế độ AUTO ( Giờ thấp điểm ): Bước đầu tiên ta cần cài đặt khung

giờ mà ta muốn hệ thống hoạt động Sau khi ta cài đặt thời gian thấp điểm, ta sẽ cài đặt timer để bơm làm việc ở chế độ luân phiên và được điều áp theo PID ( ở chế độ này bơm chỉ hoạt động qua biến tần) Nếu sau thời gian vận hành áp suất X = Y thì sau 30 giây bơm sẽ dừng hoạt động Khi hệ thống giảm áp suất thì bơm sẽ được kích hoạt trở lại làm việc luân phiên và sẽ so sánh thời gian xem còn trong khung giờ thấp điểm hay không, nếu không thì bơm sẽ chuyển chế độ vận hành AUTO khung giờ cao điểm

+ Vận hành chế độ AUTO (Giờ cao điểm): Ở chế độ giờ cao điểm bơm không

làm việc ở chế độ luân phiên theo thời gian cài đặt mà sẽ thay đổi chế độ hoạt

động bơm ( điện lưới và biến tần ) qua lại để điều áp Sau khi hết khung giờ

thấp điểm thì bơm sẽ hoạt động theo khung giờ cao điểm Khi hệ thống bắt đầu

vận hành thì 1 trong hai bơm sẽ hoạt động và được điều áp theo PID Điều kiện

đầu tiên ta thấy trên lưu đồ là nếu áp suất bằng nhau X = Y hệ thống sẽ dừng

hoạt động sau 30s Nếu áp suất không bằng thì sẽ đi đến phép toán so sánh tần

số, điều kiện so sánh đầu tiên là tần số hiện tại của bơm đang hoạt động qua

biến tần nằm trong khoản từ 20hz đến dưới 50hz mà áp suất vẫn chưa bằng áp

suất đặt, bơm hiện tại sẽ chuyển chế độ sang hoạt động qua điện lưới và chương

trình sẽ kích hoạt bơm còn lại hoạt động qua biến tần Điều kiện tiếp theo lưu

đồ cho ta thấy là nếu tần số của bơm hiện tại nhỏ hơn 20hz, nếu đúng điều kiện

trên thì dừng bơm hoạt động điện lưới sau 20s, nếu tần số lại tăng lên hơn 20

hz thì vận hành lại hệ thống và sẽ so sánh xem còn nằm trong khung giờ cao

điểm mà ta cài đặt hay không

+ Vận hành chế độ manual: Chọn một trong hai bơm, bơm được chọn sẽ hoạt động

qua điện lưới và điều áp thông qua cảm biến áp suất đủ áp hệ thống sẽ dừng hoạt

+ Vận hành chế độ ưu tiên: Chọn một trong hai bơm, bơm được chọn sẽ chỉ hoạt

động qua biến tần và điều áp thông qua cảm biến áp suất đủ áp hệ thống dừng hoạt động

2.2 Tổng quan về ứng dụng công PLC điều khiển

- PLC – Programmable Logic Controller là thiết bị lập trình cho phép thực hiện

linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình

- PLC được lập trình một loạt các sự kiện Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích ngõ vào tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có độ trễ về thời gian hay các sự kiện đếm ngược PLC dùng để thay thế các mạch relay trong thực tế

2.2.1 Sơ lược nguyên lý sử dụng PLC để điều khiển

- PLC hoạt động theo phương thức quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào Khi có

sự thay đổi ở đầu vào thì đầu ra sẽ thay đổi theo Ngôn ngữ lập trình của PLC có thể

là ladder hay state logic…

- Hiện nay với mức độ phổ biến và ứng dụng rộng rãi thì PLC cũng được sản xuất rộng lớn bởi các hãng hàng đầu trên thế giới như: Schneider, INVT, Omron…- Khi PLC được kích hoạt một bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục lặp các chương trình do người dùng cài đặt sẵn Tiếp theo chờ các tín hiệu xuất hiện ở ngõ vào và xuất ra các tín hiệu ở ngõ ra

Hình 5: Hệ thống PLC

Ưu điểm:

+ Lập trình đơn giản, ngôn ngữ dễ học

+ Dễ dàng bảo quản, bảo trì và sửa chữa

+ Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được các chương trình phức tạp

+ Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp

+ Có khả năng giao tiếo được với các thiết bị thông minh khác như: màn hình HMI, các modul mở rộng…

2.2.2 Phương thức giao tiếp giữa PLC với máy tính

Modbus

- Modbus là chuẩn truyền thông công nghiệp được phát triển năm 1979 do Modicon sáng chế Mobus để thay thế cho chuẩn truyền thông truyền thống Modbus hoạt động dựa trên nguyên tắc nhận và gửi tín hiệu Giúp truyền dữ liệu từ các thiết bị đầu cuối đến PLC hay Scada.Modbus là chuẩn truyền thông công nghiệp được phát triển năm

1979 do Modicon sáng chế Mobus để thay thế cho chuẩn truyền thông truyền thống Modbus hoạt động dựa trên nguyên tắc nhận và gửi tín hiệu Giúp truyền dữ liệu từ các thiết bị đầu cuối đến PLC hay Scada

Hình 6: Truyền thông Modbus

Chuẩn RS485

- Cũng giống như chuẩn RS232, chuẩn RS485 được coi là hậu bối của chuẩn RS232 Liên kết RS485 được hình thành cho việc thu nhận dữ liệu ở khoảng cách xa và điều khiển cho những ứng dụng Những đặc điểm nổi trội của RS485 là có thể hỗ trợ một

mạng lên tới 32 trạm thu phát trên cùng một đường truyền, tốc độ baud có thể lên tới 115.200 cho một khoảng cách là 4000 feed (1200m)

Hình 7: Truyền thông chuẩn 485 Chuẩn Ethernet (Lan)

- Ethernet là một công nghệ mạng cục bộ (LAN) nhằm chuyển thông tin giữa các máy tính với tốc độ từ 10 đến 100 triệu bit một giây (Mbps) Hiện nay thời đại công nghệ Ethernet thường được sử dụng nhất là công nghệ cáp đôi xoắn 10 Mbps Công nghệ truyền thông 10 Mbps sử dụng hệ thống cáp đồng trục cỡ lớn hoặc cáp đôi, cáp sợi quang Tốc độ chuẩn cho hệ thống Ethernet hiện nay là 100 Mbps

Hình 8: Truyền thông chuẩn Ethernet (Lan) 2.2.3 Sử dụng PLC để điều khiển tốc độ biến tần

Có 3 cách đặt tốc độ cho biến tần từ PLC: Dùng tín hiệu Analog, tín hiệu Digital và truyền thông:

+ Cách 1: Dùng tín hiệu Analog đưa tín hiệu đặt tới đầu ra Analog của PLC để gửi tới đầu vào Analog của biến tần Tín hiệu phản hồi có thể nhận về PLC qua cổng Analog đầu vào của PLC Tốc độ đặt theo cách này có thể điều khiển vô cấp

Hình 9: Dùng tín hiệu Analog

+ Cách 2: Dùng tín hiệu Digital tốc độ đặt theo cách này chỉ có thể đặt theo các cấp

cố định Mỗi cấp tốc độ được quy đổi về mã nhị phân rồi bật/tắt các đầu ra số của PLC tương ứng Tín hiệu phản hồi có thể nhận về PLC qua cổng Analog đầu vào của PLC

Hình 10: Dùng tín hiệu Digital

Cách 3: Truyền thông toàn bộ các tín hiệu được gửi/nhận giữa PLC và biến tần đều

thông qua 1 đường dẫn truyền thông duy nhất

Hình 11: Dùng đường truyền dẫn 2.2.4 Sử dụng phần mềm để lập trình PLC điều khiển biến tần thông qua ngôn ngữ lập trình Ladder

2.2.4.1 Phần mềm GX work 2

- GX Work 2 là phần mềm được Mitsubishi nâng cấp và thay thế cho GX Developer với giao diện trực quan đẹp hơn hơn, thao tác mượt mà và có hỗ trợ thêm các ngôn ngữ lập trình như là Ladder Logic hay Ladder Diagram (LD/LAD) Và đây là phần mềm chính để chúng em sử dụng để lập trình PLC để điều khiển biến tần

Hình 12: Icon phần mềm GX Works 2 2.2.4.2 Ngôn ngữ Ladder

- Ladder Logic hay Ladder Diagram (LD/LAD) là một trong năm ngôn ngữ lập trình PLC được chỉ định sử dụng theo tiêu chuẩn IEC 61131-3 Ladder trực quan hơn nhiều

so với hầu hết các ngôn ngữ lập trình, bởi vậy mọi người thường thấy nó dễ học hơn rất nhiều

Ladder Logic::

- Ladder Logic (còn được gọi là sơ đồ bậc thang hoặc LD/LAD) là một ngôn ngữ lập trình được sử dụng để lập trình PLC (Programmable Logic Controller) Nó là một ngôn ngữ lập trình PLC đồ họa thể hiện các hoạt động logic với ký hiệu tượng trưng Logic bậc thang được tạo ra từ các nấc thang logic, tạo thành thứ trông giống như một cái thang – do đó có tên là “Ladder Logic” hay “Ladder Diagram”

Hình 13: Ngôn ngữ lập trình Ladder

- Ladder Logic là ngôn ngữ được sử dụng để lập trình PLC tích hợp hệ thống điều khiển ban đầu đã quen với các mạch điều khiển Relay Vì Ladder Logic là một ngôn ngữ đồ họa bắt trước (mô tả) rất giống với mạch điều khiển Relay Chúng em sử dụng

sơ đồ bậc thang (ladder) thay vì sử dụng các ngôn ngữ lập trình dựa trên văn bản như

C, BASIC, Pascal và FORTRON Một lý do khác khiến sơ đồ bậc thang được sử dụng

là bởi chúng em đã hiểu cách đọc mạch điều khiển rơ le nên việc sử dụng sơ đồ bậc thang để lập trình PLC có nghĩa là họ có thể dễ dàng khắc phục sự cố hệ thống

- Cách viết chương trình LD/LAD (Ladder Diagram)

+ LAD là một ngôn ngữ lập trình đồ họa sử dụng một loạt các đường ray và bậc thang chứa các ký hiệu logic và được kết hợp để tạo thành các biểu thức ra quyết định Ladder Logic thực sự trông giống như một bậc thang và thường được gọi là lập trình LAD

+ Các đường ray trong sơ đồ bậc thang đại diện cho các dây cung cấp của mạch điều

khiển logic rơle Có một đường ray cấp điện áp dương ở phía bên trái và một đường

ray cấp điện áp bằng không ở phía bên tay phải Trong sơ đồ bậc thang, luồng logic

là từ thanh ray bên trái sang thanh ray bên phải

+ Các bậc thang trong sơ đồ bậc thang đại diện cho các dây kết nối các thành phần

của mạch điều khiển rơ le Trong sơ đồ bậc thang, các ký hiệu được sử dụng để biểu

diễn các thành phần rơle Các ký hiệu được đặt trong bậc thang để tạo thành một

mạng lưới các biểu thức logic

+ Khi triển khai chương trình logic bậc thang trong PLC, có bảy phần cơ bản của sơ

đồ bậc thang cần biết Chúng là đường ray, bậc thang, đầu vào, đầu ra, biểu thức

logic, ký hiệu địa chỉ / tên biến và nhận xét Một số yếu tố này là cần thiết và những

yếu tố khác là bổ sung

Hình 14: Bảy phần cơ bản của biểu đồ bậc thang