Thiết kế điều khiển, ổn định lưu lượng chất lỏng công nghiệp

1. Tên đề tài: Thiết kế điều khiển, ổn định lưu lượng chất lỏng công nghiệp 2. Lý do chọn đề tài: Công nghệ tự động giám sát và điều khiển lưu lượng trên đường ống được nhiều công ty, xí nghiệp cũng như các nhà máy ứng dụng nhiều nhằm thay thế việc giám sát và điều khiển lưu lượng chất lỏng bằng phương pháp thủ công. Với mục đích tìm hiểu hệ điều khiển lưu lượng trong công nghiệp Em chọn đề tài: “Thiết kế hệ điều khiển, ổn định lưu lượng công nghiệp” 3. Nội dung, nhiệm vụ nghiên cứu (không quá 1 trang, không quá chi tiết) CHƯƠNG 1: Phân tích công nghệ, chọn phương án và cấu trúc điều khiển CHƯƠNG 2: Thiết kế sơ đồ nguyên lý hệ thống và tính chọn thiết bị CHƯƠNG 3: Lập trình và cài đặt tham số điều khiển 4. Tài liệu tham khảo dự kiến

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Ngành: Công nghệ kỹ thuật điều khiển

và tự động hóa Chuyên ngành: Tự động hóa và điều khiển thiết bị điện công

Em chọn đề tài: “Thiết kế hệ điều khiển, ổn định lưu lượng công nghiệp”

3 Nội dung, nhiệm vụ nghiên cứu (không quá 1 trang, không quá chi tiết)

CHƯƠNG 1: Phân tích công nghệ, chọn phương án và cấu trúc điều

khiển

CHƯƠNG 2: Thiết kế sơ đồ nguyên lý hệ thống và tính chọn thiết bị

CHƯƠNG 3: Lập trình và cài đặt tham số điều khiển

4 Tài liệu tham khảo dự kiến

- Giáo trình điều khiển lập trình và tạo giao diện HMI với WINCC-NXB Thanh Niên

- Giáo trình PLC và lập trình ứng dụng trong công nghiệp - NXB Khoa học và Kỹ thuật

- Giáo trình thiết kế hệ thống HMI/SCADA với TIA PORTAL – NXB Khoa học và Kỹ thuật

- Giáo trình cảm biến- NXB Khoa học và Kỹ thuật

5 Ngày giao đề tài: Ngày 08 tháng 10 năm 2022

Ngày nộp quyển: Ngày 15 tháng 02 năm 2023

TRƯƠNG NAM HƯNG VÕ QUANG VINH

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

CHƯƠNG I: PHÂN TÍCH YÊU CẦU CÔNG NGHỆ, CHỌN PHƯƠNG ÁN 1

VÀ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN 2

1.1 Tổng quan về hệ thống ổn định lưu lượng 2

1.2 Phân tích yêu cầu công nghệ 3

1.3 Chọn phương án và cấu trúc điều khiển 4

1.3.1 Chọn phương án 4

1.3.2 Cấu trúc điều khiển 7

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG 10

VÀ TÍNH CHỌN THIẾT BỊ 10

2.1 Thiết kế sơ đồ nguyên lý 10

2.1.1 Sơ đồ đấu và bố trí thiết bị 11

2.1.2 Sơ đồ đấu điện 11

2.2 Tính chọn và giới thiệu thiết bị 13

2.2.1.Tính chọn động cơ bơm 13

2.2.2 Tính chọn và cài đặt biến tần 15

2.2.2.1.Tổng quan về biến tần 15

2.2.2.2 Giới thiệu biến tần Omron 3G3MX 16

e Cài đặt thông số cho biến tần 24

2.2.3 Lựa chọn PLC 27

2.2.3.1 Giới thiệu về PLC 27

2.2.3.2 Giới thiệu về PLC S7-1200 32

2.2.4 Lựa chọn các thiết bị phụ trợ khác 48

2.2.4.1 Cảm biến và bộ chuyển đổi 48

2.3 Thuyết minh sơ đồ nguyên lý 52

CHƯƠNG III: LẬP TRÌNH VÀ CÀI ĐẶT THAM SỐ ĐIỀU KHIỂN 54

3.1 Lưu đồ chương trình điều khiển 54

3.2 Lập trình có cấu trúc 55

3.2.1 Chương trình con đo lường tham số 60

3.2.2 Chương trình con xử lý PID 60

3.3 Thiết kế giao diện điều khiển giám sát 62

3.3.1 Giới thiệu về WinCC 62

3.3.2 Thiết kế WinCC cho đề tài 63

3.4 Kết Luận 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

PLC: Programmable Logic Controller

HMI: Human Machine Interface

PID: Proportional Intergral Derivative

PI: Proportional and Intergral

PD: Proportional and Derivative

SCADA: Supervisory Control And Data Acquisition

CPU: Central Processing Unit

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.4: Thông số kỹ thuật của một số model phổ biến của dòng PLC 33Bảng 2.5: Thông số các module truyền thông hỗ trợ cho PLC 35

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 3.13: Giao diện thiết kế WinCC 65

Hình 3.18c: Kết quả thực nghiệm khi chuyển giá trị từ 50 (l/m) xuống

Hình 3.18d: Kết quả thực nghiệm khi hệ thống gặp các sự cố 72

LỜI NÓI ĐẦU

Trong sự nghiệp công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước, một trong những tiêuchí để đánh giá sự phát triển công nghiệp của mỗi quốc gia là mức độ tự động hóatrong quá trình sản xuất Sự phát triển nhanh chóng của máy tính điện tử - công nghệthông tin và những thành tựu của lý thuyết điều khiển tự động đã làm cơ sở cho sựphát triển tương xứng của lĩnh vực tự động hóa Ngày nay tự động hóa điều khiển các quátrình sản xuất đã đi sâu vào nhiều lĩnh vực trong tất cả các khâu của quá trình sản xuất

Sau hơn 4 năm học tập và nghiên cứu ở trường, em đã được làm quen với cácmôn học thuộc ngành Để áp dụng lý thuyết với thực tế trong học kỳ cuối cùng, chúng

em được giao đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Thiết kế hệ điều khiển, ổn định lưu lượng

chất lỏng công nghiệp ” Với sự nỗ lực của bản thân và sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo

hướng dẫn Võ Quang Vinh đến nay đồ án của em đã được hoàn thành.

Do kiến thức chuyên môn còn hạn chế nên đồ án của em không tránh khỏinhững thiếu sót Vậy em rất mong được sự chỉ bảo, góp ý của các thầy cô giáo để đồ

án của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Khoa và đặc biệt em xin cảm

ơn thầy Võ Quang Vinh đã giúp đỡ em để đồ án được hoàn thành đúng thời hạn.

CHƯƠNG I: PHÂN TÍCH YÊU CẦU CÔNG NGHỆ, CHỌN PHƯƠNG ÁN

VÀ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN 1.1 Tổng quan về hệ thống ổn định lưu lượng

Cùng với sự phát triển của xã hội, đời sống của con người ngày càng đượcnâng cao, việc thay thế các hoạt động thủ công bằng các thiết bị tự động cũng đượccon người ứng dụng nhiều trong công nghiệp và trong sinh hoạt

Công nghệ tự động giám sát và điều khiển lưu lượng trên đường ống đượcnhiều công ty, xí nghiệp cũng như các nhà máy ứng dụng nhiều nhằm thay thế việcgiám sát và điều khiển lưu lượng chất lỏng bằng phương pháp thủ công Công nghệnày được ứng dụng nhiều trong việc xử lý nước thải, lọc hóa dầu, nhà máy nước,thủy điện, các bể nước

Hình 1.1: Hệ thống ổn định lưu lượng công nghiệp

Lưu lượng dòng chảy được xác định công thức tính khác nhau áp dụng cho các trường hợp khác nhau như, tính lưu lượng dòng chảy qua ống tròn, qua bình lọc hay qua máy bơm, máy gia nhiệt…

Công thức tính lưu lượng của dòng nước chạy qua ống tròn:

Q = A*v (1.1)

* Trong đó:

– Q: Lưu lượng dòng chảy

– A: Tiết diện mặt ngang: Thuật ngữ này được định nghĩa đó là mặt phẳng cắtcủa một hình khối tròn, trụ, Công thức tính tiết diện (trong trường hợp này nó làcông thức tính diện tích của hình tròn với bán kính r của ống tròn): A (tiết diện) = S(mặt phẳng tròn) = 3.14 x r²

– v: Vận tốc (tốc độ dòng chảy): Công thức tính vận tốc nước chảy trong ống:

v = Căn bậc 2 của 2gh = √(2gh)

* Trong đó:

– g đại lượng đo gia tốc có giá trị bằng 9.81

– h là chiều cao của cột nước (đơn vị m)

Từ những vấn đề trên đặt ra yêu cầu là dùng phương pháp nào để giám sát vàđiều khiển lưu lượng chất lỏng trên đường ống một cách hợp lý nhất về chi phí, độ tincậy, khả năng linh hoạt, dễ vận hành và sử dụng nhất

1.2 Phân tích yêu cầu công nghệ

Mục tiêu của đề tài ở chế độ tự động là điều khiển và cảnh báo lưu lượng trongđường ống ở một ngưỡng đặt trước thông qua điều khiển PLC đối với biến tần , hệthống dựa trên tín hiệu mà cảm biến lưu lượng trong đường ống đưa về PLC và tựđông điều chỉnh biến tần tạo ra nguồn điện 3 pha có tần số và điện áp phù hợp để cấpcho động cơ bơm

Ở chế độ bằng tay điều khiển trực tiếp biến tần thông qua chiết áp để điều chỉnhtần số biến tần chế độ này không có chức năng ổn định lưu lượng

1.3 Chọn phương án và cấu trúc điều khiển

1.3.1 Chọn phương án

Hiện nay, bộ điều khiển PID được đưa vào ứng dụng và dùng trong rất nhiềungành nghề, lĩnh vực khác nhau Nó có thể được đưa vào để dùng giảm các sai số hoặchạn chế sự dao động hay làm giảm đi thời gian xác lập và độ vọt lố PID được đưa vào

sử dụng để điều khiển lưu lượng nước: Nhờ có bộ điều khiển PID mà việc tự động hóacho các thiết bị điện tử với động cơ, van điều khiển, cảm biến được nhạy và hoạt độnghiệu quả hơn

PID (Proportional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều

khiển được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp Bộ điều khiểnPID được sử dụng nhiều nhất trong các hệ thống điều khiển vòng kín (có tín hiệu phảnhồi) Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị sai số là hiệu số giữa giá trị đo thông sốbiến đổi và giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằngcách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào Để đạt được kết quả tốt nhất, các thông sốPID sử dụng trong tính toán phải điều chỉnh theo tính chất của hệ thống-trong khi kiểuđiều khiển là giống nhau, các thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống

Hình 1.2: Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID

 D (Derivative): là vi phân của sai lệch Điều khiển vi phân tạo ra tín hiệuđiều chỉnh sao cho tỉ lệ với tốc độ thay đổi sai lệch đầu vào Thời gian cànglớn thì phạm vi điều chỉnh vi phân càng mạnh, tương ứng với bộ điều chỉnhđáp ứng với thay đổi đầu vào càng nhanh.

Lịch sử hình thành

Bắt đầu từ năm 1890, thì bộ điều chỉnh PID bắt đầu xuất hiện ở trong các thiết

kế của bộ điều tốc và sau này nó được phát triển trên hệ thống tàu thủy tự động với têngọi là PID Controller Khái niệm PID Controller được phát triển bởi Elmer Sperry vàonăm 1911. 

