Đo, điều khiển, cảnh báo lưu lượng trên đường ống sử dụng PID của S71200

Cần file mềm chạy chương trình liên hệ 0962067285Tự 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 .

MỤC LỤC 1

LỜI NÓI ĐẦU 3

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

1.1 Mục đích của để tài 4

1.2 Phương pháp đo 4

1.2.1 Khái quát 4

1.2.2 Các phương pháp đo lưu lượng 4

1.2.3 Kỹ thuật về phương pháp đo lưu lượng kế tần số dòng xoáy 5

1.3 Tổng quan về PLC S7-1200 8

1.3.1 Các dòng sản phẩm của SIEMENS 10

1.3.2 Cấu hình và điều hành SIMATIC S7-1200 10

1.3.2.1 Signal boards 11

1.3.2.2 Signal modules 11

1.3.2.3 Các mođun truyền thông 11

1.3.3 Những đặc điểm nổi bật của Simatic S7 – 1200 11

1.3.3.1 Thiết kế dạng Module 12

1.3.3.2 Phạm vi ứng dụng của Simatic S7 1200 12

1.3.3.3 Các chức năng nổi bật của CPU 1215C 14

1.3.3.4 Sơ đồ đấu dây PLC CPU 1215C DC/DC/DC 14

1.3.3.5 Board tín hiệu của S7-1200 14

1.3.3.6 Modules mở rộng tín hiệu vào/ra 15

1.3.3.7 Module Analog 16

1.3.3.8 Module truyền thông 16

1.3.3.9 Thẻ nhớ 17

1.3.3.10 Các module khác 17

1.3.4 Nguyên lý hoạt động 18

1.3.4.1 Cấu trúc 18

1.3.4.2 Hệ thống và PID, High speed counters (HSC) trong PLC S7-1200 19

CHƯƠNG 2: THỰC HIỆN BÀI TOÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỂU KHIỂN 21

2.1 Phân tích yêu cầu công nghệ 21

2.2 Lựa chọn thiết bị cụ thể 21

2.3 Bảng địa chỉ cho các biến vào ra 38 2.4 Sơ đồ khối, sơ đồ đấu dây 38 2.4.1 Xây dựng thuật toán và viết chương trình 40

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 năngsuất, kinh tế thật cao

Xuất phát từ những ứng dụng đó, chúng em xin phép được thiết kế một mạch ứng dụng PLC S7-1200 của SIEMENS thực hiện bài toán đo, điều khiển, cảnh báo lưu lượng nước trong ống dẫn

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 Điện 2-K10 đặc biệt là giảng viên Phạm Văn Hùng - 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 thầy góp ý để em hoàn thành bài tập lớn này được tốt hơn sau này

Em xin chân thành cảm ơn !

Mục đích của đề tài là: “ Ứng dụng PLC S7-1200 của SIEMENS thực hiện bài toán đo, điều khiển, cảnh báo lưu lượng nước trong ống dẫn” ở một ngưỡng đặt trước thông qua sự điều khiển của PLC đối với biến tần Hệ thống bơm dựa trên tín hiệu cảm biến lưu lượng trong đường ống đưa về Có giám sát quan HMI

+ Để trực tiếp thể tích chất lưu chảy qua công tơ trong một khoảng thời gian xác định ∆t+ Đo vận tốc chất lưu chảy qua công tơ khi lưu lượng là hàm của vận tốc

+ Đo độ giảm áp qua tiết diện thu hẹp trên dòng chảy, lưu lượng là hàm phụ thuộc vào độ giảm áp

Tín hiệu đo biến đổi trực tiếp thành tín hiệu điện nhờ bộ chuyển đổi điện thích hợp

1.2.2 Các phương pháp đo lưu lượng

+ Lưu lượng kế cơ khí: lưu lượng kế cánh quạt-tuabin (Turbine flowmeters), lưu lượng kế phao nổi (Variable-area flowmeters), lưu lượng kế bản chắn (Palette flowmeters)

+ Lưu lượng kế điện từ (Electro-magnetic flowmeters)

+ Lưu lượng kế tần số dòng xoáy

+ Lưu lượng kế khối lượng nhiệt

ngược nhau.

Hình 17.3 Dòng xoáy xuất hiện sau vật cản

Tần số sự biến mất của dòng xoáy (và cả sự xuất hiện) là một hiệu ứng dùng

để đo lưu lượng tính bằng thể tích Liên hệ giữa kích thước hình học vật cản, vậntốc lưu chất v và tần số biến mất của dòng xoáy f- tần số dòng xoáy được diễn tả

Hình 17.4 Phương pháp đo lưu lượng bằng dòng xoáy

Với điều kiện hằng số Strouhal S không phụ thuộc vào trị số Reynold ta có thể tích lưu lượng theo thể tích trên đơn vị thời gian được tính:

Q = 1 b.A f S

v

v

cản được trình bày dưới đây:

Hình 17.5 Hình dáng một số vật cản

Hình dáng của vật cản phải được cấu tạo sao cho trong một khoảng trị sốReynold khá rộng mà trị số Strouhal vẫn là hằng số Với vật cản có hình dạnglăng kính, ta có trị số S khá ổn định trong suốt một dải trị số Reynold khárộng do vậy các thiết bị đo được bán trên thị trường thường có vật cản hìnhlăng kính Tần số dao động của vận tốc có thể được đo với nhiều phươngpháp khác nhau Cũng có thể đo sự dao động áp suất với màng sọc co giãnhoặc đo các dòng xoáy với sóng siêu âm Lực tác dụng lên vật cản có hướng

thẳng góc vớidòng chảy và trục của vật cản và được đo bằng các cảm ứng áp điện

b) Đặc điểm của phương pháp đo lưu lượng bằng tần số dòng xoáy:

- Phương pháp này rất kinh tế và có độ tin cậy cao Tần số dòng xoáykhông bị ảnh hưởng bởi sự dơ bẩn hay sự hư hỏng nhẹ của vật cản Đườngbiểu diễn của nó tuyến tính và không thay đổi theo thời gian sử dụng Sai sốphép đo rất bé Khoảng đo lưu lượng tính bằng thể tích từ 3 đến 100%.Một tính chất rất đặc biệt của phép đo bằng dòng xoáy là nó độc lập vớicác tính chất vật lý của môi trường dòng chảy Sau một lần chỉnh định, sau đó

ta không cần chỉnh định lại với từng loại lưu chất

Một ưu điểm nữa là các thiết bị đo lưu lượng bằng dòng xoáy không có

bộ phận cơ học chuyển động và sự đòi hỏi về cấu trúc khá đơn giản

- Lưu lượng kế kiểu xoáy được dùng để đo các lưu chất là chất lỏng, khí

và hơi (trừ các lưu chất có độ nhớt quá lớn) với độ chính xác tương đối cao:

Hình 17.6 Lưu lượng kế kiểu xoáy YEWFLO

Cấu trúc của lưu lượng kế này như hình 17.7:

Chiều dòng chảy

Thanh tạo xoáy sẽ tạo ra các lực nâng có ứng suất thay đổi Tần số của các

thay đổi về ứng suất này tức là tần số xoáy sẽ được phát hiện bởi các thành phần

áp điện được hàn kín trong trong thanh tạo xoáy Có 2 thành phần áp điện để

phân biệt các lực tạo ra bởi xoáy và các lực tạo ra do những yếu tố khác Chúng

có nhiệm vụ chuyển đổi các lực xoáy thành các tín hiệu điện được đưa tới bộ

chuyển đổi để xử lý Những thành phần này được đặt trong thanh tạo xoáy và

không tiếp xúc với lưu chất như hình 17.8:

Cảm biến

Phần tiếp xúc với lưu chất

Hình 17.8 Cấu tạo của cảm biến áp điện đo lực tạo xoáy.

1.3 Tổng quan về PLC S7-1200

PLC viết tắt của Programmable Logic Controller là thiết bị điều khiển lập trình được cho phép thực hiện linh hoạt các thực toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện môt loạt trình tự các sự kiện Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích tác động vào plc hoặc qua các hoạt động có trễ nhưthời gian định kì hay thời gian được đếm Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật

ON hay OFF các thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý Một bộ điều

khiển lập trình sẽ liên tục lặp trong chương trình do người sử dụng lập ra chờ tín hiệu ở

ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ra tại các thời điểm đã lập trình Để khắc phục những

Điện cực

nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối, người ta đã chế tao bộ điều khiển plc nhẳm thoả mãn các yêu cẩu sau:

+Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học

+Gọn nhẹ, dễ bảo quản, sửa chữa

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

+Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp

+Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như máy tính, nối mạng, các module mởrộng

Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay cho các phần cứng Relay dây nối và các logic thời

gian Tuy nhiên bên cạnh đó việc đòi hỏi tăng cường dung lượng nhớ và tính dễ dàng cho PLC mà vẫn đảm bảo tốc độ xử lí cũng như giá cả… Chính điều này đã tạo ra sự quan

tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong công nghiệp, các tập lệnh nhanh chóng đi từ các lệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm, định thời, thanh ghi dịch…Sự phát triển các máy

tính dẫn đến các bộ PLC có dung lượng lớn, số lượng I/O nhiều hơn Trong PLC phần

cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trình điều khiển và sử lí hệ thống,

chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ được xác định bằng một chương trình

Chương trình này sẽ được nạp sẵn vào bộ nhớ của PLC, PLC sẽ thực hiện việc điều khiển dựa vào chương trình này Như vậy nếu muốn thay đổi hay mở rộng chức năng của quy

trình công nghệ Ta chỉ cần thay đổi chương trình bên trong bộ nhớ PLC Việc thay đổi

hay mở rộng chức năng sẽ được thực hiện một cách dễ dàng mà không cần một sự can

thiệp vật lí nào so với các bộ dây nối hay Relay

1.3.1 Các dòng sản phẩm của SIEMENS

1.3.2 Cấu hình và điều hành SIMATIC S7-1200

1.3.2.1 Signal boards

1.3.2.2 Signal modules

1.3.2.3 Các mođun truyền thông

1.3.3 Những đặc điểm nổi bật của Simatic S7 – 1200

1.3.3.1 Thiết kế dạng Module

+ Tích hợp cổng truyền thông Profinet (Ethernet) tạo sự dễ dàng trong kết nối

+ Simatic S7 – 1200 với Simatic HMI Basic được lập trình chung trên một nền phần mềm

là TIA Portal V10.5 (Simatic Step 7 Basic, WinCC Basic) hoặc version cao hơn Các thao tác lập trình thực hiện theo cách kéo – thả, do đó tạo sự dễ dàng cho người sử dụng, lập

trình nhanh chóng, đơn giản, chính xác trong sự truyền thông kết nối theo tags

+ Tích hợp sẵn các đầu vào ra, cùng với các board tín hiệu, khi cần mở rộng ứng dụng với

số lượng đầu vào ra ít sẽ tiết kiệm được chi phí, không gian và phần cứng

+ Dễ dàng cho người sử dụng sản phầm trong việc mua gói thiết bị

1.3.3.2 Phạm vi ứng dụng của Simatic S7 1200

– Simatic S7 1200 bao gồm các họ:

 Standard CPUs:CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C, CPU 1215C, CPU 1217C

