CƠ SỞ LÍ THUYẾT
Mô tả công nghệ và phân tích hệ thống
Khởi động hệ thống bằng cách ấn nút START, đèn RUN sẽ sáng để báo hiệu hệ thống đang hoạt động Khi mức nước từ 0-0,5m, van M mở và đèn LAL sáng để cảnh báo mức nước thấp; nước sẽ được cấp vào nồi hơi Khi mức nước vượt quá 0,5m, đèn LAL tắt và nước tiếp tục được bơm vào nồi hơi Khi mức nước đạt 1,5m, máy bơm sẽ hoạt động Nếu mức nước vượt quá 2,5m, đèn HAL sáng để cảnh báo nước ở mức cao và van M sẽ đóng lại, ngừng cấp nước cho nồi hơi Áp suất trong nồi sẽ tăng dần, và khi vượt quá 25bar, đèn HAP sẽ sáng để cảnh báo áp suất cao Cuối cùng, ấn nút STOP để ngừng hoạt động của hệ thống, kết thúc quá trình làm việc.
Hình 1.1: hình ảnh hệ thống
- Các thông số đo của hệ thống
- Đối tượng điều khiển và giám sát là các nút ấn & các đèn
+ START: Khởi động hệ thống
+RUN: Hệ thống hoạt động
+LAL : Đèn báo mức thấp( Nhỏ hơn 0,5m),
+HAL : Đèn báo mức cao( Lớn hơn 2,5m)
+HAP: Đèn báo áp suất cao( Lớn hơn 25bar)
Phương pháp đo
- Phương pháp đo áp suất phụ thuộc vào dạng áp suất
- Đo trực tiếp chất lưu thông qua 1 lỗ khoan trên thành bình
- Đo gián tiếp thông qua biến dạng của thành bình dưới tác động của áp suất
- Dựa theo nguyên tắc chung là đo hiệu suất tổng và áp suất tĩnh
Áp suất có thể được đo bằng cách đặt áp suất tổng lên mặt trước của màng đo, trong khi áp suất tĩnh được áp dụng lên mặt sau Tín hiệu đầu ra sẽ phản ánh sự chênh lệch giữa áp suất tổng và áp suất tĩnh.
- Áp suất có đơn vị đo là pascal (Pa)
- Trong công nghiệp còn dùng đơn vị đo là bar (1bar= 10^5 Pa)
-dS: diện tích thành ống chịu lực tác dụng.
Trong bài viết này, chúng tôi sử dụng cảm biến áp suất để đo áp suất, nhờ vào tính đơn giản và dễ sử dụng của thiết bị Hơn nữa, cảm biến này có thể được bảo dưỡng định kỳ, đảm bảo chất lượng đo lường chính xác và ổn định.
1.2.2 Các phương pháp đo mức chất lỏng:
-Có hai dạng đo: đo liên tục và xác định theo ngưỡng.
Khi đo liên tục biên độ hoặc tần số của tín hiệu, chúng ta có thể xác định thể tích chất lỏng còn lại trong bình chứa Cảm biến hoạt động theo ngưỡng, cung cấp tín hiệu nhị phân để thông báo tình trạng hiện tại của mức ngưỡng, cho biết liệu mức đó có được duy trì hay không.
+ Có ba phương pháp hay dùng trong kỹ thuật đo và phát hiện mức chất lưu:
- Phương pháp thuỷ tĩnh dùng biến đổi điện.
- Phương pháp điện dựa trên tính chất điện của chất lưu.
- Phương pháp bức xạ dựa trên sự tương tác giữa bức xạ và chất lưu.
Một số loại cảm biến đo mức chất lưu
Cảm biến đo mức chất lỏng dẫn điện, với độ dẫn điện khoảng 50μS/cm, được sử dụng phổ biến trong nhiều ứng dụng Hình 1.2 minh họa một số loại cảm biến độ dẫn đo mức thông dụng hiện nay.
Hình 1.2: Cảm biến độ dẫn a, Cảm biến hai điện cực b, Cảm biến một điện cực c, Cảm biến phát hiện
Sơ đồ cảm biến hình 1.2a bao gồm hai điện cực hình trụ được đặt trong chất lỏng dẫn điện Khi đo liên tục, các điện cực được kết nối với nguồn nuôi xoay chiều khoảng 10V để ngăn chặn hiện tượng phân cực Dòng điện chạy qua các điện cực có biên độ tương ứng với chiều dài phần điện cực chìm trong chất lỏng.
Sơ đồ cảm biến hình 1.2b chỉ sử dụng một điện cực, điện cực thứ hai là bình chứa bằng kim loại.
Sơ đồ cảm biến hình 1.2c được thiết kế để phát hiện ngưỡng với hai điện cực ngắn đặt ngang và một điện cực kết nối với thành bình kim loại Mỗi điện cực ngắn tương ứng với một mức ngưỡng cụ thể Khi mức chất lỏng chạm tới điện cực, dòng điện trong mạch sẽ thay đổi mạnh về biên độ, cho phép xác định chính xác ngưỡng chất lỏng.
Khi chất lỏng hoạt động như một chất cách điện, có thể tạo ra tụ điện bằng cách sử dụng hai điện cực hình trụ trong chất lỏng hoặc một điện cực kết hợp với thành bình chứa kim loại Chất điện môi giữa các điện cực bao gồm chất lỏng ở phần ngập và không khí ở phần không có chất lỏng Việc đo mức chất lỏng được chuyển đổi thành đo điện dung của tụ điện, với điện dung thay đổi theo mức chất lỏng trong bình chứa Để áp dụng phương pháp này, hằng số điện môi của chất lỏng cần phải lớn hơn hằng số điện môi của không khí, thường là gấp đôi.
Khi chất lưu là chất dẫn điện, việc tạo tụ điện được thực hiện bằng cách sử dụng một điện cực kim loại bên ngoài được phủ cách điện Lớp phủ này đóng vai trò là chất điện môi, trong khi chất lưu đảm nhận vai trò điện cực thứ hai.
Tìm hiểu về PLC
Theo yêu cầu của đề tài, chúng em đã sử dụng WinCC để mô phỏng hệ thống Mặc dù đã tìm hiểu về PLC S7-200 trong gần 2 năm, nhưng do WinCC không tương thích với loại PLC này, chúng em quyết định chuyển sang sử dụng PLC S7-300 Loại PLC này tương thích với WinCC, giúp quá trình mô phỏng diễn ra thuận lợi hơn Đây cũng là cơ hội để chúng em mở rộng kiến thức về các loại PLC khác nhau.
1.3.1.Khái quát chung về PLC S7-300
PLC là thiết bị điều khiển logic khả trình (Programmable Logic
PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển số linh hoạt thông qua ngôn ngữ lập trình Với thiết kế nhỏ gọn, PLC dễ dàng thay đổi thuật toán và thuận tiện trong việc trao đổi thông tin với các PLC khác hoặc máy tính Toàn bộ chương trình điều khiển được lưu trữ trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình như OB, FC hoặc FB, và được thực hiện theo chu kỳ vòng quét.
Bộ điều khiển logic khả trình (PLC) hoạt động như một máy tính, bao gồm bộ vi xử lý (CPU), hệ điều hành và bộ nhớ để lưu trữ chương trình điều khiển PLC cũng cần có cổng vào/ra để giao tiếp với đối tượng điều khiển và môi trường xung quanh Để phục vụ cho việc điều khiển số, PLC còn tích hợp các khối chức năng đặc biệt như bộ đếm (Counter), bộ thời gian (Timer) và các khối hàm chuyên dụng.
Để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế, các bộ điều khiển PLC không được cứng hoá về cấu hình mà được chia thành các module Số lượng module có thể thay đổi tùy theo từng bài toán, nhưng tối thiểu phải có một module chính là module CPU Các module còn lại bao gồm các module nhận/truyền tín hiệu và các module chức năng chuyên dụng như PID và điều khiển động cơ, được gọi chung là modul mở rộng Tất cả các module này được lắp đặt trên các thanh ray (Rack).
Hình 1.4 Cấu trúc một thanh Rack của PLC S7-300 Theo yêu cầu công nghệ của đề tài Trong hệ thống cần đo các đại lượng :
-Áp suất: P(bar) -Mức nước: H(m)
Để xây dựng hệ thống hiệu quả, chúng ta cần lựa chọn các module sau: Module CPU, Module nguồn (PS - Power Supply), Module ghép nối IM (Interface Module), Module tín hiệu SM (Signal Module) và Module truyền thông, được sử dụng để giao tiếp với máy tính.
Hình 1.5 Hình ảnh module CPU 312C
Modul CPU là một thành phần quan trọng, bao gồm bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, bộ thời gian, bộ đếm và cổng truyền thông như RS 485 Ngoài ra, modul này còn có thể tích hợp một số cổng vào/ra số, được gọi là cổng vào/ra onboard.
Trong họ PLC S7-300 có nhiều loại CPU khác nhau Nói chung chúng được đặt tên theo bộ vi xử lý có trong nó như modul 312, modul 314, modul 315
Các modul sử dụng cùng một loại bộ vi xử lý nhưng khác nhau về cổng vào/ra onboard và các khối hàm đặc biệt tích hợp trong thư viện hệ điều hành sẽ được phân biệt bằng cụm chữ IFM (Integrated Function Module) trong tên gọi Ví dụ, modul 312 IFM và modul 314 IFM.
Ngoài ra, các loại modul CPU hiện có hai cổng truyền thông, với cổng thứ hai chủ yếu phục vụ cho việc kết nối mạng phân tán Đi kèm với cổng này là các phần mềm tiện ích phù hợp đã được cài sẵn trong hệ điều hành Các CPU được phân biệt với modul CPU khác bằng cách thêm cụm từ đặc trưng.
DP (Distributed Port) trong tên gọi Ví dụ modul 315-DP, 315-2DP
Hình 1.6 Hình ảnh thực tế các module mở rộng của PLC S7-300
2 Module nguồn – PS ( Power supply)
Có chức năng cung cấp nguồn cho các module của hệ Simatic
*PS 307 2A dòng ra 2A Điện áp ra: 24VDC, chống ngắn mạch
Nối với hệ thống AC một pha (điện áp vào 120/230 VAC tần số 50/60
*PS 307 5A dòng ra 5A Điện áp ra: 24VDC, chống ngắn mạch
Nối với hệ thống AC một pha (điện áp vào 120/230 VAC tần số 50/60
*PS 307 10A dòng ra 10A Điện áp ra: 24VDC, chống ngắn mạch
Nối với hệ thống AC một pha (điện áp vào 120/230 VAC tần số 50/60 Hz)
3 Module ghép nối IM (Interface module)
Modul ghép nối là thiết bị chuyên dụng dùng để kết nối các modul mở rộng thành một khối duy nhất, được quản lý bởi modul CPU Các modul mở rộng thường được lắp đặt trên một thanh đỡ gọi là rack, với khả năng chứa tối đa 8 modul mở rộng trên mỗi rack (không tính modul CPU và modul nguồn) Modul CPU S7-300 có thể kết nối trực tiếp với tối đa 4 racks, và các racks này cần được nối với nhau thông qua modul IM.
4 Module tín hiệu SM (Signal module)
SM (Signal modul): modul mở rộng cổng tín hiện vào/ra bao gồm:
+ DI (digital input): modul mở rộng các cổng vào số Số các cổng vào số mở rộng có thể là 8, 16, hoặc 32 tuỳ theo từng loại module.
+ DO (digital output): modul mở rộng các cổng ra số Số các cổng ra số mở rộng có thể là 8, 16, hoặc 32 tuỳ theo từng loại modul
DI/DO (Digital Input/Digital Output) modules are designed to expand the number of digital input and output ports These modules can feature configurations such as 8 inputs and 8 outputs or 16 inputs and 16 outputs, depending on the specific type of module.
AI (analog input) là modul mở rộng các cổng vào tương tự, hoạt động như bộ chuyển đổi tương tự sang số 12 bit (AD) Mỗi tín hiệu tương tự được chuyển đổi thành tín hiệu số nguyên 12 bit Số lượng cổng vào tương tự có thể là 2, 4 hoặc 8, tùy thuộc vào loại modul.
AO (analog output) là modul mở rộng cổng ra tương tự, thực chất là các bộ chuyển đổi số sang tương tự (DA) Số lượng cổng ra tương tự có thể là 2 hoặc 4, tùy thuộc vào từng loại modul.
AI/AO (đầu vào/đầu ra tương tự) là modul mở rộng cho các cổng vào/ra tương tự, với số lượng cổng có thể là 4 cổng vào/2 cổng ra hoặc 4 cổng vào/4 cổng ra, tùy thuộc vào loại modul cụ thể.
5 Module truyền thông CP ( Communication module)
Phục vụ truyền thông trong mạng giữa các PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính.
1.3.2.1 Cách thức PLC thực hiện chương trình
PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp, gọi là vòng quét (scan), bắt đầu bằng việc chuyển dữ liệu từ các cổng vào số vào bộ đệm ảo I Sau đó, chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OB1 Giai đoạn tiếp theo là chuyển nội dung từ bộ đếm ảo Q tới các cổng ra số, và vòng quét kết thúc bằng giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm soát lỗi.
Hình 1.7 vòng quét chương trình
Chuyển dữ liệu từ cổng vào tới I
Truyền thông và kiểm tra nội bộ
Chuyển dữ liệu từ Q QUÉT tới cổng ra Thực hiện chương trình
Thời gian vòng quét (Scan time) của PLC không cố định và có thể thay đổi giữa các vòng quét khác nhau Thời gian này phụ thuộc vào số lượng lệnh trong chương trình và khối dữ liệu được truyền trong mỗi vòng quét, dẫn đến việc một số vòng quét có thể thực hiện lâu hơn trong khi những vòng khác lại nhanh hơn.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Xây dựng sơ đồ khối
Với yêu cầu: Xây dựng một hệ thống điều khiển, giám sát mức nước và áp suất của một nồi hơi. Ý tưởng thiết kế:
- Chắc chắn ta phải sử dụng PLC trong hệ thống.
- Cảm biến để đo áp suất và mức nước đưa vào PLC
- Máy tính để giao tiếp qua lại với PLC
- Biến tần để điều chỉnh tốc độ động cơ bơm nước thông qua PLC
Hình 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống
- Khối cảm biến: Gồm có cảm biến mức nước và áp suất, lấy thông tin mức nước và áp suất đưa về module tương tự.
- Khối PLC: là khối đọc tín hiệu từ module tương tự (tín hiệu đã được chuyển đổi về dạng số) báo về, xử lý tín hiệu số theo
Máy tính PLC Biến tần Động cơ bơm nước
Cảm biến chương trình đã có sẵn trong bộ VXL (ở đây ta sử dụng PLC S7-
Khối máy tính đóng vai trò giám sát và tạo môi trường trao đổi dữ liệu giữa người vận hành và hệ thống xử lý trung tâm Trong quá trình này, phần mềm WinCC v7.0 được sử dụng để giám sát, trong khi Step7 đảm nhiệm việc quản lý PLC.
- Khối biến tần: nhận tín hiệu điều khiển từ PLC để điều khiển tốc độ động cơ bơm nước hệ thống
- Khối động cơ gồm động cơ bơm nước.
Lựa chọn thiết bị
2.2.1 Lựa chọn cảm biến áp suất
- Vị trí đặt cảm biến áp suất: Trên thành của nồi hơi.
- Tín hiệu đầu ra của cảm biến là tín hiệu analog (tín hiệu tương tự) sẽ được đưa vào module mở rộng SM331 của PLC S7-300.
- Ta có hàm tính toán như sau:
Cảm biến áp suất 50bar Sensys M5256-C3079E-050BG
Hình 2.2 Cảm biến áp suất của hãng SENSYS
- Ngõ ra: 4~20mA (được bảo vệ nối ngược cực và ngắn mạch).
- Điện trở cách điện: 100MΩ, @500VDC
- Kiểu nối cáp: Mini DIN43650
- Áp suất đột ngột: 5 lần áp suất định mức
- Thân vỏ thép không gỉ
- Môi chất: nước, dầu, khí.
- Giấy hợp chuẩn CE về công nghệ nặng.
2.1.2 Lựa chọn cảm biến đo mức
Cảm biến laze, được lắp đặt trên nóc bình chứa, phát ra một tia laze xuống bề mặt chất lỏng và nhận tín hiệu phản hồi Tia laze không bị phân tán, không bị ảnh hưởng bởi âm thanh và truyền thẳng qua không khí, mang lại độ chính xác cao ngay cả trong điều kiện có hơi nước hoặc bọt bóng Với khoảng cách đo lên đến 450m, phương pháp này lý tưởng cho các bình chứa có nhiều vật cản Đặc biệt, trong các ứng dụng có áp suất và nhiệt độ cao như lò phản ứng hạt nhân, cảm biến laze là lựa chọn hàng đầu.
Tín hiệu ra của cảm biến laze này được đưa vào module mở rộng analog SM331 của PLC S7-300.
Ta có hàm tính toán như sau:
- Tần số sóng siêu âm hoạt động 65-380KHz.
- Góc phát sóng hẹp ± , kiểm tra được các vật có diện tích nhỏ100×100mm.
- Đèn báo chỉ thị trạng thái ngõ ra màu xanh.
- Nhiệt độ hoạt động -10~150°C, đạt độ kín IEC IP65.
- Lắp đặt đơn giản , dễ dàng bảo trì, thiết kế với tuổi thọ cao.
Lựa chọn Module nguồn cho PLC S7-300
Chọn loại nguồn PS 307 -5A, mã 6ES7307-1EA00-0AA0
Hình 2.4 Module nguồn PS 307-5A của Siemens
- Nguồn cấp đầu vào 120/230 VAC
Lựa chọn Module CPU cho PLC S7-300
Các thông số của CPU 312
- STEP 7 V5.5 + SP1 hoặc cao hơn hoặc STEP7 V5.2 + SP1 hoặc cao hơn với HSP 218 Bộ nhớ lưu chương trình: MMC ( tối đa 4 MB)
- Vùng địa chỉ vào/ra: 1024/1024 byte ( có thể định địa chỉ tự do).
- Kênh số vào/ra tối đa: 256/256
- Tần số chuyển mạch tối đa: 100Hz ( tải trở), 0.5 Hz ( tải cảm)
- Ngôn ngữ lập trình: Step 7 (LAD/FBD/STL), SCL, GRAPH, HiGraph Chọn Module analog cho PLC S7-300
Module tương tự SM334 4 AI/ 2AO x 12/12 bits (6ES7334- 0CE01-0AA0)
- Có 4 ngõ vào, 2 ngõ ra
- Đo từ 0 đến 10V hoặc từ 0 đến 20mA
- Ngõ ra từ 0 đến 10V hoặc từ 0 đến 20 mA
Hình 2.7 Sơ đồ đấu dây với ngõ vào điện áp và ngõ ra điện áp
Hình 2.8 Sơ đồ đấu dây với ngõ vào dòng điện vào ngõ ra dòng điện
2 Bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC)
5 Bộ chuyển đổi số sang tương tự (DAC)
Kết nối chân MANA (chân 15 hoặc 18) với chân mass M của CPU bằng dây có tiết diện tối thiểu 1mm² là rất quan trọng Nếu không thực hiện kết nối này, module sẽ không hoạt động và ngõ vào sẽ có giá trị 7FFFH, trong khi ngõ ra sẽ bằng 0 Việc để module hoạt động mà không nối mass trong thời gian dài có thể gây hư hỏng.
Tuyệt đối tránh đấu nguồn ngược cực Việc này có thể là nguyên nhân làm cháy module.
Chọn loại biến tần MM420 của hãng Siemens
Hình 2.9 Biến tần MM420 của Siemens
- Biến tần MM420 điều khiển
+ cài đặt các thông số:
P0003 = 1: chọn mức truy nhập cơ bản
P0004 = 0: lọc tất cả cá thông số
P0010 = 1: chọn loại cài đặt nhanh
P2050 = 0: chọn loại động cơ có mô men k đổi
P0300 = 1: loại động cơ không đồng bộ
P0307 : công suất định mức động cơ
P700 = 1: chọn điểm đặt điều chỉnh là bàn phím
P1000 = 2: chọn điểm đặt tương tự lấy từ PLC
Kết thúc chọn P0010 = 0: chế độ sẵn sàng hoạt động.
2.1.5 Lựa chọn động cơ bơm nước
Hình 2.10 Động cơ bơm nước
Xây dựng lưu đồ thuật toán
Máy bơm công nghiệp EBARA 3M 40-160/3,0
Công suất 3Kw/4Hp Điện áp sử dụng 380V
Kích thước họng hút -xả 76-49mm
Vật liệu thân bơm Nhôm
Nhiệt độ chất lỏng bơm tối đa 90 °C
MAIN Đo, điều khiển và cảnh báo áp suấtKhởi động hệ thống
Hình 2.11 thuật toán điều khiển của hệ thống
- Chương trình chính của bài toán bao gồm 2 công việc :
Công việc đầu tiên là đo và cảnh báo áp suất Tín hiệu áp suất từ cảm biến được truyền đến PLC để đọc và hiển thị giá trị áp suất Dựa vào thông tin này, hệ thống sẽ điều khiển động cơ bơm nước và phát cảnh báo khi mức áp suất vượt quá ngưỡng cho phép.
Công việc 2 : Đo và cảnh báo mức nước cao và mức nước thấp. Đo và cảnh báo mức nước
Hình 2.12 Thuật toán khởi động hệ thống
- Lưu đồ thuật toán đo, điều khiển và cảnh báo áp suất
S Đ Đ Đo và cảnh báo áp suất
Nhận tín hiệu tự cảm biến và xử lí tín hiệu
Hình 2.13 Lưu đồ thuật toán điều khiển và cảnh báo áp suất
- Lưu đồ thuật toán đo và cảnh báo mức nước. Ápsuất25 bar
Bật đèn cảnh báo áp suất cao HAP
S Đ Đ Đo dieu khien và cảnh báo mức nước
Bật đèn cảnh báo mức thấp
Bật đèn cảnh báo mức cao HAL
Nhận tín hiệu tự cảm biến và xử lí tín hiệu
Hình 2.14 Lưu đồ thuật toán đo và cảnh báo mức nước
PIN1 PIN2 PIN3 cam bien ap suat MBS3000 2011-1AB04
Hình 2.15 sơ đồ đấu dây
Xây dựng phần mềm
2.6 Thiết kế giao diện HMI.
Mô hình mô tả hệ thống hoạt động trên wincc
Hình 2.13 Hệ thống khi chưa khởi động
Hình 2.14 Hệ thống sau khi nhấn START.
Khởi động hệ thống bằng cách ấn nút START, đèn RUN sẽ sáng báo hiệu hệ thống đang hoạt động Khi mức nước từ 0-0,5m, van M mở và đèn LAL sáng để báo mức nước thấp, nước sẽ được cấp vào nồi hơi Khi mức nước vượt quá 0,5m, đèn LAL tắt và nước tiếp tục được bơm vào nồi hơi Khi mức nước tăng lên 1,5m, máy bơm sẽ hoạt động Nếu mức nước vượt quá 2,5m, đèn HAL sẽ sáng để cảnh báo mức nước cao.