Sau đó đến tận năm 1922, tác phẩm lý thuyết về bộ điều khiển PID của NicolasMinorsky đầu tiên mới chính thức được xuất bản Trong cuốn sách này đã đưa ra mô tảkhá chi tiết về khái niệm của PID, cùng với nhiều kiến thức hữu ích về bộ điều chỉnhnày mà đến này nó vẫn hữu dụng với nhân loại Nicolas Minorsky phát triển lý thuyếtnày dựa vào sự quan sát đối với những hành vi của người lái tàu thủy trong khoảngthời gian trước khi ông chính thức đưa ra lý thuyết về bộ điều chỉnh PID

Sau đó các bộ điều chỉnh đầu tiên dựa vào lý thuyết PID đã được ra đời như:Thủy lực, khí nén, cơ khí và các hệ thống điện phát triển sau chiến tranh thế giới thứ 2.Các loại bộ điều khiển PID

 Bộ điều khiển tỉ lệ – P (Proportional Controller)

 PI ( Proportinal and Integral Controller) gọi là bộ điều khiển tỉ lệ và tíchphân.

 PD (Proportional and Derivative (PD) Controller) gọi là bộ điều khiển đạohàm

 PID (Proportional, Integral, and Derivative (PID) Controller) là bộ điềukhiển tỉ lệ – tích phân- đạo hàm (vi phân)

Mục tiêu sử dụng bộ điều khiển PID là gì ?

PID được coi là là bộ điều khiển lý tưởng của các hệ thống điều khiển quy trìnhhiện đại Nó được sử dụng hầu hết trong các ứng dụng điều khiển quá trình tự độngtrong công nghiệp hiện nay Để điều chỉnh lưu lượng, nhiệt độ, áp suất, vv…

-Giảm sai số xác lập đến mức tối thiểu nhất

- Hạn chế độ dao động

- Giảm thời gian xác lập và độ vọt lố

Hệ thống điều khiển PID tự động bao gồm: 

- Thiết bị điều khiển và cài đặt (PLC, HMI)

- Cơ cấu chấp hành (thiết bị gia nhiệt)

- Thiết bị hồi tiếp (cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất). Chỉnh định PID

Các phương pháp chỉnh định tham số cho bộ PID được phân loại thành 6 nhóm chính như sau:

- Phương pháp dựa trên đặc tính sử dụng một số đặc điểm của quá trình và tính toáncác tham số bộ điều khiển để thu được các đặc tính vòng kín mong muốn

- Phương pháp mô hình mẫu tổng hợp bộ điều khiển dựa trên mô hình toán học củaquá trình và mô hình mẫu của hệ kín hoặc hệ hở ( đưa ra dưới dạng hàm truyền đạthoặc đặc tính đáp ứng tần số )

- Phương pháp nắn đặc tính tần số theo quan điểm thiết kế truyền thông, sử dụng môhình hàm truyền đạt hoặc mô hình đáp ứng tần số của quá trình và tính toán các khâu

bù sao cho các đường đặc tính tần số hệ hở hay hệ kín đạt được các chỉ tiêu thiết kếtrên miền tần số như dải thông, độ dự trữ biên và pha …

- Phương pháp tối ưu tham số sử dụng mô hình toán học của quá trình toán học củaquá trình và xác định các tham số của bộ điều khiển bằng cách cực tiểu hóa/cực đạihóa một tiêu chuẩn chất lượng.

- Phương pháp dựa trên luật kinh nghiệm bắt trước suy luận của con người, có thể sửdụng cả đáp ứng của quá trình và các đặc tính đáp ứng vòng kín mong muốn

- Phương pháp sử dụng các công cụ phần mềm của các hãng trang bị theo PLC để tựđộng dò tham số bộ diều khiển, sau đó tinh chỉnh lại bằng kinh nghiệm của người thiếtkế

=> Đối với bài toán ổn định lưu lượng chất lỏng em chọn phương pháp đó là sử dụngcác công cụ phần mềm của các hãng trang bị theo PLC để tự động dò tham số bộ điềukhiển và sau đó sẽ tinh chỉnh lại bằng kinh nghiệm

1.3.2 Cấu trúc điều khiển

+) Biến tần: Cấp nguồn cho động cơ, tự động tính toán và điều chỉnh cácthông số nhờ bộ điều chỉnh PID tích hợp sẵn

+) Động cơ bơm: Biến đổi điện năng thành cơ năng, hút nước từ bể chứa, lưuthông qua đường ống tạo nên áp suất

+) Cảm biến: đo lưu lượng trong đường ống dẫn nước, chuyển đổi thành tínhiệu điện trả về bộ điều khiển của PLC.

Trong thực tế hệ thống bơm có thể sử dụng nhiều động cơ bơm phối hợp vớinhau, do có nhiều hạn chế nên hệ thống này chỉ sử dụng một bơm để cấp nước tạo lưulượng

*Tổng quan về hệ PLC – Biến tần – Động cơ

Hệ truyền động PLC- biến tần- động cơ bơm điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cáchthay đổi tần số kết hợp với thay đổi điện áp theo luật U/f = const Khi điện áp tăngthì tần số cũng tăng theo và ngược lại

Cấu trúc của hệ truyền động này như sau:

Hình 1.4: Sơ đồ cấu trúc của hệ

Với hệ điều khiển PLC- biến tần- động cơ bơm, đặc tính cơ của hệ cứng, phạm viđiều chỉnh rộng, độ bền cao, tổn thất năng lượng ít,hệ thống linh hoat, phươngpháp điều khiển khiển mềm thay đổi thông qua PLC mà không phải thay đổi cấutrúc phần cứng Trong hệ điều khiển này, máy tính vừa thực hiện điều khiển vàgiám sát quá trình điều khiển thông qua PLC, PLC đưa tín hiệu điều khiển vàobiến tần và tự động điều chỉnh khi có tín hiệu phản hồi vị trí góc đưa về, biến tầnlấy tín hiệu vị trí góc và điều chỉnh động cơ

Ngày nay hệ truyền động PLC- biến tần- động cơ bơm được ứng dụng rất nhiềutrong các hệ thống bơm nước ở trong các nhà máy, khu công nghiệp Với hệ thống

bơm thông thường đa phần hoạt động liên tục 100% tải từ khi khởi động cho đếnkhi dừng hệ thống Việc này gây ra rất nhiều hạn chế và lãng phí cho hệ thốngnhư: Khi ở thời gian cao điểm, lượng nước đầu ra cần sử dụng nhiều hệ thống mặc

dù chạy 100% tải nhưng vẫn sẽ không đủ nước cung cấp cho nhà máy → thiếunước Nếu muốn bổ sung thêm nước người vận hành phải tự đóng bằng tay thêmbơm khác vào hệ thống việc này có rất nhiều hạn chế vì việc sử dụng nước đầu rakhông cố định và thay đổi liên tục Khi ở thời gian thấp điểm, lượng nước đầu ra

sử dụng ít nhưng bơm vẫn chạy 100% công suất → gây lãng phí Vì vậy việcnghiên cứu, ứng dụng các hệ thống điều khiển ổn định lưu lượng cho đường ốngnước bằng PLC và biến tần là cần thiết, đúng đắn và đáp ứng được nhu cầu ngàycàng tăng của xã hội hiện đại hóa của chúng ta

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG

VÀ TÍNH CHỌN THIẾT BỊ.

2.1 Thiết kế sơ đồ nguyên lý.

* Bản vẽ thiết kế sơ đồ nguyên lí và sơ đồ cầu đấu bố trí các thiết bị như sau:

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý PLC – Biến tần.

Hình 2.2: Sơ đồ cầu đầu và bố trí thiết bị.

2.1.1 Sơ đồ đấu và bố trí thiết bị.

Bản vẽ thiết kế sơ đồ đấu và bố trí thiết bị bao gồm:

-Sơ đồ bố trí mặt phía trước và phía bên trong của tủ điều khiển.-Cảm biến lưu lượng

-Module chuyển đổi tín hiệu 4 – 20 mA sang 0 – 10 V

- Nguồn xung 24V – 5A,

b Mạch đèn báo, chuông báo sự cố:

- Nguồn cấp: 220V (01 – 02)

- Các tiếp điểm thường mở: KA1, KA2, KA3, KA4.

c Khối đấu nối PLC

- Chân cấp nguồn L1, N ( 120-240V) lấy nguồn 220VAC sau áp tô mát, đầu dây 01, 02

- Chân relay input:

+ Chân 1M chân chung đấu vào nguồn -24VDC đầu dây 04

+ DI.0, DI.1 nút bấm, chân DI.2, DI.3 chế độ tự động và chế độ bằng tay đấu vào nguồn +24VDC đầu dây 03

+ Chân DI.5 chân sự cố báo từ biến tần ra

- Chân relay output:

+ Chân 1L đấu vào nguồn +24VDC đầu dây 03

+ Chân DQ.0, DQ.2 đấu vào nguồn -24VDC đầu dây 04

- Chân AI (Analog input):

+ Chân 2M chân -24VDC nối vào đầu dây 04

+ Chân 11 đo từ cảm biến lưu lượng về, chân 12 đọc tần số từ biến tần về.Lưu ý: đầu AI của PLC chỉ đọc dải từ 0 – 10V

d Module SB1231AQ

- Module xuất tín hiệu analog, 0 – 10V hoặc 4 – 20mA

e Biến tần

- Đầu vào:

+ Chân cấp nguồn R(L1) đầu dây 01, T(L3) đầu dây 02

+ Chân S1, SC Cho phép động cơ chạy

+ Chân FS, FV,FC nối vào biến trở điều chỉnh tốc độ động cơ chế độ bằng tay.

- Đầu ra:

+ U(T1), V(T2), W(T3), đầu ra nối vào cầu đấu, đầu dây 22, 23, 24

+ MA, MB, MC báo lỗi, đấu ra đầu dây 10

+ AM đọc tần số từ biến tần, đấu ra đầu dây 12

2.2 Tính chọn và giới thiệu thiết bị

2.2.1.Tính chọn động cơ bơm.

Bơm là loại thiết bị được áp dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp,

dùng để vận chuyển chất lỏng chuyển động trong ống dẫn Bơm là loại thiết bị

chính cung cấp năng lượng cho chất lỏng để thắng trở lực trong đường ống khi

chuyển động, nâng chất lỏng lên độ cao nào đó, tạo lưu lượng trong thiết bị công nghệ,… Năng lượng của bơm được lấy từ các nguồn động năng khác

- Phân loại

+)Theo nguyên lý hoạt động, bơm được chia thành 3 nhóm sau

a Bơm thể tích: việc hút và đẩy chất lỏng ra khỏi bơm nhờ sự thay đổi thểtích không gian làm việc của bơm Do đó, thể tích và áp suất chất lỏngtrong bơm sẽ thay đổi- cung cấp năng lượng chất lỏng

b Bơm động lực: việc hút và đẩy chất lỏng ra khỏi bơm nhờ sự chuyểnđộng quay tròn của các bơm, khi đó động năng của quạt sẽ truyền vàochất lỏng tạo năng lượng cho dòng chảy

c Bơm khí động: việc hút và đẩy chảy lỏng ra khỏi bơm nhờ sự thay đổicủa áp suất dòng khí chuyển động trong bơm và tạo ra năng lượng chodòng chảy

Tính chọn động cơ bơm dưa theo nhu cầu lưu lượng và cột áp, để lựa chọn tính toán công suất cho 1 máy bơm nước thì cần đến 4 yếu tố quan trọng:

- Lưu lượng của máy bơm

- Cột áp của máy bơm

- Hút sâu của máy bơm

- Độ nhớt của dung dịch chất lỏng, độ ăn mòn chất lỏng

Dù là sản phẩm máy bơm nước của hãng nào đi chăng nữa thì các yếu tố trênrất cần thiết để tính toán lựa chọn 1 máy bơm nước để sử dụng sao cho hiệu quảnhất, giảm chi phí nhất Mỗi một động cơ bơm đều sẽ có một đường đặc tính riêng

và các thông số riêng và từ đường đặc tính và thông số đó ta có thể tính toán lựachọn công suất một cách chính xác nhất

Với bài toán điều khiển ổn định lưu lượng hệ thống bơm trong hệ PLC – Biếntần - Động cơ, ứng dụng bộ PID của PLC S7 1200, bài toán bơm nước lên bồnchứa của một nhà xưởng, với lưu lượng Q = 6.6 m3/h, chiều cao cột áp H = 10mCông suất máy bơm:

P = [Q*H*p]/[102*S] (2.1)

 P công suất trung bình (kW)

 Q lưu lượng nước bơm (m3/h)

 S hiệu suất bơm (0.8 – 0.9)

Lấy thêm hệ số dư tải cho động cơ = P*0.43 suy ra P bơm= 0.2250.43 =0.523(kW )

Chọn động cơ phù hợp với công suất bơm:

P đc =P bơm /δ (2.2)

- P đc công suất động cơ

- P công suất máy bơm

- δ hiệu suất động cơ (0.9−0.95)

Vậy; P đc= 0.5230.9 =0.58(kW)

Căn cứ vào kết quả tính toán, và yêu cầu của đề tài em chọn động cơ cócông suất lớn hơn hoặc bằng công suất tính toán Chọn động cơ ba pha có côngsuất 0.75kW của hãng KUOBAO, có thông số kỹ thuật:

Hình 2.3: Thông số kỹ thuật của bơm

+) Bộ kháng điện xoay chiều (AC reactor)

+) Bộ kháng điện một chiều (DC reactor)

+) Điện trở xả

- Nguyên lý hoạt động của biến tần:

+) Nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng bằng bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện

+) Điện áp 1 chiều ở trên sẽ được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng Ban đầu, điện áp 1 chiều được tạo ra sẽ được trữ trong giàn

tụ điện, điện áp một chiều này ở mức rất cao

+) IGBT thiết bị này có cổng cách điện hoạt động giống như công tắc bật tắt

và tắt cực nhanh để tạo dạng sóng đầu ra của biến tần thông qua trình tự kích hoạt IGBT của biến tần, một điện áp xoay chiều 3 pha sẽ được tạo ra bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM)

+) Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn hiện nay, tần sốchuyển mạch xung có thẻ lên tới dải tần số cao nhằm giảm tiếng ồn cho động cư vàgiảm tổn thất trên lõi sắt động cơ

Hiện nay biến tần được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, đóng vai trò rấtquan trọng như: điều khiển tốc độ cho tất cả các máy móc trong các ngành côngnghiệp ở nước ta như máy bơm, máy nghiền, máy kéo, máy tráng màng, cao su,sơn, dệt, nhuộm, đóng gói, cần trục, Và được sản suất bởi nhiều hãng khác nhauvới các tính năng khác nhau Một trong những hãng biến tần được sử dụng phổbiến tại Việt Nam là biến tần Omron Trong đồ án này, chúng em chọn dòng biếntần Omron 3G3MX

2.2.2.2 Giới thiệu biến tần Omron 3G3MX.

a Tổng quan về biến tần Omron 3G3MX

Khả năng làm việc an toàn và đơn giản, 3G3MX là dòng biến tần mới với thiết kếnhỏ gọn và có nhiều cải tiến về chức năng làm việc

Cải thiện nhiều chức năng, tích hợp Digital Dial với đèn LED hiển thị, hiệu suấtthi hành lệnh tăng-giảm tốc độ được cải thiện như việc tích hợp chức năng dừngkhẩn cấp

3G3MX đặc biệt thuận tiện cho việc lắp đặt cũng như thân thiện với người sửdụng Ứng dụng sản phẩm: cấp liệu, băng tải, dụng cụ gia công cơ khí-cắt gọt, cửa

và cổng tự động

An toàn với khả năng tự tìm lỗi: biến tần có bộ kiểm tra hoạt động với chức năngđảm bảo an toàn khi làm việc Ví dụ: nếu tốc độ quay của quạt giảm 50% thì nó sẽ

nhanh chóng báo động Bộ giám sát chương trình bên trong đo sự già hoá của tụđiện và bộ đếm giờ vận hành làm cho người vận hành có thời gian lên kế hoạch bảotrì, bảo dưỡng máy Chức năng bảo vệ và quá tải với hệ thống kiểm tra sự cố phasecho cả đầu vào và ra đảm bảo hoạt động không xảy ra hỏng hóc.

b Thông số kỹ thuật.

- Dải Công suất: 0.4 – 7.5kw

- Ngỏ ra tần số 0.1 - 400 Hz

- Điều khiển vector vòng hở

- Moment khởi động cao: 200% ở 1Hz

- Tiết kiệm năng lượng và điều khiển PID

- Dễ dàng cài đặt tần số bằng biến trở hoặc điều khiển đa cấp (8 cấp)

- Tích hợp sẳn RS-422/485

- Bảo vệ nhiệt cho động cơ

- Tự khởi động sau mất điện nhất thời

- Bàn phím điều khiển có thể tháo rời

- Lắp đặt, sử dụng dễ dàng, bảo trì thuận tiện

- Chống xung áp tức thời, Chức năng dừng khẩn cấp

- Đáp ứng tiêu chuẩn RoHS không sử dụng 6 chất độc hại trong sản phẩm(bảo vệ môi trường)

Hình 2.5: Biến tần Omron 3G3MX

c Sơ đồ tín hiệu vào/ra

- Cấp nguồn cung cấp vào các chân R/L1, S/L2, T/L3

- Kết nối động cơ vào các chân U, V, W

- Không được phép đấu ngược lại vì sẽ làm hư biến tần.

Hình 2.6a: Sơ đồ đấu nối biến tần Omron 3G3MX

Hình 2.6b: Sơ đồ đấu nối biến tần Omron 3G3MX Bảng 2.1 Các chân đấu nối tín hiệu vào/ra trên biến tần Omron 3G3MX

vào

U/T1, V/T2, W/T3 Đầu ra của biến tần Kết nối với động cơ

bằng ngắn mạch Loại

bỏ thanh ngắn mạch giữa +1 và P /+2 khi cuộn kháng được kết nối

P/+2, RB Đầu đấu điện trở phanh Kết nối điện trở phanh

tùy chọn

mặt đất để chống điện giật và giảm tiếng ồn.)

Kýhiệu

Tên và chức năng Mặc định Đặc điểm kỹ

Cung cấp đầu cực ngõ ra nguồn bên trong cho tín hiệu ngõ vào(output) tại nguồn logic

tới S6.

Những đầu dây gán thì tựđộng thay đổi khi sử dụng chức năng dừng khẩn cấp

Thời gian ON min là 12ms

bổ chúng cho các đầu P1

và P2

Tín hiệutần số đạtđược tạitốc độkhông đổi

27 V DC

50 mA max

- Đang hoạt động bất thường hoặc tắt nguồn:

MA-MC MởMB

Tín hiệu vào là điện áp xoay chiều một pha hoặc ba pha Bộ chỉnh lưu cónhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều

Bộ lọc có nhiệm vụ san phẳng điện áp một chiều sau chỉnh lưu

Nghịch lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều

có tần số có thể thay đổi được Điện áp một chiều được biến thành điện áp xoaychiều nhờ việc điều khiển mở hoặc khóa các van công suất theo một quy luật nhấtđịnh

Bộ điều khiển có nhiệm vụ tạo tín hiệu điều khiển theo một luật điều khiển nào

đó đưa đến các van công suất trong bộ nghịch lưu Ngoài ra nó còn có chức năngsau:

 Theo dõi sự cố lúc vận hành

 Xử lý thông tin từ người sử dụng

 Xác định thời gian tăng tốc, giảm tốc hay hãm

 Xác định đặc tính - momen tốc độ

 Xử lý thông tin từ các mạch thu thập dữ liệu

 Kết nối với máy tính.

Mạch kích là bộ phận tạo tín hiệu phù hợp để điều khiển trực tiếp các van côngsuất trong mạch nghịch lưu.Mạch cách ly có nhiệm vụ cách ly giữa mạch công suấtvới mạch điều khiển để bảo vệ mạch điều khiển

Màn hình hiển thị và điều khiển có nhiệm vụ hiển thị thông tin hệ thống nhưtần số, dòng điện, điện áp và để người sử dụng có thể đặt lại thông số cho hệthống

Các mạch thu thập tín hiệu như dòng điện, điện áp nhiệt độ biến đổi chúngthành tín hiệu thích hợp để mạch điều khiển có thể xử lý được Ngoài ra còn có cácmạch làm nhiệm vụ bảo vệ khác như bảo vệ chống quá áp hay thấp áp đầuvào Các mạch điều khiển, thu thập tín hiệu đều cần cấp nguồn, các nguồn nàythường là nguồn điện một chiều 5, 12, 15VDC yêu cầu điện áp cấp phải ổn định

Bộ nguồn có nhiệm vụ tạo ra nguồn điện thích hợp đó

d Chức năng các phím

Hình 2.7:Mặt điều khiển của biến tần

Bảng 2.2 Chức năng phím của biến tần

Đèn báo nguồn Sáng khi nguồn được cung cấp cho

mạch điều khiển

Đèn cảnh báo Sáng khi xảy ra lỗi biến tần

Đèn khởi động Sáng khi biến tần hoạt động.

Đèn chương trình Sáng khi giá trị đặt của mỗi chức

năng được hiển thị trên dữ liệu màn hình Nhấp nháy trong khi cảnh báo (khi giá trị đặt không chính xác)Màn hình hiển thị Hiển thị dữ liệu có liên quan, ví dụ

như tham chiếu tần số, dòng điện đầu ra, và đặt các giá trị

Đèn báo dữ liệu Sáng theo chỉ dẫn trên màn hình dữ

liệu Hz: Tần số A: Dòng điệnĐèn điều chỉnh

Phím RUN Kích hoạt Biến tần chỉ khả dụng khi

hoạt động qua tín hiệu số được chọn (Kiểm tra xem chỉ báo LED lệnh RUN có sáng không.)

Phím

STOP/RESET

Giảm tốc và dừng biến tần Chức năng như một phím đặt lại nếu một Lỗi biến tần xảy ra

Phím chế độ Chuyển đổi chế độ.

Phím Enter Nhập giá trị đã đặt (Để thay đổi giá

trị đã đặt, hãy nhớ nhấn phím Enter.)

Phím tăng dần Thay đổi chế độ Ngoài ra, tăng giá

trị đặt

Phím giảm dần Thay đổi chế độ Đồng thời, giảm

giá trị đặt

e Cài đặt thông số cho biến tần.

Dưới đây là những thông số cơ bản để cài đặt biến tần

Bảng 2.3 Thông số của biến tần

00

chuẩn

00: Điều khiển từ bàn phím (Bộ điều chỉnh FREQ)01: Đấu dây

02: Điều khiển số 03: Điều khiển thông qua truyền

00

thông ModBus10: Điều khiển thông qua kết quả hoạt động của tần số

chạy

01: Cổng số02: Điều khiển từ bàn phím

03: Thông qua truyền thông ModBus

02

đa cài đặt

60Hz

giữa FV/FI qua thiết bị đầu cuối AT

01: Hoạt động qua thiết bị đầu cuối

AT bị tắt

02: Chuyển đổi giữa bộ điều chỉnh FV/FREQ qua thiết

bị đầu cuối AT

03: Chuyển đổi giữa bộ điều chỉnh FI/FREQ qua thiết

bị đầu cuối AT

00

9 b021 Chọn giới hạn

quá tải

00: mất tác dụng01: cho phép khi tốc độ hoạt động tang hay không đổi02: cho phép khi tốc độ hoạt động không đổi

1(s)

hạn quá tải

00:đặt giá trị b02201:ngõ ra đầu cực FV

+A002 có giá trị cài đặt 01

+A004 có giá trị cài đặt 50hz

PLC (Programmable Logic Controller): Thiết bị điều khiển logic khả trìnhPLC, là loại thiết bị cho phép điều khiển linh hoạt các thuật toán điều khiến số thôngqua một ngôn ngữ lập trình, thay cho việc phải thể hiện mạch toán đó trên mạch số.Như vậy với chương trình điều khiển, PLC trở thành bộ điều khiển nhỏ gọn, dễ thayđổi thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh (với cácPLC khác hay với máy tính)

Để có thể thực hiện một chương trình điều khiển, PLC phải có tính năng nhưmột máy tính Nghĩa là phải có một bộ vi xử lí trung tâm (CPU), một hệ điều hành,một bộ nhớ chương trình để lưu chương trình cũng như dữ liệu và tất nhiên phải cócác cổng vào ra để giao tiếp với các thiết bị bên ngoài Bên cạnh đó, nhằm phục vụcác bài toán điều khiển số, PLC phải có các khối hàm chức năng như Timer, Counter,

Chương trình điều khiển PLC được soạn thảo dưới các dạng cơ bản (sẽ được trình bảy

ở phần sau) sẽ được nạp vào bộ nhở bên trong PLC, sau đó tự động thực hiện tuần tựtheo một chuỗi lệnh điều khiển được xác định trước

Hệ còn cho phép công nhân vận hành thao tác bằng tay các tiếp điểm, nútdùng khẩn cấp để đảm bảo tính an toàn trong các trường hợp xảy ra sụ cố.

 Vai trò của PLC

PLC đuợc xem như trái tim trong một hệ thống điều khiển tự động đơn lẻ vớichương trình điều khiển được chứa trong bộ nhớ của PLC, PLC thường xuyên kiểmtra trạng thái của hệ thống thông qua các tín hiệu hồi tiếp từ thiết bị nhập để từ đó cóthể đưa ra những tín hiệu điều khiển tương ứng đến các thiết bị xuất

PLC có thể được sử dụng cho những yêu cầu điều khiển đơn giản và được lập

đi lập lại theo chu kỳ, hoặc liên kết với máy tính chủ khác hoặc máy tính chủ thôngqua một kiểu hệ thống mạng truyền thông để thực hiện các quá trình xử lý phúc tạp

 Tín hiệu vào

Mức độ thông minh của một hệ thống điều khiển phụ thuộc chủ yếu vào khànăng của PLC để đọc được các dữ liệu khác nhau từ các cảm biến cũng như bằng cácthiết bị nhâp bằng tay

Tiêu biểu cho các thiết bị nhập bằng tay như: Nút ấn, bàn phím và chuyênmạch Mặt khác, để đo, kiểm tra chuyển động, áp suất, lưu lượng chất lòng PLCphải nhận các tín hiệu từ các cảm biến Ví dụ : Tiếp điểm hành trình, cảm biến quangđiện tín hiệu đưa vào PLC có thể là tín hiệu số (Digital) hoặc tín hiệu tương tự(Analog), các tín hiệu này được giao tiếp với PLC thông qua các Module nhận tín hiệuvào khác nhau khác nhau DI (vào số) hoặc AI (vào tương tự)

 Đối tượng điều khiển

Một hệ thống điều khiển sẽ không có ý nghĩa thực tế nếu không giao tiếpđược với thiết bị xuất, các thiết bị xuất thông dụng như : Môtơ, van, Rơle, đèn báo,chuông điện, cũng giống như thiết bị nhập, các thiết bi xuất được nối đến các đầu racủa Module ra (Output) Các Module ra này có thể là DO (Ra số) hoặc AO (ra tươngtự)

Cấu tạo của PLC

Thiết bị điều khiển lập trình PLC bao gồm khối xử lý trung tâm (CPU) trong

đó có chứa chương trình điều khiển và các Module giao tiếp vào/ra có nhiệm vụ liênkết trực tiếp đến các thiết bị vào/ra, sơ đồ khối cấu tạo PLC

 Khối xử lý trung tâm :

Là một vi xử lý điều khiển tất cả các hoạt động của PLC như: Thực hiệnchương trình, xử lý vào/ra và truyền thông với các thiết bị bên ngoài

 Bộ nhớ:

Có nhiều các bộ nhớ khác nhau dùng để chứa chương trình hệ thống là một phầnmềm điều khiển các hoạt động của hệ thống, sơ đồ LAD, trị số của Timer, Counterđược chứa trong vùng nhớ ứng dụng, tùy theo yêu cầu của người dùng có thể chọn các

 Bộ nhớ EEPROM:

Kết hợp hai ưu điểm của RAM và EPROM, loại này có thể xóa và nạp bằng tínhiệu điện Tuy nhiên số lần nạp cũng có giới hạn

Ưu điểm của hệ điều khiển PLC

Sự ra đời của hệ điều khiển PLC đã làm thay đổi hẳn hệ thống điều khiểncũng như các quan niệm thiết kế về chúng, hệ điều khiển dùng PLC có nhiều ưu điểmnhư sau:

 Giảm 80% số lượng dây nối

 Công suất tiêu thụ của PLC rất thấp

 Có chức năng tự chuẩn đoán do đó giúp cho công tác sửa chữa được nhanhchóng và dễ dàng

 Chức năng điều khiển thay đổi dễ dàng bằng thiết bị lập trình (máy tính, mànhình) mà không cần thay đổi phần cứng nếu không có yêu cầu thêm bớt cácthiết bị xuất nhập

 Số lượng Rơle và Timer ít hơn nhiều so với hệ điều khiển cổ điển

 Số lượng tiếp điểm trong chương trình sử dụng không hạn chế

 Thời gian hoàn thành một chu trình điều khiển rất nhanh (vài ms) dẫn đến tăngcao tốc độ sản xuất

 Chi phí lắp đặt thấp

 Độ tin cậy cao

 Chương trình điều khiển có thể in ra giấy chỉ trong vài phút giúp thuận tiện cho

vẩn đề bảo trì và sửa chữa hệ thống.

Ứng dụng của hệ thống điều khiển PLC

· Từ các ưu điểm nêu trên, hiện nay PLC đã được ứng dụng trong rất nhiều lĩnhvực khác nhau trong công nghiệp như :

- Hệ thống nâng vận chuyển

- Dây chuyền đóng gói

- Các ROBOT lắp ráp sản phẩm

- Điều khiển bơm

- Dây chuyền xử lý hoá học

- Công nghệ sản xuất giấy

- Dây chuyền sản xuất thuỷ tinh

- Sản xuất xi măng

- Công nghệ chế biến thực phẩm

- Dây chuyền chế tạo linh kiện bán dẫn

- Dây chuyền láp giáp Tivi

- Điều khiển hệ thống đèn giao thông

- Quản lý tự động bãi đậu xe

- Hệ thông báo động

- Dây truyền may công nghiệp

- Điều khiển thang máy

- Dây chuyền sản xuất xe ôtô

- Sản xuất vi mạch

- Kiểm tra quá trình sản xuât

- Các hệ thống trong dây chuyền sản xuất đồ uống

- Ngoài ra còn rất nhiều ứng dụng trong cuộc sống

Hệ thống điều khiển PLC

PLC(Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển lập trình được thiết kế chuyên nghiệp dùng trong công nghiệp để điều khiển các tiến trình xử lý từ đon giản đến phức tạp Một PLC gồm một bộ xử lý trung tâm, bộ nhớ để lưu trữ

chuơng trình ứng dụng và những module giao tiếp nhập xuất

Hình 2.1 Cấu trúc cơ bản của PLCHoạt động của PLC cũng khá đơn giản trước tiên, hệ thống các công và ra

(Input/Output) dùng để đưa các tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi vào ra CPU (sensor,contract, tín hiệu từ động cơ, ), sau đó CPU sẽ xử lý và đưa ra tín hiệu điều khiển qua module xuất ra các thiết bị điều khiển

*Ưu điểm của PLC:

-Tiết kiệm chi phí

-Kích thước gọn nhẹ

-Sửa chữa dễ dàng, nhanh chóng, chỉ cần lắp đặt một lần

-Độ tin cậy cao

-Truyền thông với PLC hay mạng máy tính giúp cho việc trao đổi thông tin dễ dàng.-Có khả năng hiển thị đồ họa trên hệ thống

Quy trình thiết kế chương trình điều khiển dùng PLC được biểu diễn bằng

sơ đồ sau:

Hình 2.2: Sơ đồ quy trình thiết kế hệ thống điều khiển bằng PLC

Giới thiệu một số loại PLC-trong công nghiệp

Ngày nay cùng với Khoa học kỹ thuật phát triển có rất nhiều hãng sản xuấtcác loại PLC với nhiều loại mẫu mã kích thước với nhiều dòng sản phẩm Có thể kểđến một số hãng như:

 PLC Siemens của Cong hòa Liên bang Đức sản xuất với các dòng: S7-200,S7-300, S7-1200, S7-1500

 PLC Omron của Nhật Bản sản xuất với các dòng: CPM1A, CPM2A, CPM2C,CP1E, CP1L

 PLC Mitsubishi của Nhật Bản sản xuất với các dòng: FX1N, FX1S, FX2N,FX3U, FX3G

* Kết luận: Sau khi tìm hiểu về các loại PLC thì để đáp ứng được các yêu cầu của

đề tài đồ án, chúng em chọn sử dụng PLC S7-1200 trong đề tài lần này do PLC S7-1200 vừa đáp ứng được đầy đủ đầu đấu các tín hiệu vào/ra cũng như phù hợp với kinh phí thực hiện đề tài đồ án lần này.

2.2.3.2 Giới thiệu về PLC S7-1200

Giới thiệu chung

Năm 2009, Siemens ra dòng sản phẩm S7-1200 dùng để thay thế dần choS7-200 So với S7-200 thì S7-1200 có những tính năng nổi trội:

S7-1200 là một dòng của bộ điều khiển logic lập trình (PLC) có thể kiểmsoát nhiều ứng dụng tự động hóa Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, và một tập lệnhmạnh làm cho chúng ta có những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụngvới S7-1200, bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn,các đầu vào/ra (DI/DO)

Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU vàchương trình điều khiển:

 Tất cả các CPU đều cung cấp bảo vệ bằng password chống truy cập vàoPLC

 Tính năng “Know-how protection” để bảo vệ các block đặc biệt củamình S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet vàTCP/IP Ngoài ra bạn có thể dùng các Module truyền thông mở rộng kếtnối bằng RS485 hoặc RS232

Phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 hỗ trợ 3 ngôn ngữ lập trình làFBD, LAD và SCL Phần mềm này được tích hợp trong TIA Portal 14 củaSiemems

Vậy để làm một dự án với S7-1200 chỉ cần cài TIA Portal V14 phần mềmnày đã bao gồm cả môi trường lập trình cho PLC và thiết kế giao diện HMI.

a Các model phổ biến của dòng PLC S7 1200

PLC S7 1200 bao gồm 5 phiên bản với nhiều tùy chọn cho người dùng (CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C, CPU 1215C, CPU 1217C)

Các kiểu CPU khác nhau cung cấp một sự đa dạng các tính năng và dung

lượng giúp cho người dùng tạo ra các giải pháp có hiệu quả cho nhiều ứng dụngkhác nhau

Dưới đây là thông số kỹ thuật của các model của dòng PLC S7 – 1200

Bảng 2.5:Thông số kỹ thuật của một số model phổ biến của dòng PLC S7 1200

1211C

CPU 1212C

CPU 1214C

CPU 1215C

CPU 1217C

Kích thước vật lý

110 x

100 x 75

130 x

100 x 75

150 x

100 x 75

75 Kbytes

100 Kbytes

125 Kbytes

150 Kbytes

Lưu giữ 10 Kbytes

8 đầu vào/6 đầu ra

14 đầu vào/10 đầu ra