Đại học Công nghiệp Hà Nội Điện - K9 Mục Lục Lời nói đầu Chương : Cơ sở lý thuyết 1.1 – Mục đích đề tài .3 1.2 – Phương pháp đo .3 1.3 – Tìm hiểu PLC 1.3.1 – Khái quát PLC S7 1200 1.3.2 – Các modul mở rộng 18 Chương : Thiết kế hệ thống 2.1 – Lựa chọn thiết bị giới hạn tham số 20 2.2 – Xây dụng sơ đồ khối 32 2.3 – Xây dựng thuật toán 33 2.4 – Xây dựng phần mềm .36 Chương 3: Kết đề tài 3.1 – Kết lý thuyết 41 3.2 – Kết luận 45 Nhóm Page Đại học Công nghiệp Hà Nội Điện - K9 LỜI NÓI ĐẦU Trong ngành công nghiệp đại , kĩ thuật tự động đóng vai trò định sản xuất sản phẩm tiêu dùng Nếu suất tăng cao sức lao động giảm giá thành sản phẩm thấp Để làm hệ thống tự động PLC thành phần thiếu PLC viết tắt Programmable Logic Controller, thiết bị điều khiển lập trình (khả trình) cho phép thực linh hoạt thuật toán điều khiển logic thông qua ngôn ngữ lập trình Người sử dụng lập trình để thực loạt trình tự kiện Các kiện kích hoạt tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC qua hoạt động có trễ thời gian định thời hay kiện đếm PLC dùng để thay mạch rơ le thực tế PLC hoạt động theo phương thức quét trạng thái đầu đầu vào Khi có thay đổi đầu vào đầu thay đổi theo Ngôn ngữ lập trình PLC Ladder hay State Logic Hiện có nhiều hãng sản xuất PLC Siemens, Allen-Bradley, Mitsubishi Electric, General Electric, Omron, Honeywell Trong PLC, phần cứng CPU chương trình đơn vị cho trình điều khiển xử lý hệ thống Chức mà điều khiển cần thực xác định chương trình Chương trình nạp sẵn vào nhớ PLC, PLC thực việc điều khiển dựa vào chương trình Như muốn thay đổi hay mở rộng chức qui trình công nghệ, ta cần thay đổi chương trình bên nhớ PLC Việc thay đổi hay mở rộng chức thực cách dễ dàng mà không cần can thiệp vật lý so với sử dụng dây nối hay rơle Trong đề tài, chúng em sử dụng PLC vào đo , điều khiển cảnh báo lưu lượng đường ống với dài đo : [0÷10] l/s Em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy cô giáo khoa điện, đặc biệt cô Nguyễn Thu Hà Sinh viên thực Nhóm Nhóm Page Đại học Công nghiệp Hà Nội Điện - K9 Chương : Cơ sở lý thuyết 1.1 Mục đích đề tài Các trạm bơm cung cấp nước với công suất lớn thường sử dụng khu công nghiệp, khu dân cư, chung cư, khách sạn tòa nhà cao tầng, hệ thống phân phối nước mạng lưới cấp nước sinh hoạt, trạm cấp nước nông thông… Các trạm bơm nước phổ biến thiết kế theo phương pháp truyền thống với đặc điểm bơm khởi động trực tiếp sao/ tam giác tất động hoạt động tốc độ định mức Phương pháp có nhược điểm tổn hao điện lớn khó kiểm soát lưu lượng đường ống Trên sở kiến thức trang bị ghế nhà trường, dựa vào tính ưu việt PLC biến tần Em xin lựa chọn đề tài “đo, điều khiển cảnh báo lưu lượng đường ống” với chức giống với hệ thống biến tần 1.2 Phương pháp đo Lưu lượng chất lưu lượng chất lưu chảy qua tiết diện ngang ống đơn vị thời gian Tuỳ theo đơn vị tính lượng chất lưu (theo thể tích khối lượng) người ta phân biệt: - Lưu lượng thể tích (Q) tính m3/s, m3/giờ - Lưu lượng khối (G) tính kg/s, kg/giờ Lưu lượng trung bình khoảng thời gian Δt = t2 - t1 xác định biểu thức: Qtb = Gtb = Trong ΔV, Δm thể tích khối lượng chất lưu chảy qua ống thời khoảng gian khảo sát Lưu lượng tức thời xác định theo công thức: Q= G= Để đo lưu lượng người ta dùng lưu lượng kế Tuỳ thuộc vào tính chất chất lưu, yêu cầu công nghệ, người ta sử dụng lưu lượng kế khác Nguyên lý hoạt động lưu lượng kế dựa sở: - Đếm trực tiếp thể tích chất lưu chảy qua công tơ khoảng thời gian xác định Δt - Đo vận tốc chất lưu chảy qua công tơ lưu lượng hàm vận tốc Nhóm Page Đại học Công nghiệp Hà Nội - Điện - K9 Đo độ giảm áp qua tiết diện thu hẹp dòng chảy, lưu lượng hàm phụ thuộc độ giảm áp Tín hiệu đo biến đổi trực tiếp thành tín hiệu điện nhờ chuyển đổi điện thích hợp Các phương pháp đo lưu lượng Đo lưu tốc kế cánh quạt Đo lưu tốc kế kiểu cảm ứng Đo tần số dòng xoáy Đo sóng siêu âm Đo cảm ứng điện từ Đo độ giảm áp suất Đo theo nguyên lý gia nhiệt Ở đề tài này, chúng em sử dụng phương pháp đo cảm ứng điện từ a) Cấu tạo: Gồm có : E – Điện áp cảm ứng B – Từ trường D – Khoảng cách điện cực V – Vận tốc dòng chảy Nhóm Page Đại học Công nghiệp Hà Nội Điện - K9 Hình – cảm biến đo lưu lượng chất lỏng b)Nguyên lý hoạt động cảm biến lưu lượng điện từ Cảm biến lưu lượng điện từ hoạt động dựa vào định luật điện từ Faraday dùng để đo dòng chảy chất lỏng có tính dẫn điện Hai cuộn dây điện từ để tạo từ trường (B) đủ mạnh cắt ngang mặt ống dẫn chất lỏng (hình 1) Theo định luật Faraday, chất lỏng chảy qua đường ống sinh điện áp cảm ứng Điện áp lấy hai điện cực đặt ngang đường ống Tốc độ dòng chảy tỷ lệ trực tiếp với biên độ điện áp cảm ứng đo Cuộn dây tạo từ trường B kích hoạt nguồn AC DC Khi kích hoạt nguồn AC - 50Hz, cuộn dây kích thích tín hiệu xoay chiều Điều có thuận lợi dòng tiêu thụ nhỏ so với việc kích hoạt nguồn DC Tuy nhiên phương pháp kích hoạt nguồn AC nhạy cảm với nhiễu Do đó, gây Nhóm Page Đại học Công nghiệp Hà Nội Điện - K9 sai số tín hiệu đo Hơn nữa, trôi lệch điểm “không” thường vấn đề lớn hệ đo cấp nguồn AC chỉnh Bởi vậy, phương pháp kích hoạt nguồn xung DC cho cuộn dây từ trường giải pháp mang lại hiệu cao Nó giúp giảm dòng tiêu thụ giảm nhẹ vấn đề bất lợi gặp phải với nguồn AC Đối với hệ thống lắp đặt cảm biến lưu lượng điện từ cần lưu ý đến điểm sau: - đo chất lỏng có khả dẫn điện; chọn lựa điện cực thay đổi tùy thuộc vào độ dẫn điện, cấu tạo đường ống cách lắp đặt; tổn hao hệ áp suất, nên cần lưu ý đến dải đo lưu lượng thấp; thích hợp đo lưu lượng chất lỏng ăn mòn, dơ bẩn, đặc sệt xi măng, thạch cao, cảm biến đo loại phận lắp đặt phía ống dẫn; độ xác cao, sai số ±1% dải thị lưu lượng; giá thành cao Nhóm Page Đại học Công nghiệp Hà Nội Điện - K9 1.3 Tìm hiểu PLC S7 - 1200 1.3.1 Khái quát PLC S7 – 1200 a) Tìm hiểu chung Năm 2009, Siemens dòng sản phẩm SIMATIC S7-1200 dùng để thay dần cho SIMATIC S7-200 SIMATIC S7-1200 có tính trội sau: - SIMATIC S7-1200 dòng điều khiển logic khả trình (PLC) kiểm soát nhiều ứng dụng tự động hóa, phù hợp với ứng dụng tự động hóa quy mô vừa nhỏ Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, tập lệnh mạnh làm cho có giải pháp hoàn hảo cho ứng dụng sử dụng với SIMATIC S7-1200 - Hết sức đơn giản cài đặt, lập trình vận hành Có thể sử dụng cho nhiệm vụ điều khiển đơn giản phức tạp - Đa ứng dụng, sử dụng hệ thống đơn lẻ mạng với hệ thống phân phối - Có thể tận dụng thiết bị cũ để tiết kiệm chi phí - Có tính thời gian thực mạnh mẽ Dễ dàng cho việc ứng dụng thời gian thực cho hệ thống - S7-1200 bao gồm vi xử lý (microprocessor), nguồn cung cấp tích hợp sẵn, đầu vào/ra (DI/DO) - S7-1200 tích hợp sẵn cổng truyền thông PROFINET: + Dùng để kết nối máy tính, với hình HMI hay truyền thông PLC-PLC + Dùng kết nối với thiết bị khác có hỗ trợ chuẩn Ethernet mở +Đầu nối RJ45 với tính tự động chuyển đổi đấu chéo +Tốc độ truyền 10/100 Mbits/s +Hỗ trợ 16 kết nối ethernet +TCP/IP, ISO on TCP, S7 protocol - Các tính đo lường, điều khiển vị trí, điều khiển trình: + đếm tốc độ cao (high speed counter) dùng cho ứng dụng đếm đo lường, có đếm 100kHz đếm 30kHz +2 ngõ PTO 100kHz để điều khiển tốc độ vị trí động bước hay lái servo (servo drive) +Ngõ điều rộng xung PWM, điều khiển tốc độ động cơ, vị trí valve, hay điều khiển nhiệt độ Nhóm Page Đại học Công nghiệp Hà Nội Điện - K9 +16 điều khiển PID với tính tự động xác định thông số điểu khiển (autotune functionality b) Cấu tạo PLC S7 - 1200 1, Bộ phận kết nối nguồn 2, Các phận kết nối nối dây người dùng tháo (phía sau nắp che) 3, Khe cắm thẻ nhớ nằm cửa phía 4, Các LED trạng thái dành cho I/O tích hợp 5, Bộ phận kết nối PROFINET (phía CPU) Các kiểu CPU khác cung cấp đa dạng tính dung lượng giúp cho người dùng tạo giải pháp có hiệu cho nhiều ứng dụng khác c) Phần mềm điều khiển lập trình Phần mềm dùng để điều khiển lập trình cho Simatic S7-1200 TIA Portal TIA Portal (The Totally Integrated Automation Portal) phần mềm sở tích hợp tất phần mềm lập trình cho hệ thống tự động hóa truyền động điện Phần mềm tích hợp sản phẩm SIMATIC khác phần mềm ứng dụng ví dụ Simatic Step V13 để lập trình điều khiển Simatic, Simatic WinCC V13 để cấu hình hình HMI chạy Scada máy tính, giúp tăng suất hiệu làm việc Nhóm Page Đại học Công nghiệp Hà Nội Điện - K9 Hình 1.4: Phần mềm TIA Portal TIA Portal giúp cho phần mềm chia sở liệu, tạo nên thống giao diện tính toàn vẹn cho ứng dụng Ví dụ, tất thiết bị mạng truyền thông cấu hình cửa sổ Hướng ứng dụng, khái niệm thư viện, quản lý liệu, lưu trữ dự án, chẩn đoán lỗi, tính online đặc điểm có ích cho người sử dụng sử dụng chung sở liệu TIA Portal TIA Portal cung cấp hệ thống kĩ thuật thông minh trực quan hơn, với giao diện trực quan, dễ nhìn, tính “kéo- thả” đơn giản, thuận tiện cho việc lập trình Hai phần mềm quan trọng TIA Portal Simatic Step Simatic WinCC( phiên dành cho S7-1200 TIA Portal v13) d) Ứng dụng PLC S7 – 1200 SIMATIC S7-1200 điều khiển dùng nhiệm vụ điều khiển vòng hở vòng kín Nó kết hợp mức độ tự động hóa tối đa với giá thành thấp Với hiệu sử dụng cao, phạm vi sử dụng S7-1200 trải rộng từ việc thay mạch rơ-le contactor đơn giản đến mạch điều khiển tự động hóa phức tạp mạng thiết bị phân tán Các ứng dụng phổ biến ví dụ sau: Đóng gói bao bì; Trạm trộn xi măng vữa; Quạt thông gió cho nhà máy, xí nghiệp; Hệ thống bôi trơn tập Nhóm Page Đại học Công nghiệp Hà Nội Điện - K9 trung; Máy gia công gỗ; Điều khiển cửa tự động; Hệ thống nâng thủy lực; Hệ thống băng tải; Công nghiệp thực phẩm; Phòng thí nghiệm; Các ứng dụng điều biến; Lắp ráp thiết bị điện; Giám sát, bảo vệ hệ thống điều khiển; Điều khiển hệ thống ánh sáng; Điều khiển hệ thống bơm; Hệ thống phòng cháy; Hệ thống điều khiển an ninh/vào ra; Hệ thống điều khiển gia nhiệt/làm mát; Điều khiển nhiệt độ phòng Ngoài ra, S7 – 1200 có ứng dụng như: - Điều khiển từ xa thông qua mạng Profinet, Internet, ModBus, qua hệ thống mạng không dây -PLC kết nối với PLC thông qua Internet mạng nội Có thể truyền thông thông qua mạng Ethernet công nghiệp khoảng cách tối đa 100m - Điều khiển, truy cập vào S7-1200 từ xa thông qua Internet web server: Có thể truy cập vào PLC thông qua trình duyệt Web, nhiên PLC trường hợp cần đặt IP tĩnh để kết nối Đặc biệt S7-1200 cung cấp giải pháp để điều khiển từ xa qua mạng Ethernet, Profinet, qua hệ thống mạng không dây Ngoài ứng dụng giao tiếp với Wincc xuất dự liệu Excel, truyền thông mạng Profibus với PLC, biến tần Siemens, truyền thông Profinet PLC với PLC,… Khả mở rộng: S7-1200 hỗ trợ tối đa module mở rộng tín hiệu vào/ra(SM) module truyền thông e) Khả làm việc - Simatic S7-1200 ứng dụng nhiều lĩnh vực sản xuất, thực hầu hết công việc mà PLC đảm nhiệm với suất hiệu cao - Với việc tích hợpPROFINET, hỗ trợ truyền thông tiêu chuẩn truyền thông Ethernet dựa TCP/IP, S7-1200 có khả kết nối mạnh linh hoạt với thiết bị khác Nhóm Page 10 Đại học Công nghiệp Hà Nội Điện - K9 2.3) Xây dựng thuật toán Nhóm Page 37 Đại học Công nghiệp Hà Nội Điện - K9 Bắt đầu Đặt tham số Đọc tín hiệu từ cảm biến Tính toán lưu lượng No No Q>=7 (L/s) Q mục AI => mục AI 4×1 3BIT  6ES7 231- 4HD32 – 0XB0 Nhóm Page 39 Đại học Công nghiệp Hà Nội Điện - K9 Kích vào Modul vừa tạo SM 1231 AI vào mục General chọn vào Analog Input Trong Chanel 0, chuyển Measurement type từ Vol sang Current Nhóm Page 40 Đại học Công nghiệp Hà Nội Điện - K9 Chuyển Current range từ 20mA sang 4…20mA Vào I/0 adressesđể cài đặt giá trị khởi tạo giá trị kết thúc khởi tạo Vào hardware identifier để xem cấu hình phần cứng Nhóm Page 41 Đại học Công nghiệp Hà Nội Điện - K9 2.4) Xây dựng phần mềm 2.4.1) Hàm biến đổi Analog Nhóm Page 42 Đại học Công nghiệp Hà Nội Điện - K9 2.4.2) Chương trình Nhóm Page 43 Đại học Công nghiệp Hà Nội Điện - K9 Mô tả hoạt động hệ thống : Nhấn START để khởi động , động bơm nước vào đường ống Cảm biến lưu lượng MAG 5000 hoạt động Đưa tín hiệu PLC S7 1200 PLC xử lý tín hiệu Analog modul analog Các tín hiệu analog từ đến 20mA cảm biến biến đổi thành liệu lưu lượng nước Sa sánh liệu với cách tham sô, từ đưa cách điều chỉnh phù hợp : Nhóm Page 44 Đại học Công nghiệp Hà Nội Điện - K9 + Lưu lượng nước thấp (L/s) Đèn FLA sáng lên PLC xuất tín hiệu để biến tần điều chỉnh tăng tốc độ động lên, để tăng lưu lượng nước đường ống Khi lưu lượng cao (L/s) tốc độ động trở bình thường đèn FLA tắt + Lưu lượng nước cao (L/s) Đèn FHA sáng lên PLC xuất tín hiệu để biến tần điều chỉnh giảm tốc độ động xuống, để giảm lưu lượng nước đường ống Khí lưu lượng thấp (L/s) tốc độ động trở bình thường FHA tắt Nhóm Page 45 Đại học Công nghiệp Hà Nội Điện - K9 Chương : Kết đề tài 3.1) Kết lý thuyết Mô PLC SIM : Khi khởi động hệ thống : Nhóm Page 46 Đại học Công nghiệp Hà Nội Nhóm Điện - K9 Page 47 Đại học Công nghiệp Hà Nội Điện - K9 Khi lưu lượng nước đạt mức 2,5 L/s Nhóm Page 48 Đại học Công nghiệp Hà Nội Điện - K9 Khi lưu lượng đạt mức 7,5 L/s Nhóm Page 49 Đại học Công nghiệp Hà Nội Điện - K9 Khi lưu lượng đạt L/s Nhóm Page 50 Đại học Công nghiệp Hà Nội Điện - K9 3.2) Kết luận Sau thời gian làm tập lớn chúng em thu số kết định cụ thể : + + + + Sử dụng phần mềm TIA portal Phát triển kĩ làm việc nhóm Các loại cảm biến đo lưu lượng Hiểu thêm biến tần Vì kiến thức hạn chế kinh nghiệm thực tế nên đồ án chúng em nhiều sai sót độ xác chưa cao, mong thầy cô bạn góp ý cho đồ án chúng em hoàn thiện Chúng em xin chân thành cám ơn ! Nhóm Page 51 ... dựa vào tính ưu việt PLC biến tần Em xin lựa chọn đề tài đo, điều khiển cảnh báo lưu lượng đường ống với chức giống với hệ thống biến tần 1.2 Phương pháp đo Lưu lượng chất lưu lượng chất lưu. .. mà không cần can thiệp vật lý so với sử dụng dây nối hay rơle Trong đề tài, chúng em sử dụng PLC vào đo , điều khiển cảnh báo lưu lượng đường ống với dài đo : [0÷10] l/s Em xin chân thành gửi... công thức: Q= G= Để đo lưu lượng người ta dùng lưu lượng kế Tuỳ thuộc vào tính chất chất lưu, yêu cầu công nghệ, người ta sử dụng lưu lượng kế khác Nguyên lý hoạt động lưu lượng kế dựa s : - Đếm