điều khiển bơm ổn định mức dùng plc và biến tần

Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.LÊ QUANG ĐỨC

SVTH: VÕ TRUNG CAN Page ii
ĐẶNG XUÂN HỮU
TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA
o0o

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:
ĐIỀU KHIỂN BƠM ỔN ĐỊNH MỨC
DÙNG PLC VÀ BIẾN TẦN

GVHD:
SVTH:
TS. LÊ QUANG ĐỨC
VÕ TRUNG CAN
ĐẶNG XUÂN HỮU

0851050005
0851050025


TP. HỒ CHÍ MINH – 09/2012
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.LÊ QUANG ĐỨC

SVTH: VÕ TRUNG CAN Page iii
ĐẶNG XUÂN HỮU
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.LÊ QUANG ĐỨC

SVTH: VÕ TRUNG CAN Page iv
ĐẶNG XUÂN HỮU

BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.LÊ QUANG ĐỨC

SVTH: VÕ TRUNG CAN Page v
ĐẶNG XUÂN HỮU
BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP



Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.LÊ QUANG ĐỨC

SVTH: VÕ TRUNG CAN Page vi
ĐẶNG XUÂN HỮU

LỜI CẢM ƠN
  
Để đạt được thành quả ngày hôm nay, chúng em xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến
toàn thể thầy (cô) khoa Điện –Điện tử viễn thông ,đặc biệt là các thầy (cô) bộ môn Tự
Động Hóa của Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Thành Phố Hồ Chí Minh đã tận tình
chỉ dạy chúng em trong suốt quá trình học tập tại trường .Đó là những kiến thức quý báu
làm nền tảng cho chúng em hoàn thành luận văn này đồng thời là nền móng vững chắc để
sau này chúng em tiếp tục học tập và lao động ngoài xã hội .
Xin chân thành cảm ơn thầy Lê Quang Đức là người hướng dẫn chính cũng là người
đã tận tình chỉ bảo, góp ý và định hướng cho chúng em trong suốt thời gian làm luận văn.

Xin chân thành cảm ơn cô Đoàn Diễm Vương đã góp ý và tạo điều kiện thuận lợi cho
chúng em hoàn thành luận văn này.
Xin gởi lời cảm ơn đến tất cả bạn bè, người thân đã động viên, ủng hộ chúng em trong
thời gian làm luận văn.
Cuối cùng vì kinh nghiệm và kiến thức còn hạn chế, khả năng tiếp thu vấn đề còn giới
hạn nên không thề trách được những sai sót, chúng em mong nhận được sự quan tâm giúp
đỡ của các thầy (cô) để luận văn này được đầy đủ và hoàn thiện hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Người viết
Đặng xuân Hữu
Võ Trung Can
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.LÊ QUANG ĐỨC

SVTH: VÕ TRUNG CAN Page vii
ĐẶNG XUÂN HỮU
TÓM TẮT

Trong luận văn này chúng em vận dụng các kiến thức cơ bản được học tại trường để
ứng dụng vào việc xây dựng các hệ thống ngoài thực tế, nhóm đã chọn bài toán ổn định
mức nước trong bồn chứa công nghiệp qua đó vừa củng cố kiến thức vừa tìm hiểu, thiết
kế và thi công hệ thống với những mục tiêu sau:
 Tổng kết và phân tích các ứng dụng và giải pháp thực tế vấn đề điều khiển mức
nước của bồn chứa trong công nghiệp.
 Giải pháp tiết kiệm năng lượng.
 Tìm hiểu giao thức USS để xây dựng truyền thông giữa PLC S7-200 và biến tần
qua đó có thể cài đặt, giám sát hoạt động của hệ thống.
 Tính toán, lựa chọn các thiết bị động lực và điều khiển
 Tìm hiểu biến tần MM420 của Siemens, sử dụng chức năng điều khiển PI trong
biến tần để ổn định mức nước, tiến hành việc cài đặt các thông số phù hợp với hệ
thống bơm ổn định mức.

 Hệ thống hoạt động ổn định, tin cậy, đảm bảo các yêu cầu kĩ thuật.
 Xây dựng hệ thống SCADA trên phần mềm Wincc với các chức năng điều khiển,
giám sát các thông số kĩ thuật như mức nước, tốc độ động cơ, dòng điện, điện
áp…Xuất báo cáo hoạt động của hệ thống hàng tuần, hàng tháng.và lưu trữ dữ liệu.
Tạo một Database tùy ý để theo giỏi và truy cập một cách chư động.
 Điều khiển giám sát thông qua mạng LAN.

Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.LÊ QUANG ĐỨC

SVTH: VÕ TRUNG CAN Page viii
ĐẶNG XUÂN HỮU
MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iii
BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iv
BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP v
LỜI CẢM ƠN vi
TÓM TẮT vii
MỤC LỤC viii
DANH SÁCH HÌNH VẼ xiii
DANH SÁCH BẢNG BIỂU xvi
DANH SÁCH CÔNG THỨC xvii
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1
1.1. Đặt vấn đề 1
1.2. Tìm hiểu về đối tƣợng 2
1.2.1. Ứng dụng 2
1.2.2. Giải pháp công nghệ đang đƣợc sử dụng 3
1.3. Lựa chọn giải pháp và nhiệm vụ đề tài 4
1.3.1. Lựa chọn giải pháp 4
1.3.2. Nhiệm vụ đề tài 7

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN LÍ THUYẾT 8
2.1. Nhiệm vụ đề tài 8
2.1.1. Giới thiệu chung về bồn nƣớc 8
2.1.2. Bồn nƣớc sử dụng trong đề tài 9
2.2. Động cơ không đồng bộ ba pha 10
2.2.1. Cấu tạo 10
2.2.2. Nguyên lí hoạt động 11
2.3. Cảm biến đo mức 12
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.LÊ QUANG ĐỨC

SVTH: VÕ TRUNG CAN Page ix
ĐẶNG XUÂN HỮU
2.4. Giải thuật PID 13
2.4.1. Điều khiển bằng khâu tỉ lệ P 13
2.4.2. Điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ PD 13
2.4.3. Điều khiển bằng khâu tỉ lệ tích phân PI 15
2.4.4. Điều khiển bằng khâu vi tích phân tỉ lệ PID 16
2.4.5. ứng dụng điều khiển PI trong biến tần 17
CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG 19
3.1. Vấn đề điều khiển lƣu lƣợng của bơm 19
3.1.1. Điều khiển theo kiểu truyền thống 19
3.1.2. Điều khiển bằng biến tần 19
3.2. Đặc tính của bơm 21
3.3. Điểm làm việc của tải bơm 21
3.3.1. Dùng van tiết lƣu điều chỉnh lƣu lƣợng 22
3.3.2. Dùng biến tần thay đổi tốc độ động cơ 23
3.4. Tính toán công suất bơm 23
3.5. So sánh dùng van và dung biến tần 24
CHƯƠNG 4: GIAO THỨC USS 25
4.1. Tổng quan về giao thức USS 25

4.2. Cấu trúc bức điện 25
4.2.1. Tổng thể 25
4.2.2. Vùng sữ liệu PKW 27
4.2.3. Vùng xử lí dữ liệu PZD 30
4.3. Sử dụng các lệnh trong thƣ viện USS 33
4.3.1. Lệnh USS_INIT 33
4.3.2. Lệnh USS_CTRL 34
4.3.3. Lệnh USS_RPM_x 37
CHