ỨNG DỤNG PLC ĐO, ĐIỀU KHIỂN VÀ CẢNH BÁO LƯU LƯỢNG TRÊN ĐƯỜNG ỐNG VỚI GIẢI ĐO: 0 ÷ 10LS

—KHOA ĐIỆN—BÀI TẬP LỚN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG PLC ĐO, ĐIỀU KHIỂN VÀ CẢNH BÁO LƯU LƯỢNG TRÊN ĐƯỜNG ỐNG VỚI GIẢI ĐO:... Ứng dụng rất quan trọng của ngànhcông nghệ tự độn

—KHOA ĐIỆN—

BÀI TẬP LỚN ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC

ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG PLC ĐO, ĐIỀU KHIỂN VÀ CẢNH BÁO LƯU LƯỢNG TRÊN ĐƯỜNG ỐNG VỚI GIẢI ĐO:

CẢNH BÁO LƯU LƯỢNG TRÊN ĐƯỜNG

ỐNG VỚI GIẢI ĐO: [0 ÷ 10]L/S

- Giáo Viên Bộ Môn:

Thầy: Nguyễn Trọng Phú

- Nhóm 7: Lớp Điện 4 – K9 gồm:

 Phan Hồng Sơn

Nhận Xét Của Giáo Viên Bộ Môn

.

Mục lục

  

Phần 1: Mục lục theo số trang đề tài

LỜI NÓI ĐẦU 4

Chương 1: Cơ sở lý thuyết 6

1.1.Mục đích 6

1.1.2 Mục tiêu của đề tài 6

1.1.3 Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài 6

1.2 Phương pháp đo lưu lượng 7

1.3 Tìm hiểu về PLC S7 200 8

1.3.1 Khái quát về PLC S7 200 8

Thông tin sản phẩm: 14

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 16

2.1 Lựa chọn thiết bị 16

2.1.1 Biến tần MM440 16

17

19

2.1.2 Chọn cảm biến đo lưu lượng 19

20

2.1.3Chọn động cơ 20

Với đề tài này em chọn động cơ không đồng bộ có thông số sau: Máy bơm Pentax CS 200/3 20

2.2 Xây dựng sơ đồ khối, sơ đồ đấu dây 21

2.2.1 Sơ đồ khối 21

2.4 Xây dựng phần mềm 25

Cài đặt thông số biến tần MM440 26

Chương 3: Kết quả đề tài 27

b)Các hạn chế 28

c)Biện pháp khắc phục 28

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 trongnhững sản phẩm tiên tiến của nó là PLC Ứng dụng rất quan trọng của ngànhcông nghệ tự động hóa là việc điều khiển, giá sát các hệ thống với những thiết bịđiều 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

phần mềm điều khiển PLC để “ứng dụng PLC đo, điều khiển và cảnh báo lưu

lượng trên đường ống với giải đo: [0 ÷ 10]l/s”, dùng PLC điều khiển biến tần

Đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáotrong khoa điện, cùng các bạn trong lớp Điện 4 K9 đặc biệt là giảng viên

Nguyễn Trọng Phú - 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 họcnày Mong thầy cô góp ý để em hoàn thành bài tập lớn này được tốt hơn saunày

Em xin chân thành cảm ơn !

Chương 1: Cơ sở lý thuyết

1.1 Mục đích

1.1.1 Mục đích chọn đề tài

Các trạm bơm cung cấp nước với công suất lớn thường được sử dụngtrong khu công nghiệp, khu dân cư, các chung cư, khách sạn và tòa nhà caotầng, hệ thống phân phối nước sạch trong mạng lưới cấp nước sinh hoạt, cáctrạm cấp nước nông thông… Các trạm bơm nước phổ biến hiện nay đều đượcthiết kế theo phương pháp truyền thống với đặc điểm là các bơm được khởiđộng trực tiếp sao/tam giác và tất cả các động cơ đều hoạt động ở tốc độ địnhmức Phương pháp này có nhược điểm chính là tổn hao điện năng lớn và khókiểm soát được lưu lượng trong đường ống

Trên cơ sở những kiến thức được trang bị trên ghế nhà trường, dựa vàonhững tính năng ưu việt của PLC và biến tần Em xin được lựa chọn đề tài

