BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÕNG
ISO 9001:2008
THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG BỘ PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN
MỨC NƢỚC TRONG BỂ CHỨA CÔNG NGHIỆP
ỨNG DỤNG PLC KẾT NỐI BIẾN TẦN
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP
HẢI PHÒNG – 2017
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÕNG
ISO 9001:2008
THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG BỘ PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN
MỨC NƢỚC TRONG BỂ CHỨA CÔNG NGHIỆP
ỨNG DỤNG PLC KẾT NỐI BIẾN TẦN
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP
Sinh viên: Vũ Trọng Nghĩa
Ngƣời hƣớng dẫn: Th.S Nguyễn Đức Minh
HẢI PHÒNG – 2017
Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam
Độc lập – Tự Do – Hạnh Phúc
—————-o0o—————–
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG
NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
Sinh viên : Vũ Trọng Nghĩa – MSV : 1312102012
Lớp : ĐC1701- Ngành Điện Tự Động Công Nghiệp
Tên đề tài : Thiết kế và xây dựng bộ PID để điều khiển mức
nƣớc trong bể chứa công nghiệp ứng dụng PLC kết nối biến tần
NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI
1. Nội dung và các yêu cầu cần giải quyết trong nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp (về
lý luận, thực tiễn, các số liệu cần tính toán và các bản vẽ).
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
2. Các số liệu cần thiết để thiết kế, tính toán
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
3. Địa điểm thực tập tốt nghiệp………………………………………………………………..:
CÁC CÁN BỘ HƢỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
Ngƣời hƣớng dẫn thứ nhất:
Họ và tên
Học hàm, học vị
Cơ quan công tác
Nội dung hƣớng dẫn
:
:
:
:
Nguyễn Đức Minh
Thạc sĩ
Trƣờng Đại học dân lập Hải Phòng
Toàn bộ đề tài
Ngƣời hƣớng dẫn thứ hai:
Họ và tên
Học hàm, học vị
Cơ quan công tác
Nội dung hƣớng dẫn
:
:
:
:
Đề tài tốt nghiệp đƣợc giao ngày……tháng……năm 2017.
Yêu cầu phải hoàn thành xong trƣớc ngày……tháng…….năm 2017
Đã nhận nhiệm vụ Đ.T.T.N
Sinh viên
Vũ Trọng Nghĩa
Đã giao nhiệm vụ Đ.T.T.N
Cán bộ hƣớng dẫn Đ.T.T.N
Th.S Nguyễn Đức Minh
Hải Phòng, ngày……..tháng……..năm 2017
HIỆU TRƢỞNG
GS.TS.NGƢT TRẦN HỮU NGHỊ
PHẦN NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
1.Tinh thần thái độ của sinh viên trong quá trình làm đề tài tốt nghiệp.
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
2. Đánh giá chất lƣợng của Đ.T.T.N ( so với nội dung yêu cầu đã đề ra trong
nhiệm vụ Đ.T.T.N, trên các mặt lý luận thực tiễn, tính toán giá trị sử dụng,
chất lƣợng các bản vẽ..)
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
3. Cho điểm của cán bộ hƣớng dẫn
( Điểm ghi bằng số và chữ)
Ngày……tháng…….năm 2017
Cán bộ hƣớng dẫn chính
(Ký và ghi rõ họ tên)
NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ CỦA NGƢỜI CHẤM PHẢN BIỆN
ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
1. Đánh giá chất lƣợng đề tài tốt nghiệp về các mặt thu thập và phân tích số
liệu ban đầu, cơ sở lý luận chọn phƣơng án tối ƣu, cách tính toán chất lƣợng
thuyết minh và bản vẽ, giá trị lý luận và thực tiễn đề tài.
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
2. Cho điểm của cán bộ chấm phản biện
( Điểm ghi bằng số và chữ)
Ngày……tháng…….năm 2017
Ngƣời chấm phản biện
(Ký và ghi rõ họ tên)
MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU …………………………………………………………………………………….. 1
CHƢƠNG 1. ỨNG DỤNG CỦA ĐỀ TÀI TRONG THỰC TIỄN VÀ
QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CỦA MÔ HÌNH
……………………………………… 2
1.1. ỨNG DỤNG TÀI CỦA ĐỀ TRONG THỰC TIỄN.
……………………….. 2
1.1.1. Đặt vấn đề. ……………………………………………………………………………. 2
1.1.2. Ứng dụng thực tế của mô hình.
………………………………………………… 3
1.2. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CỦA MÔ HÌNH ………………………………. 8
1.2.1. Yêu cầu công nghệ.
………………………………………………………………… 8
1.2.2. Quy trình công nghệ. ……………………………………………………………. 10
1.3. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1. …………………………………………………………. 11
CHƢƠNG 2. TÌM HIỂU CÁC THIẾT BỊ TRÊN MÔ HÌNH
……………… 12
2.1. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH. …………………………………………………… 12
2.2. TÌM HIỂU CÁC THIẾT BỊ TRÊN MÔ HÌNH. ……………………………. 13
2.2.1. Biến tần INVT. ……………………………………………………………………. 13
2.2.2. Cảm biến siêu âm.
………………………………………………………………… 18
2.2.3. Bộ nguồn 1 chiều. ………………………………………………………………… 20
2.2.4. Động cơ bơm. ……………………………………………………………………… 21
2.3. KẾT LUẬN CHƢƠNG 2. …………………………………………………………. 21
CHƢƠNG 3. TÌM HIỂU VỀ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN ……………………… 22
3.1. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN VÀ LẬP TRÌNH PLC………………. 22
3.1.1. Điều khiển lập trình là gì?……………………………………………………… 22
3.1.2. Ƣu khuyết điểm của PLC………………………………………………………. 22
3.1.3. Cấu trúc của PLC. ………………………………………………………………… 23
3.1.4. Nguyên lý hoạt động của PLC.
………………………………………………. 27
3.2. ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH VỚI SIMATIC S7-200.
…………………….. 27
3.2.1. Tổng quan về PLC S7-200…………………………………………………….. 27
3.2.2.Các dòng và thông số kỹ thuật của PLC S7-200 hãng SIEMEN. … 27
3.2.3.Cấu hình phần cứng PLC S7-200. …………………………………………… 28
3.2.4. Tập lệnh cơ bản của PLC S7-200. ………………………………………….. 29
3.2.5. Tìm hiểu về CPU 224 của Siemens. ……………………………………….. 32
3.2.6. Tìm hiểu về Modul mở rộng trong S7-200.
……………………………… 34
3.3. THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN PID TRONG S7-200. ………………………. 38
3.3.1 Giới thiệu bộ điều khiển PID. …………………………………………………… 38
3.3.2. Bộ điều khiển tỉ lệ(P). …………………………………………………………….. 38
3.3.3. Bộ điều khiển tích phân(I). ……………………………………………………… 40
3.3.4. Bộ điều khiển vi phân(D).
……………………………………………………….. 41
3.3.5. Tổng hợp 3 khâu, bộ điều khiển PID. ……………………………………….. 42
3.3.6. Thiết kế bộ PID. …………………………………………………………………….. 43
3.3.7. PID trong PLC S7-200. …………………………………………………………… 47
3.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG 3……………………………………………………………… 57
CHƢƠNG 4. XÂY DỰNG THUẬT TOÁN, LẬP TRÌNH VÀ KẾT NỐI
CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƢỚC ………………………………… 58
4.1. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG. ……………………………….. 58
4.2. XÂY DỰNG LƢU ĐỒ THUẬT TOÁN CHO MÔ HÌNH. ……………….. 59
4.2.1. Khái niệm. …………………………………………………………………………….. 59
4.2.2. Lƣu đồ thuật toán tổng quát. ……………………………………………………. 59
4.2.3. Lƣu đồ thuật toán chi tiết. ……………………………………………………….. 61
4.3. KẾT NỐI S7-200 VỚI MÁY TÍNH. ………………………………………………. 62
4.3.1. Các thiết bị sử dụng………………………………………………………………… 62
4.3.2. Thiết lập truyền thông. ……………………………………………………………. 62
4.4. CHƢƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN (PHƢƠNG PHÁP LADDER).
……… 65
4.4.1. Chƣơng trình chính. ……………………………………………………………….. 65
4.4.2. Chƣơng trình con chế độ manual. …………………………………………….. 68
4.4.3. Chƣơng trinh con chế độ Auto.
………………………………………………… 68
4.4.4. Chƣơng trình con Scale.
………………………………………………………….. 69
4.4.5. Chƣơng trình ngắt PID.
………………………………………………………….. 71
4.5. SƠ ĐỒ KẾT NỐI PHẦN CỨNG CỦA HỆ THỐNG. ………………………. 72
4.5.1. Sơ đồ kết nối PLC ………………………………………………………………….. 72
4.5.2. Sơ đồ kết nối biến tần.
…………………………………………………………….. 73
4.6. THIẾT KẾ CHƢƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT CHO HỆ
THỐNG. ……………………………………………………………………………………………. 73
4.6.1. Giới thiệu về WinCC. …………………………………………………………….. 73
4.6.2. Kết nối WinCC với OPC
…………………………………………………………. 77
4.6.3. Thiết kế WinCC cho đề tài.
……………………………………………………… 78
4.6.4. Cách tạo 1 nút ấn.
…………………………………………………………………… 81
4.6.5. Cách tạo đèn báo. …………………………………………………………………… 82
4.6.6. Cách tạo thông số xuất nhập, …………………………………………………… 83
4.6.7. Tạo đồ thị TREND. ………………………………………………………………… 84
4.7. KẾT LUẬN CHƢƠNG 4………………………………………………………………. 85
KẾT LUẬN ………………………………………………………………………………………. 86
TÀI LIỆU THAM KHẢO …………………………………………………………………. 87
1
LỜI MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của xã hội, đời sống ngƣời dân ngày càng đƣợc
nâng cao, việc thay thế các hoạt động thủ công bằng các thiết bị tự động cũng
đƣợc ngƣời dân ứng dụng nhiều trong công nghiệp cũng nhƣ trong sinh hoạt.
Công nghệ tự động giám sát và điều khiển mức chất lỏng cũng đƣợc
nhiều công ty, xí nghiệp cũng nhƣ các nhà máy ứng dụng nhiều nhằm thay thế
việc giám sát và điều khiển mức chất lỏng bằng phƣơng pháp thủ công, công
nghệ tự động giám sát mức chất lỏng đảm bảo việc kiểm soát, điều khiển lƣu
lƣợng chất lỏng sử dụng, bơm, xả chất lỏng một cách tin cậy mà không cần sự
kiểm tra trực tiếp của con ngƣời. Công nghệ này đƣợc ứng dụng nhiều trong
việc xứ lý nƣớc thải, lọc hoá dầu, nhà máy nƣớc, nhà máy nhiệt điện, thuỷ
điện, điện hạt nhân, các bể nƣớc, tháp nƣớc tự động…
Từ những vấn đề trên đặt ra yêu cầu là dùng phƣơng pháp nào để giám
sát và điều khiển mức chất lỏng một cách hợp lý nhất về chi phí, độ tin cậy,
khả năng linh hoạt, dễ vận hành và sử dụng nhất. Trong thực tế có nhiều
phƣơng pháp tự động điều khiển mức chất lỏng, ở phần này em thực hiện đề
tài “Thiết kế và xây dựng bộ PID để điều khiển mức nƣớc trong bể chứa
công nghiệp ứng dụng PLC kết nối biến tần ” do thầy giáo Th.S Nguyễn
Đức Minh hƣớng dẫn.
Đề tài gồm các nội dung sau:
Chƣơng 1: Ứng dụng của đề tài trong thực tiễn và quy trình công nghệ
của mô hình.
Chƣơng 2: Tìm hiểu các thiết bị trên mô hình.
Chƣơng 3: Tìm hiểu về thiết bị điều khiển.
Chƣơng 4: Xây dựng thuật toán, lập trình và kết nối cho hệ thống điều
khiển mức nƣớc.
2
CHƢƠNG 1.
ỨNG DỤNG CỦA ĐỀ TÀI TRONG THỰC TIỄN VÀ QUY
TRÌNH CÔNG NGHỆ CỦA MÔ HÌNH
1.1. ỨNG DỤNG TÀI CỦA ĐỀ TRONG THỰC TIỄN.
1.1.1. Đặt vấn đề.
Tự động hoá là ngành công nghệ mà con ngƣời trong thời đại hiện nay
đang hƣớng tới nhằm giảm bớt sức lao động chân tay trong các hoạt động sản
xuất cũng nhƣ trong sinh hoạt hằng ngày.
Điều khiển tự động và tự động hóa là một trong những phƣơng hƣớng
phát triển chủ yếu của công nghiệp sản xuất. Tự động hoá và điều khiển tự
động cho phép sử dụng tối đa các tiềm năng sẵn có, đáp ứng yêu cầu ngày
càng cao đối với các trang thiết bị hiện đại. Việc ứng dụng thành công các
thành tựu của lý thuyết điều khiển tối ƣu, công nghệ thông tin, công nghệ máy
tính, công nghệ điện điện tử và các lĩnh vực khoa học kỹ thuật khác trong
những năm ngần đây đã đẫn đến sự ra đời và phát triển thiết bị điều khiển lập
trình PLC.
Công nghệ tự động giám sát và điều khiển mức chất lỏng cũng đƣợc
nhiều công ty, xí nghiệp cũng nhƣ các nhà máy ứng dụng nhiều nhằm thay thế
việc giám sát và điều khiển mức chất lỏng bằng phƣơng pháp thủ công, công
nghệ tự động giám sát mức chất lỏng đảm bảo việc kiểm soát, điều khiển lƣu
lƣợng chất lỏng sử dụng, bơm, xả chất lỏng một cách tin cậy mà không cần sự
kiểm tra trực tiếp của con ngƣời. Công nghệ này đƣợc ứng dụng nhiều trong
việc xứ lý nƣớc thải, lọc hoá dầu, nhà máy nƣớc,nhà máy thuỷ điện, hệ thống
làm mát nhiệt điện, hệ thống làm mát điện hạt nhân, các bể nƣớc, tháp nƣớc
tự động…
3
1.1.2. Ứng dụng thực tế của mô hình.
1.1.2.1. Khái quát chung.
Vấn đề quản lý các loại chất lỏng nhƣ: Nƣớc, Dầu mỏ, Xăng, Nƣớc
thải, làm sao cho hiệu quả đang là vấn đề đƣợc nhiều ngƣời, nhiều tổ chức
quan tâm trong thời đại hiện nay. Đề tài “Điều khiển và giám sát mức nƣớc”
đƣợc ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực Công Nghiệp, Nông Nghiệp, ở nhiều
Công ty, Xí nghiệp và các nhà máy, đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực
giám sát và quản lý chất lỏng ở nhiều lĩnh vực khác nhau.
Có nhiều phƣơng pháp để giám sát và quản lý chất lỏng, kể đến có
phƣơng pháp thủ công và ứng dụng điều khiển tự động, ngày nay phƣơng
pháp giám sát và quản lý chất lỏng phần lớn đƣợc tự động hoá nhằm giám bớt
sức lao động của con ngƣời và đề tài “Điều khiển và giám sát mức trong bể
chứa bằng PLC‟ cũng đƣợc nhiều cá nhân và tổ chức ứng dụng.
1.1.2.2. Một số lĩnh vực ứng dụng công nghệ “Điều khiển và giám sát mức
chất lỏng” trong thực tế.
a. Lĩnh vực sản xuất Điện.
– Nhiệt Điện:
Phần lớn việc quản lý và giám sát chất lỏng trong các nhà máy nhiệt
điện tập trung vào hệ thống làm mát cho các bình ngƣng.
Hình 1.1: Hệ thống làm mát bình ngƣng trong một nhà máy nhiệt điện
4
Trong nhà máy nhiệt điện đốt than dùng Tuabin ngƣng hơi, hệ thống
tuần hoàn bình ngƣng làm nhiệm vụ rất quan trọng trong chu trình nhiệt. Nó
giúp thải một nhiệt lƣợng rất lớn (khoảng 40 – 45%) lƣợng nhiệt mà nƣớc
nhận đƣợc từ lò hơi. Tuy nhiệt lƣợng phải thải đi là lớn nhƣng lại phải diễn ra
ở điều kiện nhiệt độ thải nhiệt gần với nhiệt độ môi trƣờng. Chính vì vậy mà
hiệu quả thải nhiệt của nó và do đó hiệu quả của chu trình nhà máy nhiệt điện
bị phụ thuộc rất mạnh và nhạy cảm vào những yếu tố môi trƣờng và điều kiện
truyền nhiệt trong bình ngƣng.
Công nghệ quán lý và giám sát mức nƣớc cũng đƣợc ứng dụng nhiều
trong các hệ thống làm mát ở các nhà máy nhiệt điện.
– Điện hạt nhân:
Cũng nhƣ nhiệt điện, công nghệ giám sát và quản lý mức chất lỏng đƣợc
ứng dụng nhiều trong các hệ thống làm mát
Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý một nhà máy điện hạt nhân
5
– Thuỷ Điện:
Thuỷ điện là nguồn điện có đƣợc từ năng lƣợng nƣớc, đa số năng lƣợng
thuỷ điện có đƣợc từ thế năng của nƣớc tích tại các đập nƣớc làm quay
Tuabin nƣớc và máy phát điện.
Do việc lấy nƣớc là năng lƣợng chính trong việc sản xuất điện nên việc
điều tiết nƣớc sao cho hợp lý và hiệu quả tuỳ vào thời điểm, lƣợng tiêu thụ
điện, cũng nhƣ đảm bảo việc xả nƣớc cho hạ du cần đƣợc tự động hoá để đảm
bảo tính chính xác, tính hiệu quả và hợp lý.
Ở các nhà máy thuỷ điện thƣờng có hệ thống tự động đo và điều chỉnh
lƣu lƣợng nƣớc trong hồ, lƣu lƣợng nƣớc chảy vào hệ thống điều khiển
Tuabin làm quay máy phát điện. Nhằm đảm bảo tính hiệu quả trong sản xuất,
Thuỷ điện cũng có thể áp dụng đề tài “Điều khiển và giám sát mức nƣớc” vào
việc sản xuất Điện.
b.Lĩnh vực xử lý nước thải.
Nƣớc thải có mặt ở khắp nơi, đặc biệt các khu công nghiệp, các nhà
máy, xí nghiệp, bệnh viện…
Trong nhiều năm trở lại đây việc ứng dụng công nghệ vào công tác xử
lý nƣớc thải đã đƣợc nhiều cơ quan tổ chức ứng dụng nhằm thực hiện chiến
lƣợc bảo vệ môi trƣờng.
+ Ví dụ về một hệ thống xử lý nƣớc thải :
6
Hình 1.3: Quy trình công nghệ xử lý nƣớc thải mực in
Từ quy trình trên ta thấy đƣợc các bể chứa nƣớc thải đều đƣợc liên kết
với nhau một cách logic và có quan hệ với nhau theo dây chuyền, do vậy
nƣớc thải trong các bể chứa phải đƣợc giám sát và điều khiển một cách hợp lý
nhằm tăng hiệu suất của hệ thống và giảm chi phí vận hành. Hệ thống này
cũng có thể ứng dụng đề tài “Điều khiển và giám sát mức nƣớc”
c. Nhà máy sản xuất nước.
– Nhà máy cung cấp nƣớc đô thị:
Tại các thành phố thì nƣớc sạch cần phải đƣợc cung cấp đầy đủ nhằm
đảm bảo một cách đầy đủ nhu cầu sinh hoạt của ngƣời dân.
Điều chú ý là việc cấp nƣớc phải luôn đáp ứng đƣợc nhu cầu sử dụng,
lƣợng nƣớc tiêu thụ là không xác định nên hệ thống cấp nƣớc phải đƣợc điều
khiển làm sao để áp suất bơm trong đƣờng ống luôn ổn định.
7
Hình 1.4. Cấu trúc hệ thống điều khiển một nhà máy nƣớc
Công nghệ “ Điều khiển và giám sát mức nƣớc” cũng có thể áp dụng
hiệu quả trong lĩnh vực sản xuất nƣớc sạch.
_ Nhà máy sản xuất nƣớc tinh khiết
Hầu hết các nhà máy sản xuất nƣớc tinh khiết cung cấp trên thị trƣờng
đều sử dụng công nghệ giám sát mức chất lỏng để điều khiển hệ thống.
Nƣớc đƣợc bơm từ nguồn đƣa qua hệ thống lọc nƣớc gồm: Bồn lọc
Lon, bồn lọc cơ học, bồn lọc than, qua khâu khử trùng bằng tia cực tím và đƣa
đến đầu ra.
Hình 1.5. Công nghệ sản xuất nƣớc tinh khiết
8
d.Công nghệ lọc hoá dầu, tháp nước tự động, trạm bơm nước lớn.
Lọc hoá dầu, tháp nƣớc và các trạm bơm nƣớc lớn tự động cũng là các
lĩnh vực có thể áp dụng công nghệ “ Điều khiển và giám sát mức nƣớc” để
nâng cao hiệu quả sản xuất.
1.1.2.3. Nhận xét.
Trên đây là một số lĩnh vực có thể ứng dụng đề tài “ Điều khiển và
giám sát mức nƣớc”, ngoài các lĩnh vực trên còn một số lĩnh vực khác chƣa
khai thác hết, nhƣng nhìn chung đề tài “Điều khiển và giám sát mức nƣớc”
đƣợc ứng dụng nhiều trong công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt. Nắm đƣợc
nguyên lý và cách lập trình của mô hình là hành trang cần thiết cho sinh viên
sau khi ra trƣờng.
1.2. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CỦA MÔ HÌNH
1.2.1. Yêu cầu công nghệ.
Trong đề tài này cần hiểu rõ và thực hiện tốt các vấn đề sau:
– Nắm đƣợc nguyên lý làm việc của mô hình
– Điều khiển lập trình PLC Simatic S7-200
– Hiểu rõ và nắm bắt đƣợc các thiết bị trên mô hình
– Vẽ sơ đồ kết nối về điện của mô hình để tiện theo dõi và sửa
chữa
1.2.1.1. Nguyên lý làm việc của mô hình.
Ở phần này cần vẽ đƣợc sơ đồ nguyên lý làm việc của mô hình, từ sơ
đồ nguyên lý phải trình bày đƣợc nguyên lý làm việc của mô hình, nguyên lý
làm việc của các phần tử trong mô hình.
Trình bày các ứng dụng của mô hình trong thực tế, tầm quan trọng của
các kiến thức nắm đƣợc khi học xong mô hình để đƣa vào áp dụng thực tế.
Nắm đƣợc nguyên lý kết nối cũng nhƣ phƣơng pháp kết nối giữa thiết
bị điều khiển và các phần tử đƣợc điều khiển trong mô hình.
9
1.2.1.2. Điều khiển lập trình PLC Simatic S7-200.
Trong phần này yêu cầu:
– Hiểu và nhớ đƣợc các lệnh cơ bản thông dụng trong PLC.
– Tìm hiểu sâu về phƣơng pháp điều khiển các phẩn tử trong mô hình
nhằm đƣa ra phƣơng pháp lập trình thích hợp để mô hình có thể làm việc tốt
và chính xác.
– Do các phần tử điều khiển sử dụng tín hiệu tƣơng tự nên cần tìm hiểu
kỹ về modul Analog cũng nhƣ việc nhập – xuất dữ liệu Analog trong S7-200.
– Nắm đƣợc các phƣơng pháp tổng hợp và đặt các thông số với bộ điều
khiển PID (Propotional Integral Derivative) trong Simatic S7-200.
– Biết kết nối vào/ra trên phần cứng PLC với các phần tử trên mô hình.
1.2.1.3. Các thiết bị trên mô hình.
Trình bày đƣợc chức năng, nhiệm vụ của các phần tử trên mô hình, ứng
dụng của các phần tử đó trong thực tiễn.
Các thiết bị trên mô hình gồm:
– PLC S7-200 CPU 224, modul Analog EM235
– Biến tần INVT-Goodriver10
– Động cơ bơm KĐB 3 pha 0.75 kW
– Cảm biến siêu âm
– Nguồn điện xoay chiều 220V cấp cho PLC và Biến tần
– Nguồn một chiều 24V cấp cảm biến
– Van xả chất lỏng, ống nhựa phi 27
– Một bể kính điều khiển kích thƣớc (20x20x25 cm)
– Một bể kính cấp nƣớc cho bể điều khiển kích thƣớc
(25x25x40cm)
1.2.1.4. Sơ đồ kết nối về điện của mô hình.
Sau khi kết nối và chạy thực đƣợc mô hình thì cần thiết lập một bản vẽ
cụ thể về việc kết nối phần cứng giữa PLC với modul Analog cũng nhƣ các
10
thiết bị đƣợc điều khiển và các thiết bị đƣa tín hiệu cho bộ điều khiển để tiện
cho việc theo dõi và sữa chữa.
Bản vẽ phải cụ thể và chi tiết, dễ hiểu, không rƣờm rà, các phần tử biểu
diễn trên bản vẽ phải đúng với tiêu chuẩn kỹ thuật cũng nhƣ chính xác, cân
đối về kích thƣớc.
1.2.2. Quy trình công nghệ.
Sơ đồ nguyên lý của mô hình nhƣ sau:
Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý mô hình điều khiển mức chất lỏng bằng PLC
– Nguyên lý làm việc của mô hình:
Nƣớc từ bể chứa đƣợc động cơ bơm vào bể điều khiển, động cơ bơm
này có thể thay đổi công suất bơm phù hợp với mức nƣớc trong bể điều khiển
đƣợc cảm biến siêu âm đo và đƣa thông tin đến bộ điều khiển PLC, đầu ra của
bể điều khiển là hai van xả có thể điều chỉnh góc mở (biến thiên) tƣợng trƣng
cho mức độ tiêu thụ, lƣợng tiêu thụ này không cố định mà luôn thay đổi. Mức
nƣớc trong bể điều khiển đƣợc giám sát bằng một cảm biến siêu âm và đƣợc
hiển thị trên màn hình máy tính qua phần mềm Wincc.
11
Lƣợng tiêu thụ ở đây đƣợc điều chỉnh bằng cách sử dụng hai van xả,
lƣợng tiêu thụ này là một đại lƣợng biến thiên, tốc độ nƣớc chảy ra khỏi bể
điều khiển là không xác định.
Hệ thống phải đƣợc lập trình sao cho mức nƣớc trong bể chứa luôn ở
một giá trị cố định ở mức đặt SP(Setpoint) mà không phụ thuộc vào lƣợng
tiêu thụ(Hay góc mở của van xả).
Quy trình công nghệ đƣợc hiểu một cách cụ thể nhƣ sau:
+ Yêu cầu của hệ thống là phải luôn giữ đƣợc một mức nƣớc cố định ở
mức đặt SP(Setpoint).
+ Giá trị thực tế chính là giá trị mức nƣớc đo đƣợc thay đổi từ 0
cm(Khi bể cạn) đến 25 cm (Khi bể đầy) và tốc độ bơm nƣớc chảy qua
ống(đầu vào) mà biến tần đo đƣợc trong một đơn vị thời gian, giá trị xử lý
(Đầu ra của modul Analog) là tín hiệu Analog điều khiển biến tần để biến tần
điều khiển vận tốc bơm thay đổi từ tần số 0 Hz đến 50 Hz.
+ Mức nƣớc ít hay nhiều trong một khoảng thời gian đƣợc cảm biến
siêu âm đo lại, đƣa thông tin đến bộ điều khiển PID trong S7-200 để bộ diều
khiển thực hiện điều chỉnh lƣu lƣợng bơm một cách phù hợp nhằm đảm bảo
mức chất lỏng luôn nằm ở mức tƣơng ứng giá trị đặt.
1.3. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1.
Chƣơng này giới thiệu về tầm quan trọng của tự động hoá đối với sự
phát triển của đất nƣớc, ứng dụng của tự động hoá trong công nghiệp và các
lĩnh vực khác, giới thiệu qua về đề tài “Thiết kế và xây dựng bộ PID để điều
khiển mức nƣớc trong bể chứa công nghiệp ứng dụng PLC kết nối biến tần” ,
nêu lên ứng dụng của đề tài trong thực tiễn, các lĩnh vực liên quan đến điều
khiển mức chất lỏng và đặt ra yêu cầu công nghệ cho mô hình để làm cơ sở lý
thuyết cho các chƣơng sau.
12
CHƢƠNG 2.
TÌM HIỂU CÁC THIẾT BỊ TRÊN MÔ HÌNH
2.1. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH.
Hình 2.1: Mô hình „Điều khiển mức nƣớc bằng PLC”
Hình 2.2: Thiết bị điều khiển trên mô hình
13
Mô hình “Điều khiển mức chất lỏng bằng PLC” Hầu hết sử dụng các
thiết bị điện có nguồn cung cấp là xoay chiều một pha(220V). Các thiết bị
đƣợc sử dụng rộng rãi trong thực tế gồm:
– Biến tần INVT
– Cảm biến siêu âm
– Nguồn 1 chiều : + 24VDC
– Động cơ bơm KĐB 3 pha 0.75kW
– Van xả chất lỏng, ống nhựa phi 27
– Một bể kính điều khiển kích thƣớc (20x20x25 cm)
– Một bể kính cấp nƣớc cho bể điều khiển kích thƣớc
(25x25x40cm)
Do mô hình đƣợc thiết kế để phục vu công tác giảng dạy nên có kích
thƣớc nhỏ hơn thực tế, một số các thiết bị trên mô hình có công suất nhỏ hơn
nhiều so với thực tế nên chƣa hoàn toàn bám sát thực tế.
2.2. TÌM HIỂU CÁC THIẾT BỊ TRÊN MÔ HÌNH.
2.2.1. Biến tần INVT.
2.2.1.1. Biến tần là gì?
Biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều từ tần số này sang dòng
điện xoay chiều có tần số khác có thể thay đổi đƣợc. Đối với các biến tần
dung trong việc điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều thì ngoài việc thay đổi
tần số thì nó còn có thể thay đổi điện áp ra khác với điện áp cấp vào biến tần.
2.2.1.2. Phân loại biến tần.
Biến tần thƣờng chia làm hai loại:
– Biến tần trực tiếp
– Biến tần gián tiếp
a. Biến tần trực tiếp.
Biến tần trực tiếp là bộ biến đổi tần số trực tiếp từ lƣới điện xoay chiều
không thông qua khâu trung gian một chiều. Tần số ra đƣợc điều chỉnh nhảy
14
cấp và nhỏ hơn tần số lƣới ( f1 < flƣới ). Loại biến tần này hiện nay ít đƣợc sử
dụng.
b. Biến tần gián tiếp.
Để biến đổi tần số cần thông qua một khâu trung gian một chiều vì vậy
có tên gọi là biến tần gián tiếp.
2.2.1.3. Tầm quan trọng của biến tần trong công nghiệp.
Biến tần với chức năng điều khiển vô cấp tốc độ động cơ cho phếp
ngƣời sử dụng điều chỉnh tốc độ động cơ theo nhu cầu và mục đich sử dụng
Chức năng điều khiển tốc độ đông cơ lên tối đa 16 cấp với khả năng
kiểm soát thời gia tốc/ giảm tốc, nhiều mức công suất phù hợp với nhiều loại
động cơ. Có chức năng bảo vệ quá tải, quá áp, thấp áp, quá dòng, thấp dòng,
quá nhiệt động cơ, nối đất… nó giúp ngƣời vận hành yên tâm không phải lo
lắng về vấn đề mất kiểm soát trong quá trình vận hành
Biến tần giúp các dây chuyền hoạt động tối ƣu: tiết kiệm điện năng,
đồng bộ các thiết bị (động cơ) hoạt động trơn tru, than thiện với ngƣời sử
dụng và giẩm thiểu chi phí bảo trì – bảo dƣỡng.
Trong thực tế có rất nhiều hoạt động trong công nghiệp có lien quan
đến tóc độ động cơ điện. Đôi lúc có thể xem sự ổn định của tốc độ đông cơ
mang yếu tố sống còn của chất lƣợng sản phẩm, sử ổn định của hệ thống… Ví
dụ: máy ép nhựa làm đế giày, cán thếp, hệ thống tự đông pha trộn nguyên
liệu,…Vì thế, việc điều khiển và ổn định tốc độ động cơ đƣợc xem nhƣ vấn
đề chính yếu của các hệ thống điều khiển trong công nghiệp.
2.2.1.4. Biến tần sử dụng trong mô hình.
a, Giới thiệu biến tần GD10.
Biến tần mini GD10 là biến tần dùng cho các ứng dụng chế tạo máy cỡ
nhỏ với công suất đến 2.2 kW. Biến tần GD10 nhỏ gọn, tiết kiệm không gian
và dễ dàng lắp đặt, thông số cài đặt thân thiện với ngƣời dùng.
15
Hình 2.3: Biến tần GD10
Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật
Đặc tính thiết bị
Diễn giải
Dải công suất
0.75kW~2.2kW
Nguồn
điện ngõ
vào
Điện áp ngõ vào (V)
+ AC 1pha 220V (-15%)~240 (+10%)
+ AC 3Pha 380V (-15%)~440 (+10%)
Tần số ngõ vào (Hz)
50Hz, 60Hz (47~63Hz)
Loại động
cơ
Động cơ không đồng bộ
Đặc tính
điều khiển
Chế độ điều khiển
Điều khiển V/F
Độ phân giải điều
chỉnh tốc độ
1:100
Độ phân giải ngõ
vào analog
<= 20 mV
Độ phân giải ngõ
vào số
<= 2ms
Khả năng quá tải
60s với 150% dòng định mức
