Bài tập lớn PLC S7200

Xây dựng hệ thống cung cấp nước điều khiển theo áp suất đường ống dùng PLC điều khiển bằng biến tần.Ứng dụng rất quan trọng của ngành công nghệ tự động hóa là việc điều khiển, giá sát các hệ thống với những thiết bị điều khiển từ xa rất tinh vi và đạt được năng suất, kinh tế thật cao

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, con người cùng với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến của thế giới, chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn

Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ…là những yếu tố rất cần thiết góp phần cho hoạt động của con người đạt hiệu quả ngày càng cao hơn

Tự động hóa đang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ Tự động hóa đã đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng của các ngành, lĩnh vực khác nhau cho đến nhu cầu thiết yếu của con người trong cuộc sống hàng ngày Một trong những sản phẩm tiên tiến của nó là PLC Ứng dụng rất quan trọng của ngành công nghệ tự động hóa là việc điều khiển, giá sát các hệ thống với những thiết bị điều khiển từ xa rất tinh vi và đạt được năng suất, kinh tế thật cao

Xuất phát từ những ứng dụng đó, chúng em xin phép được thiết kế một mạch ứng

dụng của PLC, biến tần đó là “xây dựng công nghệ cung cấp nước điều khiển theo

áp suất trên đường ống” dùng PLC điều khiển biến tần

Đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trong khoa

điện, cùng các bạn trong lớp TĐH2 K5 đặc biệt là giảng viên Nguyễn Thu Hà - giảng

viên khoa điện trường ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI người đã trực tiếp giảng dạy và cho em kiến thức để hoàn thành đồ án môn học này Mong cô góp ý để em hoàn thành bài tập lớn này được tốt hơn sau này

Em xin chân thành cảm ơn !

CHƯƠNG 1:CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1.Mục đích của đề tài

Mục tiêu của đề tài là ổn định áp suất trong đường ống ở một ngưỡng đặt trước thông qua sự điều khiển của PLC đối với biến tần, hệ thống bơm dựa trên tín hiệu mà cảm biến áp suất trong đường ống đưa về

1.2 Phương pháp đo.

1.2.1 Phương pháp đo áp suất

1.2.1.1 Định nghĩa: Áp suất là đại lượng có giá trị bằng tỉ số giữa lực tác dụng vuông

góc lên một mặt với diện tích của nó

1.2.1.2 Nguyên lý đo áp suất

Đối với chất lưu không chuyển động, áp suất chất lưu là áp suất tĩnh Do vậy, đo áp suất chất lưu thực chất là xác định lực tác dụng lên một diện tích thành bình

Đối với chất lưu không chuyển động chứa trong một ống hở đặt thẳng đứng, áp suất tĩnh tại một điểm M cách bề mặt tự do một khoảng h được xác định theo công thức:

p = p0 + ρghTrong đó: p0 là áp suất khí quyển

ρ: khối lượng riêng của chất lưu

g: gia tốc trọng trường

Trong cách đo thứ nhất, phải sử dụng một cảm biến đặt sát thành bình Trong trường hợp này, áp suất cần đo được cân bằng với áp suất thủy tĩnh do cột chất lỏng mẫu tạo nên hoặc tác động lên một vật trung gian có phần tử nhạy cảm với lực do áp suất gây ra Khi

sử dụng vật trung gian để đo áp suất, cảm biến thường trang bị thêm bộ phận chuyển đổi điện

Trong cách đo thứ hai, người ta gắn lên thành bình các cảm biến đo ứng suất để đo biến dạng của thành bình

Đối với chất lưu chuyển động, áp suất chất lưu (p) là tổng áp suất tĩnh (pt) và áp suất động (pđ): p = pt + pđ

Áp suất tĩnh tương ứng với áp suất gây nên khi chất lỏng không chuyển động Áp suất động do chất lưu chuyển động gây nên và có giá trị tỷ lệ với bình phương vận tốc chất lưu :

Khi dòng chảy va đập vuông góc với một mặt phẳng, áp suất động chuyển thành áp suất tĩnh, áp suất tác dụng lên mặt phẳng là áp suất tổng Do vậy áp suất động được đo thông qua chênh lệch giữa áp suất tổng và áp suất tĩnh Thông thường việc đo hiệu áp suất (p - pt) thực hiện nhờ hai cảm biến nối với hai đầu ra của một ống Pitot (như hình vẽ bên dưới), trong đó cảm biến (1) đo áp suất tổng, cảm biến (2) đo áp suất tĩnh

Hình 1.1 Nguyên lý đo áp suất

Có thể đo áp suất động bằng cách đặt áp suất tổng lên mặt trước và áp suất tĩnh lên mặt sau của một màng đo, như vậy tín hiệu do cảm biến cung cấp chính là chênh lệch giữa áp suất tổng và áp suất tĩnh

- PLC đặt biệt sử dụng trong các ứng dụng hoạt động logic điều khiển chuổi sự kiện

- PLC có đầy đủ chức năng và tính toán như vi xử lý Ngoài ra, PLC có tích hợp thêm một số hàm chuyên dùng như bộ điều khiển PID, dịch chuyển khối dữ liệu, khối truyền thông,…

- PLC có những ưu điểm:

+ Có kích thước nhỏ, được thiết kế và tăng bền để chịu được rung động, nhiệt, ẩm

và tiếng ồn, đáng tin cậy

+ Rẻ tiền đối với các ứng dụng điều khiển cho hệ thống phức tạp

+ Dễ dàng và nhanh chống thay đổi cấu trúc của mạch điều khiển

+ PLC có các chức năng kiểm tra lỗi, chẩn đoán lỗi

+ Có thể nhân đôi các ứng dụng nhanh và ít tốn kém

Cấu trúc bên trong của PLC

Hình 1.2 Cấu trúc bên trong của PLC

Một hệ thống lập trình cơ bản phải gồm có 2 phần: Khối xử lý trung tâm(CPU: Central Processing Unit) và hệ thống giao tiếp vào/ra ( I/O)

b Giới thiệu về PLC S7-200 CPU224 AC/DC/RELAY

Với đề tài này em sử dụng PLC S7-200 CPU224 AC/DC/RELAY Thông tin: - Nguồn cấp: 85-264VAC 47-63Hz

- Kích thước: 120.5mm x 80mm x 62mm

- Dung lượng bộ nhớ chương trình: 4096 words

- Dung lượng bộ nhớ dữ liệu: 2560 words

- Bộ nhớ loại EEFROM

- Chương trình đƣợc bảo vệ bằng Password

- Toàn bộ dung lƣợng nhớ không bị mất dữ liệu 190 giờ khi PLC bị mất điện

-Xuất sứ: Siemens Germany

-CPU được cấp nguồn 220VAC.Tích hợp 14 ngõ vào số (mức 1 là 24Vdc, mức 0 là 0Vdc) 10 ngõ ra dạng relay

™ Mô tả các đèn báo trên S7-200:

- SF (đèn đỏ): Đèn đỏ SF báo hiệu khi PLC có hỏng hóc.

- RUN (đèn xanh): Đèn xanh sáng báo hiệu PLC đang ở chế độ làm việc và thực hiện

chương trình nạp ở trong máy

STOP (đèn vàng): Đèn vàng sáng báo hiệu PLC đang ở chế độ dừng, không

thực hiện chương trình hiện có

- Ix.x (đèn xanh)chỉ trạng thái logic tức thời của cổng Ix.x Đèn sáng tương ứng

mức logic là 1

- Qx.x (đèn xanh): chỉ trạng thái logic tức thời của cổng Qx.x Đèn sáng tương

ứng mức logic là 1.

Cách đấu nối ngõ vào ra PLC:

Hình 1.3 Cách đấu nối ngõ vào PLC Cách đấu nối S7-200 và các module mở rộng:

- S7-200 và module vào/ra mở rộng được nối với nhau bằng dây nối Hai đầu dây nối được bảo vệ bên trong PLC và module.Chúng ta có thể kết nối PLC và module sát nhau

để bảo vệ hoàn toàn dây nối CPU224 cho phép mở rộng tối đa 7 module

• Bộ lọc đầu vào input –3Db tới 3.1Khz.

• Điện áp cung cấp cho module: 30VDC

• Dòng điện cung cấp cho module: 32mA

• Các LED báo trạng thái

• Cần dùng chuẩn OFFSET vào chuẩn hóa lối ra (GAIN)

1.2.3.2 Ngõ vào

•Phạm vi điện áp ngõ vào: +/- 10V

•Phạm vi dòng điện ngõ ra: 0 -> 20mA

•Các bộ chuyển hóa ADC, DAC (12 bit)

•Thời gian chuyển hóa từ analog sang digital : <250µs.Đầu vào của tín hiệu tổng tới : 1.5ms đến 95%

• Chuẩn hóa Mode chung: Điện áp vào cung cấp cho Mode chung nhỏ hơn hoặc bằng 12V

• Kiểu dữ liệu đầu vào input:

 Kiểu không dấu từ 0 đến 32000,

• Kiêu dữ liệu vào ra:

 Kiểu dữ kiệu không dấu: từ 0 đến 32000

 Kiểu dữ kiệu có dấu : từ –32000 đến 32000

• Thời gian gửi tín hiệu đi:

 Điện áp: 100us

 Dòng điện: 2ms

Sơ đồ kết nối với các thiết bị ngoại vi, sử dụng theo điện áp vào đóng.

Hình 1.4 Cách đấu dây cho Modul mở rộng

Có các công tắc (switch) để lựa chọn phạm vi ngõ vào (contact ở một trong hai vị trí ON

và OFF) Contact 1 lựa chọn cách tính áp ngõ vào: ON nối với áp đơn cực , OFF nối với

áp lưỡng cực; contact 2, 3, 4, 5, 6 chọn phạm vi điện áp

Với đề tài này em sử dụng Module EM235

Switch chọn chuẩn điện áp hoặc dòng ngõ vào nối với module EM 235.

Hình 1.5 Điện áp và dòng nối với Module EM235

Switch chọn chuẩn hóa lỗi, đơn cực hoặc lưỡng cực vào suy giảm (attenuation)

Hình 1.6 Switch chọn chuẩn hóa lỗi, đơn cực hoặc lưỡng cực vào suy giảm (attenuation)

Sơ đồ khối các ngõ vào của EM 235

Hình 1.7 Sơ đồ khối các ngõ vào của EM 235

12 bit dữ liệu bên trong word ngõ ra analog của CPU như sau:

12 bit dữ liệu trước khi ngõ vào bộ chuyển hĩa DAC được canh trái nếu (left justified) trong word dữ liệu ngõ ra Bit MSB là bit dấu: “0” diễn tả giá trị từ dữ liệu đĩng 4 bit tháp có giá trị 0 được loại bỏ trước khi từ dữ liệu này được đưa vào bộ chuyển hĩa DAC, các bit này không ảnh hưởng đến giá trị ở ngõ ra

Các chú ý khi cài ngõ ra analog.

 Chắc chắn rằng nguồn 24VDC cung cấp khơng bị nhiễu

 Xác định dịng nuơi Module

 Đường dây cảm biến ngắn nhất cĩ thể

Tránh nối các dây tín hiệu song song với dây cĩ năng lượng cao Nếu hai dây bắt buộc phải gặp nhau thì bắt chéo chúng vào gĩc bên phải.

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1 Lựa chọn thiết bị

2.1.1 Biến tần MM440

Với mô hình này em sử dụng biến tần MM440 của siemens

Thông số của MM440

- Tên : MICROMASTER 440

- Đầu vào: 3AC 380-480 V +10/-10%, 47-63 HZ

- Đối với điện áp vào 1 pha: 200V - 240V

• Có tích hợp bộ điều khiển PID

• Có chức năng hãm DC, hãm tổ hợp và hãm bằng điện trở hay hảm động năng

Hình 2.1 Thi t l p bi n t n ế ậ ế ầ MM440 của siemens 2.1.2 Chọn Cảm biến đo áp suất.

Đề tài này em sử dụng cảm biến Đo áp suất dải đo 0 ~ 5Bar Nhà sản suất: Wise.Thông số kỹ thuật:

Hình 2.2 cảm biến Đo áp suất dải đo 0 ~ 5Bar 2.1.3 Chọn động cơ.

 Với đề tài này em chọn động cơ không đồng bộ có thông số sau:

Động cơ không đồng bộ 3 pha Vihem 0.37KW

• Hãng sản xuất: VIHEM

• Xuất xứ: Vietnam

• Công suất (kW): 0.37

• Momen đầu trục cực đại (Nm): 0

2.2 Xây dựng sơ đồ khối và sơ đồ đấu dây

2.2.1 Sơ đồ khối

Hình 2.3 Sơ đồ khối

Quá trình điều khiển chủ yếu được thực hiện từ PLC PLC nhận tín hiệu analog từ cảm biến áp suất (được gắn trên đường ống chính) đưa về, sau khi PLC sử lý tín hiệu đó bằng logic, PLC sẽ ra quyết định điều khiển biến tần bằng tín hiệu analog ở ngõ ra; biến tần sẽ tự động thay đổi tần số theo tín hiệu analog

đó, từ đó thay đổi tốc độ bơm, vì thế việc khống chế áp lực trên đường ống trở nên

dễ dàng hơn nhiều

- Bộ điều khiển PLC: CPU 224 AC-DC-Relay và Module Analog EM 235 của Siemens, Module Analog EM 235 dùng để nhận tín hiệu từ cảm biến áp suất chuyển đổi tín hiệu đưa về PLC để xử lý, sau khi xử lý xong thì Modul Analog EM 235 sẽ nhận tín hiệu từ PLC để điều khiên biến tần MM440

- Cảm biến áp suất wise 0~5 bar ngõ ra 4-20mA đo áp suất đường ống và chuyển đổi

để đưa về CPU của S7-200

Ta dùng cổng truyền thông RS485 để kết nối giữa PLC và máy tính

Nhưng do cổng truyền thông của máy tính là RS232 lên do đó cần phải có một

bộ chuyển đổi từ chuẩn RS-232 sang chuẩn RS-485 của PLC.

2.2.2 Sơ đồ đấu dây

Hình 2.4 Sơ đồ đấu dây của hệ thống 2.3 Xây dựng thuật toán.

Thuật toán chương trình điều khiển áp suất như sau:

Hình 2.5 Sơ đồ thuật toán 2.4 Xây dựng phần mềm

Lập trình trên phần mềm Step 7 MicroWin 4.0

Q0.3 Binh_thuong Đèn báo áp suất bình thườngQ0.4 Bom_phu Đầu ra contactor điều khiển bơm phụ

CHƯƠNG TRÌNH CHÍNH

Chương trình con ADC

Chương trình con DAC

2.5 Cài đặt thong số biến tần MM440

 Sau khi đưa tín hiệu PLC vào biến tần Ta tiến hành cài đặt một số thông số của

nó, điều khiển tốc độ máy bơm nước 1, nhằm ổn định áp suất trên đường ống

 Đưa tín hiệu tương tự AQW0 vào đầu vào analog số 1 (+), chân số 3 của Biến tần

 Cài đặt thông số cho biến tần điều chỉnh tốc độ máy bơm

• P0300 = 1( Động cơ không đồng bộ)

• P0304 = điện áp định mức động cơ (V)

• P0305 = dòng điện định mức động cơ (A)

• P0307= công suất định mức động cơ( kW hoặc hp) Nếu P0100=0 hoặc 2 là

kW, nếu P0100=1 là hp

• P0308 =hệ số cos ϕ định mức của động cơ.

• P0309= hiệu suất định mức động cơ (%)

• P1120 = 10s (thời gian tăng tốc)

• P1121 = 10s (thời gian giảm tốc)

P0756 = 0( đầu vào tương tự ADC kiểu điện áp đơn cực từ 0–10V)

2.6 S7 200 PC Access

PC Access là một OPC Server dành riêng cho PLC Simatic S7-200 PC Access

có thể làm việc với bất kỳ chuẩn OPC Client như : Excel Client, Protool/Pro Client, Visual Basic Client S7-200 PC Access giúp cho việc thiết lập và xác định cấu hình của mạng làm việc một cách dễ dàng và đơn giản

Những tiện ích của PC ACCESS :

-Tích hợp bảng biểu tượng Micro/Win bao gồm biểu tượng nhận xét

-Làm đơn giản giao diện người dùng (User Interface) giúp cho việc cài đặt và xác định cấu hình nhanh chóng

-Time Stamp cho biết thời gian mỗi tag được cập nhật

-Sự cải tiến trong việc chọn lựa Chẳng hạn như việc thông báo giới hạn trên (Hight) và dưới (Low)

-Có thể làm việc với tất cả các kiểu dữ liệu của PLC S7-200

-Không hạn chế số lượng Item được đọc hay viết

• PC Access cung cấp phương thức để những bộ điều khiển nhỏ có thể cải tiến

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ ĐỀ TÀI3.1 Kết quả lý thuyết

- Đề tài này đã giúp chúng em hiểu thêm được về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, ứng dụng … của:

- Hiểu thêm một số phần mêm: wincc7.0, Step 7 MicroWin,….

- Hiểu được nguyên tắc lập trình điều khiển áp suất trên đường ống dùng lập trình PLC.

-Đưa ra được lưu đồ giải thuật và sơ đồ khối.