“ứng dụng PLC đo, điều khiển và cảnh báo lưu lượng trên đường ống với giải đo: [0 ÷ 10]l/s” với những chức năng cơ bản giống với một hệ thống biến

tần đa bơm

1.1.2 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu của đề tài là điều khiển và cảnh báo lưu lượng trên đường ốngtrong đường ống ở một ngưỡng đặt trước thông qua sự điều khiển của PLC đốivới biến tần, hệ thống bơm dựa trên tín hiệu mà cảm biến lưu lượng trongđường ống đưa về

1.1.3 Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài

Điều khiển tự động là xu thế phát triển tất yếu trong các lĩnh vực côngnghiệp cũng như sinh hoạt bởi những ưu điểm vượt trội của nó Ở các hệ thốngđiều khiển tự động có quy mô vừa và lớn thì PLC được sử dụng làm thiết bịđiều khiển cho toàn hệ thống

Kết hợp xây dựng một hệ thống điều khiển tự động với các thiết bị điện

tử công suất có ý nghĩa khoa học lớn trong việc xây dựng một hệ thống tự

động hoàn chỉnh cả về chức năng lẫn hiệu quả kinh tế Đề tài “ứng dụng PLC

đo, điều khiển và cảnh báo lưu lượng trên đường ống với giải đo: [0 ÷ 10]l/s” xây dựng mô hình kết hợp PLC với biến tần để điều khiển lưu lượng

nước trong đường ống một cách tối ưu nhất

Về mặt thực tiễn, đề tài đi theo hướng phát triển mới cho các hệ thốngcung cấp nước cho các tòa nhà, khu dân cư…, khắc phục được các nhược điểmtrong hệ thống cung cấp nước cũ

1.2 Phương pháp đo lưu lượng

 Lưu lượng và đơn vị đo

Lưu lượng chất lưu là lượng chất lưu chảy qua tiết diện ngang của ống trong một đơn vị thời gian Tuỳ theo đơn vị tính lượng chất lưu (theo thể tích hoặc khối lượng) người ta phân biệt:

- Lưu lượng thể tích (Q) tính bằng m3/s, m3/giờ

- Lưu lượng khối (G) tính bằng kg/s, kg/giờ

Lưu lượng trung bình trong khoảng thời gian Δt = t2 - t1 xác định bởi biểu thức:

(20.27)Trong đó ΔV, Δm là thể tích và khối lượng chất lưu chảy qua ống trong thờikhoảng gian khảo sát

Lưu lượng tức thời xác định theo công thức:

(20.28)

Để đo lưu lượng người ta dùng các lưu lượng kế Tuỳ thuộc vào tính chất chất lưu, yêu cầu công nghệ, người ta sử dụng các lưu lượng kế khác nhau Nguyên lý hoạt động của các lưu lượng kế dựa trên cơ sở:

- Đếm trực tiếp thể tích chất lưu chảy qua công tơ trong một khoảng thời gian xác định Δt

- 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 phụthuộc độ giảm áp

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

 Các phương pháp đo lưu lượng:

1 Đo lưu lượng theo nguyên lý chênh áp – Differential Pressure

2 Đo lưu lượng theo nguyên lý Vortex

3 Đo lưu lượng theo nguyên lý từ tính

4 Đo lưu lượng theo nguyên lý chiếm chổ (Positive Displacement Sensor)

5 Đo lưu lượng theo nguyên lý Turbine.

6 Đo lưu lượng theo nguyên lý gia nhiệt

7 Đo lưu lượng theo nguyên lý Coriolis

Ở bài này ta sử dụng phương pháp đo lưu lượng theo nguyên lý từ tính:Nguyên lý đo này được sử dụng với những lưu chất dẫn điện, sử dụng nguyên lýcủa máy phát điện: Khi vật liệu dẫn điện đi qua từ trường thì nó sẽ sinh ra điện

áp, lưu lượng càng nhiều thì điện áp sinh ra càng lớn

Dựa theo nguyên lý trên thì thiết bị đo sẽ có hai cuộn dây đặt đối xứng phát ra từ trường và điện áp cảm ứng do sự di chuyển của lưu chất sẽ được cảm ứng bởi một sensor, sensor này sẽ chuyển đổi điện áp cảm ứng thành tín hiệu điện (4-20mA; 1-5V ) tỉ lệ với lưu lượng của lưu chất Chú ý rằng lưu chất phảiđược cách ly với ống dẫn

- Toàn bộ nội dung chương trình được lưu trong bộ nhớ của PLC, trongtrường hợp dung lượng bộ nhớ không đủ ta có thể sử dụng bộ nhớ ngoài để lưuchương trình và dữ liệu(Catridge )

- Dòng PLC S7-200 có hai họ là 21X ( loại cũ) và 22X ( loại mới), trong đó

họ 21X không còn sản xuất nữa.Họ 21X có các đời sau:210, 212, 214, 215-2DP,216; họ 22X có các đời sau:221, 222, 224, 224XP, 226, 226XM

- 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 cótích hợp thêm một số hàm chuyên dùng như bộ điều khiển PID, dịch chuyểnkhối 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

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)

 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:

 Cổng truyền thông:

Chân 1: nối đất

Chân 2: nối nguồn 24VDC

Chân 3: truyền và nhận dữ liệu

Chân 4: không sử dụng

Chân 5: đất

Chân 6: nối nguồn 5VDC

Chân 7: nối nguồn 24VDC

Chân 8: truyền và nhận dữ liệu

Chân 9: không sử dụng

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

- Chương trình được bảo vệ bằng Password

- Toàn bộ dung lượng nhớ không bị mất dữ liệu trong 190 giờ khi PLC bi mất điện

- Xuất sứ: Siemens Germany

- CPU được cấp nguồn 220VAC Tích hợp 14 ngõ vào số (mức 1 là24VDC, mức 0 là 0VDC), 10 ngõ ra dạng relay

 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 Haiđầu 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

1.3.2 Các module, đối tượng mở rộng

a) Khái niêm về modul analog

Modul analog là một công cụ để sử lý tín hiệu tượng tự thông qua việc sử

d) Giới thiệu chung về analog EM235

 EM 235 là một modul tượng tự gồm 4 AI và 1 AO 12 bít có tich hợp các

bộ chuyển đổi A/D D/A ở bên trong

 Các thành phần của modul analog EM2

Dòng tiêu thụ từ bus 20mA

Dòng tiêu thụ từ L 60mA

Điện năng tiêu thụ 2W

Số đầu vào tương tự 4

Số đầu ra tương tự 1

Dạng đầu vào/ra Vi phân

Dải điện áp vào 0 đến 50 mV; 0 đến 100 mV; 0 đến 500 mV; 0 đến

1V

0 đến 5 V; 0 đến 10 V; +/- 25 mV; +/- 50 mV;+/- 100 mV; +/- 200 mV; +/- 500 mV; +/- 1 V; +/-

2.5 V; +/-5 V; +/- 10VDải dòng vào 0 đến 20 mA

Dải điện áp ra 10V~10V

Dải dòng ra 4~20mA

Số bít chuyển đổi 12 bit với áp, 11 bit với dòng

Dải số chuyển đổi(2

- Module vào/ra số: EM 223 bao gồm 4/8/16 đầu vào số 24VDC và 4/8/16 đầu ra 24VDC/Relay/230VAC.

- Module đầu vào tương tự: EM 231 từ 2/4 đầu vào với các loại tín hiệu 10V, 4-20mA

0 Module đầu ra tương tự: EM 232 có 2 đầu ra

- Module vào/ra tương tự: EM 235 gồm 4 đầu vào và 1 đầu ra

- Ngoài ra còn có các loại module thích hợp với các ứng dụng khác như module điều khiển vị trí, module truyền thông,…

Hình 25 Chức năng module EM 235

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

2.1.1 Biến tần MM440

 Micromaster 440 là loại biến tần mạnh mẽ nhất trong dòng các biến tần

tiêu chuẩn Khả năng điều khiển vector ổn định tốc độ hay khả năng điềukhiển vòng kín bằng bộ PID có sẵn đem lại độ chính xác tuyệt vời cho các

hệ thống truyền động quan trọng như các hệ nâng chuyển, các hệ thốngđịnh vị Không chỉ có vậy, một loạt khối Logic có sẵn lập trình tự do cungcấp cho người dùng sự linh hoạt tối đa trong việc điều khiển hàng loạtthao tác một cách tự động

 Nét nổi bật của MICROMASTER 440:

- Thiết kế nhỏ gọn và dễ dàng lắp đặt

- Điều khiển Vector vòng kín (Tốc độ/Moment)

- Có nhiều lựa chọn truyền thông: PROFIBUS, Device Net, CANopen

- Ba bộ tham số trong một nhằm thích ứng biến tần với các chế độ hoạt động khác nhau

- Định mức theo tải Moment không đổi hoặc Bơm, Quạt

- Dự trữ động năng để chống sụt áp

- Tích hợp sẵn bộ hãm dùng điện trở cho các biến tần đến 75kW

- Bốn tần số ngắt quãng tránh cộng hưởng lên động cơ hoặc lên máy

- Khởi động bám khi biến tần nối với động cơ quay

- Tích hợp chức năng bảo vệ nhiệt cho động cơ dùng PTC / KTY

- Khối chức năng Logic tự do: AND, OR, định thời, đếm

- Moment không đổi khi qua tốc độ 0

- Kiểm soát Moment tải

 Thông số của MM440

- Công suất định mức:

• Công suất từ 0.37 KW đến 200 Kw đối với điện áp vào 3 pha AC 380V-480V

• Công suất từ 0.12Kw đến 3.0kw đối với điện áp vào 1 pha 200V - 240V

• Công suất từ 0.12kw đến 45.0kw đối với điện áp vào 3 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 độngnăng

- Phương pháp điều khiển:

• V/f tuyến tính

• V/f bình phương

• V/f đa điểm

• Điều khiển dòng từ thông

• Điều khiển vecter

• Điều khiển Momen

- Các tuỳ chọn khác như: Bảng điều khiển BOP, AOP, bộ phụ kiện lắp BOPtrên cánh tủ, bộ ghép nối PC, đĩa CD cài đặt, modul profibus, bộ lọc đầuvào, bộ lọc đầu ra, đặc biệt là có thể gắn modul encoder

- Sơ đồ đấu dây của biến tần MM440:

2.1.2 Chọn cảm biến đo lưu lượng.

Mag 5000 là bộ chuyển đổi tín hiệu dùng cho các dòng cảm biến đo lưulượng Mag 1100, Mag 1100F, Mag 5100W, Mag 3100W, và Mag 3100 Bộchuyển đổi tín hiệu này có độ chính xác cao 0.5% và giá rẻ, nó dùng kèm vớicác cảm biến lưu lượng trong các ứng dụng thông thường và không yêu cầuchức năng định mẻ (Batching controller)

Độ chính xác 0.5% Không có chức năng định mẻ (Batching controller).Hiển thị lưu lượng tức thời và lưu lượng tổng, có thể hiển thị lưu lượngtổng theo chiều thuận, ngược của dòng chảy và lưu lượng tuyệt đối Có thể tuỳchọn không có màn hình hiển thị

Tín hiệu ra: Một tín hiệu ra tương tự 4-20 mA, một tín hiệu ra xung, một tínhiệu ra Relay

Nguồn cung cấp: Có thể chọn DC 11…30V, AC 11 … 24V hoặc AC 115…

230 V

Cảm biến tương thích: Mag 5100W, Mag 3100, Mag 3100W, Mag 1100,Mag 1100F Mag 5000 có thể lắp trực tiếp (compact) hoặc lắp từ xa với Sensor ởmọi kích cỡ

Chuẩn truyền thông có thể chọn Hart

2.1.3 Chọn động cơ.

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

bơm Pentax CS 200/3

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

Cảm biến lưu lượng đo 0-10l/s ngõ ra 4-20mA đo áp suất đường ống vàchuyển đổi để đưa về CPU của S7-200

Control

Board PLC Biến tần Động cơ

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

2.2.2 Sơ đồ đấu dây.

 Bảng địa chỉ:

I0.0 START Nút bấm khởi động hệ thống

I0.1 STOP Nút bấm dừng hệ thống

Q0.0 RUN Đèn báo hệ thống hoạt động

Q0.1 FHA Đèn báo lưu lượng cao

Q0.2 FLA Đèn báo lưu lượng thấp

Q0.3 BT Bật/tắt bơm qua biến tần

AIW0 CB_LL Đầu vào Analog nối với cảm biến

AQW0 TD_BC Đầu ra Analog nối với biến tần

 Sơ đồ đấu dây: