thiết kế hệ thống cấp nước có sử dụng plc để điều khiển cung cấp và phân phối nước sinh hoạt cho một khu dân cư
Trang 1LỜI NÓI ĐẦU
Nước ta hiện nay đang trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa Vìthế, tự động hóa đóng vai trò quan trọng, tự động hóa giúp tăng năng suất, tăng
độ chính xác và do đó tăng hiệu quả quá trình sản xuất Để có thể thực hiện tựđộng hóa sản xuất, bên cạnh các thiết bị máy móc cơ khí hay điện, các dâychuyền sản xuất…, cũng cần có các bộ điều khiển để điều khiển chúng Trongcác thiết bị hiện đại được đưa vào dây truyền sản xuất tự động đó không thểkhông kể đến PLC
PLC là một thiết bị điều khiển đa năng, được ứng dụng rộng rãi trongcông nghiệp, để điều khiển hệ thống theo một chương trình được viết bởi người
sử dụng Nhờ hoạt động theo chương trình nên PLC có thể được ứng dụng đểđiều khiển nhiều thiết bị máy móc khác nhau như máy bơm, máy cắt, máykhoan… hay các hệ thống như băng tải, thang máy, dây truyền sản xuất, đèngiao thông… Để thay đổi hoạt động của máy móc hay hệ thống rất đơn giản chỉcần thay đổi chương trình điều khiển ở PLC
Xuất phát từ thực tế đó, trong quá trình học tập tại trường Đại học Công
nghiệp Hà Nội, em được giao nhiệm vụ: “ Thiết kế hệ thống cấp nước, có sử
dụng PLC để điều khiển cung cấp và phân phối nước sinh hoạt cho một khu dân cư ”
Mặc dù, đã cố gắng hết sức trong quá trình làm bài tập lớn, nhưng do kiếnthức chưa vững và còn ít kinh nghiệm nên sẽ có nhiều thiếu sót trong bài này Vìvậy, em rất mong các thầy cô chỉ bảo và giúp đỡ em để em bổ sung được nhữngthiếu sót và hoàn thiện kiến thức ngành học hơn
Cuối cùng chúng em xin chân thành cảm ơn cô đã tạo điều kiện và giúp
đỡ em hoàn thành bài thiết kế này
Trang 2CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PLC
1.1 Khái niệm PLC
PLC viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiểnlập trình được cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logicthông qua một ngôn ngữ lập trình Người sử dụng có thể lập trình để thựchiện một loạt trình tự các sự kiện Các sự kiện này được kích hoạt bởi tácnhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động cótrễ như thời gian định thì hay các sự kiện được đếm PLC dùng để thaythế các mạch relay (rơ le) trong thực tế PLC hoạt động theo phương thứcquét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào Khi có sự thay đổi ở đầu vào thìđầu ra sẽ thay đổi theo Ngôn ngữ lập trình của PLC có thể là Ladder hayState Logic Hiện nay có nhiều hãng sản xuất ra PLC như Siemens, Allen-Bradley, Mitsubishi Electric, General Electric, Omron, Honeywell
Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OFF thiết bịđiều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý Một bộ điều khiển lậptrình sẽ liên tục "lặp" trong chương trình do "người sử dụng lập ra" chờtín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ra tại các thời điểm đã lập trình
Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối (bộđiều khiển bằng Relay) người ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm thỏa mãn cácyêu cầu sau:
- Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học
- Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa
- Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phứctạp
- Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp
Trang 3- Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nốimạng, các môi Modul mở rộng.
- Giá cả cá thể cạnh tranh được
Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay thế cho các phần cứng Relay dâynối và các Logic thời gian.Tuy nhiên,bên cạnh đó việc đòi hỏi tăng cườngdung lượng nhớ và tính dễ dàng cho PLC mà vẫn bảo đảm tốc độ xử lýcũng như giá cả … Chính điều này đã gây ra sự quan tâm sâu sắc đến việc
sử dụng PLC trong công nghiệp Các tập lệnh nhanh chóng đi từ các lệnhlogic đơn giản đến các lệnh đếm, định thời, thanh ghi dịch … sau đó làcác chức năng làm toán trên các máy lớn … Sự phát triển các máy tínhdẫn 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 quátrình điều khiển hoặc xử lý hệ thống Chức năng mà bộ điều khiển cầnthực hiện sẽ được xác định bởi một chương trình Chương trình này đượcnạp sẵn vào bộ nhớ của PLC, PLC sẽ thực hiện việc điều khiển dựa vàochương trình này Như vậy nếu muốn thay đổi hay mở rộng chức năng củaquy trình công nghệ, ta chỉ cần thay đổi chương trình bên trong bộ nhớcủa PLC Việc thay đổi hay mở rộng chức năng sẽ được thực hiện mộtcách dễ dàng mà không cần một sự can thiệp vật lý nào so với sử dụng các
bộ dây nối hay Relay
1.2 Cấu trúc
Tất cả các PLC đều có thành phần chính là: Một bộ nhớ chương trìnhRAM bên trong (có thể mở rộng thêm một số bộ nhớ ngoài EPROM).Một bộ vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC CácModul vào /ra
Trang 4Hình 1.2 : Sơ đồ cấu trúc của PLCBên cạnh đó, một bộ PLC hoàn chỉnh còn đi kèm thêm một đơn vị lậptrình bằng tay hay bằng máy tính Hầu hết các đơn vị lập trình đơn giảnđều có đủ RAM để chứa đựng chương trình dưới dạng hoàn thiện hay bổsung Nếu đơn vị lập trình là đơn vị xách tay, RAM thường là loại CMOS
có pin dự phòng, chỉ khi nào chương trình đã được kiểm tra và sẵn sàng
sử dụng thì nó mới truyền sang bộ nhớ PLC Đối với các PLC lớn thườnglập trình trên máy tính nhằm hỗ trợ cho việc viết, đọc và kiểm tra chươngtrình Các đơn vị lập trình nối với PLC qua cổng RS232, RS422, RS485,
…
1.3 Nguyên lý hoạt động của PLC.
CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC Bộ xử lý sẽ đọc và kiểmtra chương trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từnglệnh trong chương trình, sẽ đóng hay ngắt các đầu ra Các trạng thái ngõ
ra ấy được phát tới các thiết bị liên kết để thực thi Và toàn bộ các hoạtđộng thực thi đó đều phụ thuộc vào chương trình điều khiển được giữtrong bộ nhớ
Hệ thống Bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiềuđường tín hiệu song song:
Trang 5- Address Bus: Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Modulkhác nhau.
- Data Bus: Bus dùng để truyền dữ liệu
- Control Bus: Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì
và điểu khiển đồng bộ các hoạt động trong PLC
Trong PLC các số liệu được trao đổi giữa bộ vi xử lý và các modul vào
ra thông qua Data Bus Address Bus và Data Bus gồm 8 đường, ở cùngthời điểm cho phép truyền 8 bit của 1 byte một cách đồng thời hay songsong
Nếu một modul đầu vào nhận được địa chỉ của nó trên Address Bus, nó
sẽ chuyển tất cả trạng thái đầu vào của nó vào Data Bus Nếu một địa chỉbyte của 8 đầu ra xuất hiện trên Address Bus, modul đầu ra tương ứng sẽnhận được dữ liệu từ Data bus Control Bus sẽ chuyển các tín hiệu điềukhiển vào theo dõi chu trình hoạt động của PLC Các địa chỉ và số liệuđược chuyển lên các Bus tương ứng trong một thời gian hạn chế
Hệ thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ
và I/O Bên cạch đó, CPU được cung cấp một xung Clock có tần số từ 1¸8MHZ Xung này quyết định tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp cácyếu tố về định thời, đồng hồ của hệ thống
+ Vòng quét của chương trình:
PLC thực hiện các công việc (bao gồm cả chương trình điều khiển)theo chu trình lặp Mỗi vòng lặp được gọi là một vòng quét (scancycle).Mỗi vòng quét được bắt đàu bằng việc chuyển dữ liệu từ các cổng vào sốtới vùng bộ đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình Trongtừng vòng quét, chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kếtthúc của khối OB1
Trang 6Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội dungcủa bộ đệm ảo Q tới các cổng ra số Vòng quét được kết thúc bằng giaiđoạn xử lý các yêu cầu truyền thông (nếu có) và kiểm tra trạng thái củaCPU Mỗi vòng quét có thể mô tả như sau:
Hình 1.3 : Sơ đồ vòng quét chương trình
Bộ đệm I và Q không liên quan tới các cổng vào/ra tương tự nên cáclệnh truy nhập cổng tương tự được thực hiện trực tiếp với cổng vật lý chứkhông thông qua bộ đệm
Thời gian cần thiết để cho PLC thực hiện được một vòng quét đượcgọi là thời gian vòng quét (Scan time) Thời gian vòng quét không cốđịnh, tức là không phải vòng quét nào cũng được thực hiện trong mộtkhoảng thời gian như nhau Có vòng quét được thực hiện lâu, có vòngquét được thực hiện nhanh tuỳ thuộc vào số lệnh trong chương trình đượcthực hiện, vào khối lượng dữ liệu truyền thông Trong vòng quét đó Nhưvậy giữa việc đọc dữ liệu từ đối tượng để xử lý, tính toán và việc gửi tínhiệu điều khiển đến đối tượng có một khoảng thời gian trễ đúng bằng thờigian vòng quét Nói cách khác, thời gian vòng quét quyết định tính thờigian thực của chương trình điều khiển trong PLC Thời gian vòng quétcàng ngắn, tính thời gian thực của chương trình càng cao
Trang 7Nếu sử dụng các khối chương trình đặc biệt có chế độ ngắt, ví dụ khốiOB40, OB80, Chương trình của các khối đó sẽ được thực hiện trongvòng quét khi xuất hiện tín hiệu báo ngắt cùng chủng loại Các khốichương trình này có thể thực hiện tại mọi vòng quét chứ không phải bị gò
ép là phải ở trong giai đoạn thực hiện chương trình Chẳng hạn một tínhiệu báo ngẵt xuất hiện khi PLC đang ở giai đoạn truyền thông và kiểmtra nội bộ, PLC sẽ tạm dừng công việc truyền thông, kiểm tra, để thựchiện ngắt như vậy, thời gian vòng quét sẽ càng lớn khi càng có nhiều tínhiệu ngắt xuất hiện trong vòng quét Do đó để nâng cao tính thời gianthực cho chương trình điều khiển, tuyệt đối không nên viết chương trình
xử lý ngắt quá dài hoặc quá lạm dụng việc sử dụng chế độ ngắt trongchương trình điều khiển
Tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra, thông thường lệnh không làm việctrực tiếp với cổng vào/ra mà chỉ thông qua bộ nhớ đệm của cổng trongvùng nhớ tham số Việc truyền thông giữa bộ đêm ảo với ngoại vi tronggiai đoạn 1 và 3 do hệ điều hành CPU quản lý Ở một số modul CPU, khigặp lệnh vào/ra ngay lập tức hệ thống sẽ cho dừng mọi công việc khác,ngay cả chương trình xử lý ngắt, để thực hiện với cổng vào/ra
1.4 Bộ nhớ của PLC.
PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp: Làm bộ định thờicho các kênh trạng thái I/O Làm bộ đệm trạng thái các chức năng trongPLC như định thời, đếm, ghi các Relay
Mỗi lệnh của chương trình có một vị trí riêng trong bộ nhớ, tất cả mọi
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 ởbên trong bộ vi xử lý Bộ vi xử lý sẽ giá trị trong bộ đếm này lên một
Trang 8trước khi xử lý lệnh tiếp theo Với một địa chỉ mới, nội dung của ô nhớtương ứng sẽ xuất hiện ở đầu ra, quá trình này được gọi là quá trình đọc.
Bộ nhớ bên trong PLC được tạo bởi các vi mạch bán dẫn, mỗi vi mạchnày có khả năng chứa 2.000 - 16.000 dòng lệnh, tùy theo loại vi mạch.Trong PLC các bộ nhớ như RAM, EPROM đều được sử dụng
- RAM (Random Access Memory) có thể nạp chương trình, thay đổihay xóa bỏ nội dung bất kỳ lúc nào Nội dung của RAM sẽ bị mấtnếu nguồn điện nuôi bị mất Để tránh tình trạng này các PLC đềuđược trang bị một pin khô, có khả năng cung cấp năng lượng dự trữcho RAM từ vài tháng đến vài năm Trong thực tế RAM được dùng
để khởi tạo và kiểm tra chương trình Khuynh hướng hiện nay dùngCMOS-RAM nhờ khả năng tiêu thụ thấp và tuổi thọ lớn
- EPROM (Electrically Programmable Read Only Memory) là bộnhớ mà người sử dụng bình thường chỉ có thể đọc chứ không ghinội dung vào được Nội dung của EPROM không bị mất khi mấtnguồn, nó được gắn sẵn trong máy, đã được nhà sản xuất nạp vàchứa hệ điều hành sẵn Nếu người sử dụng không muốn mở rộng bộnhớ thì chỉ dùng thêm EPROM gắn bên trong PLC Trên PG(Programer) có sẵn chỗ ghi và xóa EPROM
- EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read OnlyMemory) liên kết với những truy xuất linh động của RAM và cótính ổn định Nội dung của nó có thể được xóa và lập trình lại, tuynhiên số lần lưu sửa nội dung là có giới hạn
- Môi trường ghi dữ liệu thứ tư là đĩa cứng hoặc đĩa mềm, được sửdụng trong máy lập trình Đĩa cứng hoặc đĩa mềm có dung lượnglớn nên thường được dùng để lưu những chương trình lớn trongmột thời gian dài
Kích thước bộ nhớ:
Trang 9- Các PLC loại nhỏ có thể chứa từ 300 -1.000 dòng lệnh tùy vàocông nghệ chế tạo.
- Các PLC loại lớn có kích thước từ 1K - 16K, có khả năng chứa từ2.000 -16.000 dòng lệnh
Ngoài ra còn cho phép gắn thêm bộ nhớ mở rộng như RAM, EPROM
Bộ xử lý đọc và xác định các trạng thái đầu vào (ON, OFF) để thựchiện việc đóng hay ngắt mạch ở đầu ra
- Tín hiệu vào
Mức độ thông minh của một hệ thống điều khiển phụ thuộc chủ yếuvào khả năng của PLC để đọc được các dữ liệu khác nhau từ các cảm biếncũng như bằng các thiết bị nhập bằng tay
Tiêu biểu cho các thiết bị nhập bằng tay như: nút ấn, bàn phím vàchuyển mạch Mặt khác, để đo, kiểm tra chuyển động, áp suất, lưu lượngchất lỏng , PLC phải nhận các tín hiệu từ các cảm biến Ví dụ: tiếp điểmhành trình, cảm biến quang điện, tín hiệu đưa vào PLC có thể là tín hiệu
số (digital) hoặc tín hiệu tương tự (analog), các tín hiệu này được giao tiếpvới PLC thông qua các modul nhận tín hiệu vào khác nhau khác nhau DI(Digital Input) hoặc AI (Analog Input),
Trang 10- Đối tượng điều khiển
Một hệ thống điều khiển sẽ không có ý nghĩa thực tế nếu không giaotiếp được với thiết bị ngoài, các thiết bị ngoài thông dụng như: môtơ, van,rơle, đèn báo, chuông điện, cũng giống như thiết bị vào, các thiết bịngoài được nối đến các cổng ra của modul ra (output) Các modul ra này
có thể là DO (Digital Output) hoặc AO (ra tương tự)
1.6 Ưu điểm của hệ thống điều khiển dùng PLC.
Sự ra đời của hệ điều khiển PLC đã làm thay đổi hẳn hệ thống điềukhiển cũng như các quan niệm thiết kế về chúng, hệ điều khiển dùng PLC
có nhiều ưu điểm như 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 đượcnhanh chóng và dễ dàng
- Chức năng điều khiển thay đổi dễ dàng bằng thiết bị lập trình (máytính, màn hình) mà không cần thay đổi phần cứng nếu không có yêucầu thêm bớt các thiết bị vào, ra
- 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) dẫnđến tăng cao tốc độ sản xuất
- Chương trình điều khiển có thể in ra giấy chỉ trong vài phút giúpthuận tiện cho vấn đề bảo trì và sửa chữa hệ thống
- Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học
- Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa
- Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trìnhphức tạp
- Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp
- Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nốimạng, các Modul mở rộng
- Độ tin cậy cao, kích thước nhỏ
- Giá cả có thể cạnh tranh được
Trang 11Đặc trưng của PLC là khả năng có thể lập trình được, chỉ số IP ở dảiquy định cho phép PLC hoạt động trong môi trường khắc nghiệt côngnghiệp, yếu tố bền vững thích nghi, độ tin cậy, tỉ lệ hư hỏng rất thấp, thaythế và hiệu chỉnh chương trình dễ dàng, khả năng nâng cấp các thiết bịngoại vi hay mở rộng số lượng đầu vào nhập và đầu ra xuất được đáp ứngtuỳ nghi trong khả năng trên có thể xem là các tiêu chí đầu tiên cho chúng
ta khi nghĩ đến thiết kế phần điều khiển trung tâm cho một hệ thống hoạtđộng tự động
1.7 Ứng dụng của PLC trong công nghiệp.
Từ các ưu điểm và tính ứng dụng của PLC, hiện nay PLC đã được sửdụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau trong công nghiệp như:
- Hệ thống nâng vận chuyển
- Dây chuyền đóng gói
- Các robot lắp giáp 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 lắp giáp Tivi
- Điều khiển hệ thống đèn giao thông
- Quản lý tự động bãi đậu xe
- Hệ thống báo động
- Dây chuyền may công nghiệp
- Điều khiển thang máy
- Dây chuyền sản xuất xe ôtô
- Sản xuất vi mạch
- Kiểm tra quá trình sản xuất
1.8 Các loại PLC thông dụng.
- Hãng Siemens:
+ S7-200: CPU 212, CPU 214, CPU 222, CPU 224…
+ S7-300: CPU 313, CPU 314, CPU 315…
+ S7-400 : CPU 412, CPU 413, CPU 414, CPU 416…
Trang 12+ S7-1200 : CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C…
2.1 Yêu cầu công nghệ.
Hệ thống bề chứa (tank) gồm bốn mức cảm biến S6, S7, S9, S11
Máy bơm PUMP 1, PUMP 2: Bơm nước vào bể chứa
Máy bơm PUMP 3, PUMP 4: Bơm nước từ bể chứa đến hộ sinh hoạt
- Chế độ làm việc bằng tay:
+ Nhấn nút MANUAL (S1) cho phép thử các máy bơm PUMP 1 vàPUMP 3 độc lập nhau
Trang 13+ Nhấn nút S2 thì máy bơm PUMP 1 bơm nước vào bể cho đến khicảm biến S11 nhận tín hiệu bằng 1 thì dừng lại.
+ Khi nhấn nút S3 thì PUMP 3 bơm nước cấp cho các hộ sinh hoạtđến khi cảm biến S6 nhận tín hiệu bằng 0 thì dừng lại
+ Khi nhấn nút STOP thì hệ thống sẽ dừng hoạt động
- Chế độ làm việc tự động:
Khi nhấn nút AUTO
+ Máy bơm PUMP 1 và PUMP 2 bơm nước vào bể chứa cho đếnkhi cảm biến S9 nhận tín hiệu bằng 1 thì tắt bớt bơm PUMP 1( PUMP2 vẫn tiếp tục hoạt động)
+ Máy bơm PUMP 3 và PUMP 4 bơm nước đến cho các hộ sinhhoạt, đến khi cảm biến S7 nhận tín hiệu bằng 1 tắt bớt bơmPUMP 3 và bặt máy bơm cấp nước PUMP 1 trở lại
2.2 Mô hình hệ thống.
Dựa theo yêu cầu bài toán ta có
Trang 14Hình 2.2 : Mô hình hệ thống cấp nước.
Trong đó :
+ Bảng điều khiển hệ thống cấp nước: điều khiển qua bốn nút ấn S0stop, S1 mở chế độ tay, S2 mở bơm số 3, S3 mở bơm số 1, S4 mởchế độ auto
+ Cảm biến mức nước: có 4 cảm biến S6, S7, S9, S11, dùng để xácđịnh các mực nước cố định trong bể sau đó báo tín hiệu về PLC
+ PLC S7-200: bộ điều khiển trung tâm, nó xử lý các tín hiệu thuthập về từ hệ thống để điều khiển các máy bơm
+ Contactor : H1, H2, H3, H4, K2, K3 điều khiển tắt mở máy bơmthông qua tín hiệu từ PLC
+ Máy bơm: 4 máy bơm, hai máy PUMP 1 và PUMP 2 dùng đểbơm vào bể, hai máy PUMP 3 và PUMP 4 để bơm nước tới hộsinh hoạt sử dụng
CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ CHI TIẾT.
3.1 Lựa chọn thiết bị.
Hệ thống cần cấp nước sinh hoạt dân cư nên áp suất nước cần đảm bảo đủlớn để cung cấp nước hiệu quả
Khối lượng riêng của nước d = 1000 (kg/m3) = 9,8.103 (N/m3)
Áp suất nước có thể đẩy được lên cao h = 20m
Ta có công thức tính áp suất cột nước:
p = d.h = 9,8.20.103 = 196.103 (Pa)
Lưu lượng nước sinh hoạt cần cung cấp cho khoảng 1000 người
