BÀI TẬP LỚN BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA TRẠM BƠM TƯỚI TIÊU

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
---------------------------------

BÀI TẬP LỚN
BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HĨA
TRẠM BƠM TƯỚI TIÊU

Giảng viên hướng dẫn

: Vũ Minh Quang

Sinh viên thực hiện

: Vũ Thị Thu Hương

Mã sinh viên

: 1851212029

Lớp

: 60TĐH1

Hà Nội 2022


MỤC LỤC


LỜI MỞ ĐẦU

Đất nước ta đang trên con đường công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước ,là
một nước đang phát triển, đang dần tiếp cận với khoa học kỹ thuật hiện đại để
đáp ứng đầy đủ mọi nhu cầu sử dụng của con người. Cùng với sự phát triển đó ,
Điện – Tự động hóa đóng vai trị hết sức quan trọng. Ngày nay trong công
nghiệp, các mạch điều khiển người ta thường sử dụng kỹ thuật số với các
chương trình phần mềm đơn giản, linh hoạt và dễ dàng thay đổi được cấu trúc
tham số hoặc các luật điều khiển. Nó làm tăng tốc độ tác động và tính chính xác
cao cho hệ thống. Như vậy nó làm chuẩn hóa các hệ thống truyền động điện và
các bộ điều khiển tự động hiện đại có những đặc tính làm việc khác nhau.
Trong ứng dụng đó thì việc ứng dụng hệ thống tưới tiêu tự động được ứng dụng
rộng dãi mà mang tính tiện lợi trong đời sống nói chung và cả nơng nghiệp nói
riêng.
Hệ thống tưới tiêu tự động sử dụng PLC không chỉ là một bài tập tổng hợp bắt
buộc mỗi sinh viên tự động hóa phải trải qua, mà nó cịn là một cơ hội để sinh
viên tìm tịi, nghiên cứu và ứng dụng với thiết bị thực tế, bên cạnh đó thì nó
cũng giúp sinh viên củng cố những kiến thức, làm quen và nâng cao tính độc lập
thiết kế sáng tạo những sản phẩm thực tế.

.

3


CHƯƠNG 1 : PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ LÀM
VIỆC CỦA HỆ THỐNG
1.1. Giới thiệu tổng quan về PLC
- PLC viết tắc là Programmable Logic Controller : là thiết bị điều khiển lập
trình được cho phét thực hiện linh hoạt các thuật tốn điều khiển logic thơng
qua một ngơn ngữ lập trình.
- Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện. Các

sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC
hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các sự kiện được đếm.
- PLC dùng để thay thế các mạch relay trong thực tế. PLC hoạt động theo
phương thức quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào. Khi có sự thay đổi ở đầu
vào thì đầu ra sẽ thay đổi theo. Ngơn ngữ lập trình của PLC có thể là Ladder
hay State Logic. Hiện nay có nhiều hãng sản xuất ra PLC như Allen-Bradley,
Omron…
1.1.1 Cấu tạo PLC

Hình 1.1 cấu tạo cơ bản của PLC
4


- PLC thường được cấu tạo bởi 3 thành phần chính đó là phần nguồn thường là
220v hoặc 24v .
- Tiếp theo là CPU, mỗi loại plc tùy theo ứng dụng thì sẽ có tốc độ xử lý cũng
như bộ nhớ lưu trữ chương trình, khả năng mở rộng khác nhau.
- Phần còn lại là khối ngoại vi bao gồm: in/out, truyền thông, module phát xung,
analog.
- Tùy theo ứng dụng và giá thành mà PLC cũng được thiết kế theo rất nhiều
hình dạng khác nhau nhưng chủ yếu có 2 hình dạng chính là dạng ngun khối
và dạng module.
- Đối với một số loại u cầu nhỏ gọn thì có một số loại plc dạng slim( mỏng),
còn đối với loại thường sẽ là dạng khối gắn thanh ray để bắt lên tấm lắp thiết bị
của tủ điện.
1.2. Giới thiệu chung về hệ thống trạm bơm tưới tiêu
1.2.1 Sơ đồ hệ thống

Hình 1.2 sơ đồ mơ tả hệ thống
1.2.2 Phân tích hệ thống

5


- Cho hệ thống trạm bơm tưới tiêu, thiết kế giải pháp tự động hóa theo 6 bước.
Cho a= 2 số cuối MSV, b=mod(a:3). Thức hiện theo 2 chế độ tưới và tiêu.
Nhóm 1 lập trình điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu từ các sensor mức
nước, độ mở của van, trạm bơm với 3 bơm với PLC S7-1200 theo giải pháp 1
theo 6 bước.
- Chế độ tự động tưới điều khiển làm việc luân phiên theo mức nước bể xả :
+Mức 1: 2 máy bơm làm việc, 1 máy bơm dự phòng luân phiên (100+a) phút
với tốc độ lớn ( định mức)
+Mức 2: 1 máy bơm làm việc 2 máy bơm dự phòng làm việc luân phiên
(120+3b) phút.
+Mức 3 (đầy bể): các bơm dừng.
- Đo và điều khiển, hiển thị HMI hệ thống.
1.3. Nguyên lý hoạt động của hệ thống
- Khi bấm nút khở động cửa G4 và cửa G2 đóng lại , đồng thời của G1 và G3
mở ra
- Ở mức nước đầu tiên bơm 1 và bơm 2 hoạt động liên tục trong (100+a) phút
.sau đó tại mức 2 bơm 1 hoạt động liên tục trong (120+3b) phút và bơm 2 nghỉ
luân phiên . sau (120+3b) phút bơm 1 và 2 tiếp tục bơm cho tới khi đầy ruộng
- Khi ruộng dã đầy nước kích hoạt chế độ tiêu , khi đó cửa G1 và G3 đóng lại và
G2 ,G4 mở ra . Sau đó bơm 3 bơm nước từ ruộng quay lại bể nguồn

6


CHƯƠNG 2 : BIỂU ĐỒ CHỨC NĂNG ĐIỀU
KHIỂN
2.1. Tổng quan về mạng GRAFCET

Mạng grafcet là một biều đồ hình chức năng cho phép mô tả các trạng thái làm
việc của hệ thống và biểu diễn quá trình điều khiển với các trạng thái và sự
chuyển đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác
Đó là một đồ hình định hướng được xác định bởi các phần tử là: tập các trạng
thái, tập các điều kiện chuyển trạng thái.
Mạng grafcet mô tả thành chuỗi các giai đoạn trong chu trình sản xuất. Mạng
grafcet cho một q trình sản xuất ln ln là một đồ hình khép kín từ trạng
thái đầu đến trạng thái cuối và từ trạng thái cuối về trạng thái đầu
2.2. Sơ đồ grafcet biểu thị chức năng điều khiển của hệ thống:
+ Dưới đây là biểu đồ grafcet thể hiện tồn bộ trình tự hoạt động của hệ thống
Bơm tưới tiêu, giúp chúng ta có thể dễ dàng đọc hiểu nguyên lý hoạt động và
đơn giản hơn trong quá trình lập trình PLC .

7


Hình 2.1 Biểu đồ grafcet của hệ thống điều khiển

CHƯƠNG 3 : PHÂN TÍCH PLC S71200
8


3.1. Tổng quan về PLC S7 - 1200
- Năm 2009, Siemens ra dòng sản phẩm S7-1200 dùng để thay thế dần cho S7200. So với S7-200 thì S7-1200 có những tính năng nổi trội:
-

-

-

S7-1200 là một dịng của bộ điều khiển logic lập trình (PLC) có thể kiểm
sốt nhiều ứng dụng tự động hóa. Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, và một
tập lệnh mạnh làm cho chúng ta có những giải pháp hoàn hảo hơn cho
ứng dụng sử dụng với S7-1200
S7-1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích
hợp sẵn, các đầu vào/ra (DI/DO).
S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và
TCP/IP. Ngoài ra bạn có thể dùng các module truyền thong mở rộng kết
nối bằng RS485 hoặc RS232
Phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 là Step7 Basic. Step7 Basic hỗ
trợ ba ngôn ngữ lập trình là FBD, LAD và SCL. Phần mềm này được tích
hợp trong ứng dụng TIA Portal của Siemens.

3.1.1 Các dịng chính của PLC S7-1200
S7-1200 có 5 dịng là CPU 1211C, CPU 1212C và CPU 1214C, CPU 1215C,
CPU 1217C.
- PLC S7-1200 CPU 1211C có bộ nhớ làm việc 50KB work memory.(dịng này
khơng mở rộng được module I/O
- PLC S7-1200 CPU 1212C có bộ nhớ làm việc 75KB work memory.
- PLC S7-1200 CPU 1214C có bộ nhớ làm việc 100KB work memory.
- PLC S7-1200 CPU 1215C có bộ nhớ làm việc 125KB work memory.
- PLC S7-1200 CPU 1217C có bộ nhớ làm việc 150KB work memory.
Trong đó, tiếp tục được phân thành các phiên bản: Standard, Fail-safe, SIPLUS
3.1.2 giao tiếp
S7-1200 hỗ trợ kết nối Profibus và kết nối PTP (point to point).
Giao tiếp PROFINET với:
– Các thiết bị lập trình
– Thiết bị HMI
9

– Các bộ điều khiển SIMATIC khác
Hỗ trợ các giao thức kết nối:
– TCP/IP
– SIO-on-TCP
– Giao tiếp với S7

Hình 3.2 Cấu hình giao tiếp của PLC S7 - 1200
3.1.3 Thơng số của dịng PLC 1214C-AC/DC/ RLY :
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•

•

Kích thước vật lý 110 x 100 x 75
14 ngõ vào kỹ thuật số
10 ngõ ra kỹ thuật số
2 ngõ ra kiểu tương tự
Kích thước tiến trình 1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (Q)
Bộ nhớ làm việc 50kB, bộ nhớ lưu trữ 2 MB , bộ nhớ giữ lại 2KB
Vùng nhớ truy xuất (bit M) 8192 byte
Module tín hiệu mở rộng : 8

Module truyền thông 3 (mở rộng về bên trái )
Bộ đếm tốc độ cao 6
• Đơn pha 3 tại 100khz , 3 tại 30khz
• Vng pha 3 tại 80khz ,3 tại 20khz
Ngõ ra xuất xung tốc độ cao : 2
10


•
•
•
•
•
•
•
•
•

Truyền thông (PROFINET) sử dụng cổng truyền thông Ethernet
Tốc độ thực thi tính tốn thực 18 μs/lệnh
Tốc độ thực thi boolean 0,1 μs/lệnh
Mở rộng bằng các giao diện truyền thông bổ sung, ví dụ: RS 485 hoặc
RS 232.
Mở rộng bằng tín hiệu tương tự hoặc kỹ thuật số trực tiếp trên CPU
thơng qua bảng tín hiệu (với việc giữ ngun kích thước lắp CPU).
Mở rộng bởi một loạt các tín hiệu đầu vào và đầu ra tương tự và kỹ
thuật số thơng qua các mơ-đun tín hiệu
Mở rộng bộ nhớ tùy chọn (Thẻ nhớ SIMATIC).
Bộ điều khiển PID với chức năng tự động điều chỉnh
Đồng hồ thời gian thực tích hợp.

- Chức năng của plc s7 1200_1214c AC/DC/RLY :
+ Các hoạt động cơ bản như hoạt động logic nhị phân, phân bổ kết quả, lưu,
đếm, tạo thời gian, tải, truyền, so sánh, dịch chuyển, xoay, tạo phần bổ sung,
gọichương trình con (với các biến cục bộ)
+ Các lệnh giao tiếp tích hợp (ví dụ: giao thức USS, Modbus RTU, giao tiếp
S7 "T-Gửi / T-Nhận" hoặc Freeport)
+ Các chức năng thân thiện với người dùng như điều chế độ rộng xung, chức
năng chuỗi xung, chức năng số học, số học dấu phẩy động, điều khiển vịng
kín PID, chức năng nhảy, chức năng vịng lặp và chuyển đổi mã các hàm tốn
học, ví dụ: SIN, COS, TAN, LN, EXP
- Đếm: Các chức năng đếm thân thiện với người dùng kết hợp với các bộ đếm
tích hợp và các lệnh đặc biệt cho bộ đếm tốc độ cao mở ra các lĩnh vực ứng
dụng mới cho người dùng
- Xử lý gián đoạn: các ngắt được kích hoạt theo cạnh (được kích hoạt bằng
cách tăng hoặc giảm các cạnh của tín hiệu quy trình trên đầu vào ngắt) hỗ trợ
phản ứng nhanh với các sự kiện của quy trình.
- Mật khẩu bảo vệ
- Chức năng kiểm tra và chẩn đoán: Các chức năng dễ sử dụng hỗ trợ kiểm tra
và chẩn đốn, ví dụ: chẩn đoán trực tuyến / ngoại tuyến
- Điều khiển chuyển động phù hợp với PLCopen cho các chuyển động đơn
giản
- Đối với dạng tín hiệu ngõ ra dạng relay thì ngõ ra plc có tác dụng như cơng tắc
điện vật lý có thể đóng cắt cả điện AC và DC nhưng relay của plc là dạng nhỏ
11


nên chỉ sử dụng đóng cắt cho thiết bị có dịng tải nhỏ .Đối với dạng ngõ ra là
relay thì tần số đóng cắt khá thấp

Hình 3.4 plc s7-1200 CPU 1214C AC/DC/RLY trong thực tế

CHƯƠNG 4 : SƠ ĐỒ LẬP TRÌNH LADDER
LOGIC
4.1. Khai báo các biến của hệ thống
12


•

Biến đầu vào:

•

Các biến đầu ra

•

Biến trung gian :

13


4.2. Trương trình LAD mơ phỏng cho hệ thống:
Hàm main :

14


15

- Hàm auto :

16


17


18


19


20


- Hàm manual :

21


22


- Hàm chuyển đổi

23

CHƯƠNG 5 : LỰA CHỌN THIẾT BỊ , VẼ CÁC SƠ
ĐỒ ĐIỀU KHIỂN , SƠ ĐỒ NỐI DÂY, CÁC SƠ ĐỒ
ĐIỆN
5.1. lựa chọn thiết bị
5.1.1. Cảm biến siêu âm đo mức nước
- Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm trong cơng nghiệp
Trong q trình hoạt động, cảm biến siêu âm trong cơng nghiệp phát ra sóng,
sóng phản xạ lại bề mặt và di chuyển trở lại thiết bị nơi đầu dị tính tốn khoảng
cách. Khoảng cách là dựa trên khoảng thời gian giữa các lần truyền và tiếp nhận
sóng.
Với đầu ra 4 ~ 20mA, nó có thể được kết nối với Hệ thống PLC, DSC và
SCADA. Ngoài ra, nó là cũng được trang bị PULSE và AGC (Auto Gain
Control) công nghệ theo dõi tiếng vọng để đảm bảo độ chính xác và chính xác
ngay cả trong mơi trường khắc nghiệt nhất.
- Đặc điểm của cảm biến siêu âm trong công nghiệp:
+ Thiết kế nhỏ gọn: được trang bị 4 nút nhấn, Chế độ đa thông số và màn hình
LCD
+ Vận hành dễ dàng: Có thể được cấu hình với hệ thống Imperial hoặc Metric
+ Phản hồi nhanh: Nó có thể phản hồi lên đến 10m/giây là một trong những loại
phản hồi nhanh nhất
+ Đa ứng dụng: Đầu dò PVDF lý tưởng để sử dụng trong các ứng dụng có mơi
trường ăn mịn
+ FALSE ECHO: Chức năng FER có thể lựa chọn cho phép công cụ để xác định
các vật cản trong đường đi của chùm tia siêu âm, ghi nhớ vị trí của chúng và
quan tâm đến chúng trong q trình đo.

- Đặc tính kỹ thuật cảm biến siêu âm đo mức nước Finetek:
+ Đầu ra dây 4 ~ 20mA 2 (cách ly hoàn toàn) với HART

24


+ Cung cấp điện 7 ~ 30Vdc
+ Vỏ bảo vệ IP67
+ Vật liệu đầu dò: PVDF
+ Phát hiện tiếng vang sai
+ Góc chùm: 7
+ Khơng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ chất lỏng
+ Phạm vi tối đa đến 12 mét
- Ưu điểm của cảm biến sóng siêu âm
+ Đo mực nước bằng cảm biến siêu âm và các loại chất lỏng khác với độ chính
xác khá cao
+ Thời gian đáp ứng nhanh, hoạt động ổn định
+ Tín hiệu ngõ ra chuẩn analog 4-20mA
+ Có thể cài đặt được thang đo khi cần điều chỉnh khoảng cách cho chính xác
+ Giá thành tương đối phù hợp với các loại cảm biến mực nước khác
+ Đo được cho cả chất rắn và chất lỏng
+ Không tiếp xúc với vật cần đo
- Nhược điểm của cảm biến siêu âm đo mức nước
+ Cảm biến siêu âm đo mức nước có điểm mù tại điểm cao nhất của cảm biến
hay còn gọi Dead zone
+ Khoảng cách đo tối đa 12m
+ Giá thành cao hơn các loại cảm biến đo mức nước khác
+ Khoảng cách đo giảm phân nữa khi đo cho chất rắn
+ Nhiệt độ hoạt động dưới 70ºC
- Ứng dụng cảm biến siêu âm đo mức nước:
+ Thiết bị xử lý nước hoặc nước thải: máy bơm, kênh, đập và giếng.
25