 SIPLUS standard CPUs:SIPLUS CPU 1211C, SIPLUS CPU 1212C,

SIPLUS CPU 1214C, SIPLUS CPU 1215C

 Fail-safe CPUs: CPU 1212 FC, CPU 1214 FC, CPU 1215 FC

 SIPLUS fail-safe CPUs: SIPLUS CPU 1214 FC

 Mỗi loại CPU có những tính năng khác nhau, thích hợp cho từng loại ứng

dụng

 Các kiểu cấp nguồn và đầu vào ra có thể là AC/DC/ Rly, DC/DC/DC hay

DC/DC/Rly

 Đều có khe cắm thẻ nhớ, dùng cho khi mở rộng bộ nhớ cho CPU, copy

chương trình ứng dụng hay cập nhật firmware

 Chẩn đoán lỗi online/offline

 Một đồng hồ thời gian thực cho các ứng dụng thời gian thực

1.3.3.3 Các chức năng nổi bật của CPU 1215C

– Có 6 bộ đếm tốc độ cao HSC dùng cho các ứng dụng đếm và đo lường

– Có 2 ngõ ra PTO 100kHz để điều khiển tốc độ, động cơ bước hay servo

– Có ngõ ra PWM điều chế độ rộng xung cho các ứng dụng điều khiển tốc độ động

cơ, valve, nhiệt độ

– Có 16 bộ điều khiển PID với tính năng tự động xác định thông số cho bộ điều

khiển (Autotuning)

1.3.3.4 Sơ đồ đấu dây PLC CPU 1215C DC/DC/DC

1.3.3.5 Board tín hiệu của S7-1200

Board tín hiệu – một dạng module mở rộng tín hiệu vào/ra với số lượng tín hiệu ít, giúp tiết kiệm chi phí cho các ứng dụng yêu cầu mở rộng số lượng , Gồm các

board: 1 cổng tín hiệu ra analog 12 bit (0-10VDC, 0- 20mA)

1.3.3.6 Modules mở rộng tín hiệu vào/ra

Các module mở rộng tín hiệu vào/ra được gắn trực tiếp vào phía bên phải của

CPU Với dải rộng các loại module tín hiệu vào/ra số và analog, giúp linh hoạt

trong sử dụng S7-1200 Tính đa dạng của các module tín hiệu vào/ra sẽ được tiếp tục phát triển

1.3.3.7 Module Analog

SM – tín hiệu module cho các đầu vào và đầu ra Analog (cho CPU 1212C tối đa

của 2 SM có thể sử dụng, cho 1214C tối đa là 8)

1.3.3.8 Module truyền thông

Giao tiếp với RS 232/RS 485, PROFIBUS

1.3.3.9 Thẻ nhớ

SIMATIC thẻ nhớ 2MB hoặc 24MB cho các chương trình lưu trữ dữ liệu và thay

thế CPU đơn giản để bảo trì

1.3.3.10 Các module khác

– Sử dụng module nguồn PM 1207 có các thông số: Input: 120/230V AC 50/60Hz, 1.2A/0.7A Output: 24V DC / 2.5A

– Module CSM1277 có 4 cổng cẳm RJ45, tốc độ 10/100Mb/s

1.3.4 Nguyên lý hoạt động

1.3.4.1 Cấu trúc

– PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp: làm bộ định thời cho các

kênh trạng thái I/O Làm bộ đệm trạng thái các chức năng trong PLC như định thời, đếm, gọi các Relay

– Mỗi lệnh của chương trình có một vị trí riêng trong bộ nhớ, tất cả các vị trí

trong bộ nhớ đều được đánh số, những số này chính là địa chỉ trong bộ nhớ

Địa chỉ của từng ô nhớ sẽ được trỏ đến bởi một bộ đếm địa chỉ nằm bên trong

bộ vi xử lý Bộ vi xử lý sẽ có giá trị trong bộ đếm này thêm một trước khi xử lýlệnh tiếp theo Với một địa chỉ mới, nội dung của ô nhớ tương ứng sẽ xuất hiện

ở đầu ra, quá trình này gọi là quá trình đọc

– Bộ nhớ bên trong của PLC được tạo bởi vi mạch bán dẫn, mỗi vi mạch này có khả năng chứa 2000-16000 dòng lệnh tuỳ theo loại vi mạch trong PLC các bộ nhớ như RAM và EPROM đều được sử dụng +RAM có thể nạp chương trình, thay đổi hay xoá bỏ nội dung bất kì lúc nào, nội dung của RAM sẽ bị mất nếu nguồn điện nuôi bị mất Để tránh tình trạng này các PLC đều được trang bị pin khô có khả năng cung cấp năng lượng dự trữ cho RAM từ vài tháng đến vài

năm Trong thực tế RAM được dung khởi tạo và kiểm tra chương trình

Khuynh hướng hiện nay dung CMOSRAM do khả năng tiêu thụ thấp và tuổi

thọ cao

– EPROM là bộ nhớ mà người sử dụng bình thường có thể đọc chứ không ghi nộidung vào được, nội dung của EPROM không bị mất khi mất nguồn, nó được

gắn sẵn trong máy, đã dược nhà sản xuất nạp và chứa sẵn hệ điều hành Nếu

người sử dụng không muốn sử dụng bộ nhớ thì chỉ dùng EPROM gắn bên trongPLC Trên PG có sẵn chổ ghi và xoá EPROM +EEEPROM liên kết với những truy xuất linh động của RAM và có tính ổn định Nội dung của nó có thể xoá vàlập trình bằng điện tuy nhiên số lần là có giới hạn

1.3.4.2 Hệ thống và PID, High speed counters (HSC) trong PLC S7-1200

– HSC (High speed counter)

Mục đích: Đọc tín hiệu xung tốc độ cao của các thiết bị ngoại vi đưa về PLC

(VD: Đọc xung của encoder để từ đó chuyển đổi sang tốc độ quay encoder)

– PID (Proportional Integral Derivative)

Mục đích: Ứng dụng trong công nghiệp thường là ổn định các hệ thống công

nghiệp

CHƯƠNG 2: THỰC HIỆN BÀI TOÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỂU KHIỂN

2.1 Phân tích yêu cầu công nghệ

Hệ thống bao gồm:

– 1 PLC S7-1200

– 1 Bơm công suất lớn (11kw)

– 1 Biến tần (11Kw)

– 1 Cảm biến lưu lượng hoặc đồng hồ đo lưu lượng ([0-10]l/s)

– Nút nhấn START , STOP để điều khiển hệ thống

– 3 đèn báo: RUN (báo hệ thống hoạt động), FLA (cảnh báo lưu lượng thấp),

FHA (Cảnh báo lưu lượng cao)

*Mô tả công nghệ: Ban đầu PLC, biến tần, bơm dừng

Khi nhấn START hệ thống hoạt động, PLC hoạt động ra lệnh cho biến tần khởi

động bơm nước Lúc này cảm biến đo lưu lượng đưa thông tin về cho PLC xử lý

(PLC xử lý tín hiệu cảm biến lưu lượng để ổn định lưu lượng ở mức 9 l/s) Khi

cảm biến báo lưu lượng nhỏ hơn 8 l/s thì đèn cảnh báo FLA sáng, sau 1 phút lưu

lượng vẫn thấp hơn 8 l/s thì hệ thống tự động dừng Khi cảm biến báo lưu lượng

lớn hơn hơn 10 l/s thì đàn cảnh báo FHA sáng, sau 1 phút lưu lượng vẫn cao hơn

10 l/s thì hệ thống tự động dừng Dựa vào lưu lượng cảm biến đưa về PLC ra lệnh cho biến tần điều khiển động cơ máy bơm để máy bơm bơm đúng lưu lượng đã

đặt Khi nhấn STOP hệ thống dừng hoạt động

2.2 Lựa chọn thiết bị cụ thể

2.2.1 PLC S7-1200, CPU 1215C, COMPACT CPU, DC/DC/DC

– Power supply (Nguồn nuôi) 20.4 - 28.8 V DC

– Digital Inputs (Ngõ vào số) 14 DI 24V DC, Digital outputs (Ngõ ra số) 10 DO 24V DC 0.5A

– Expansion Analog module (Khả năng mở rộng Analog) 2 AI 0-10V DC, 2 AO 0-20 MA DC

– Program language (Ngôn ngữ lập trình) Ladder / STL

– RTC (thời gian thực) Tích hợp sẵn

– Communication (truyền thông) RS485 qua cáp PC/PPI

– Communication Expansion (truyền thông mở rộng) Modbus, Profibus,

Devicenet

2.2.2 Chọn cảm biến lưu lượng (Flowmeter)

Giới thiệu về cảm biến lưu lượng: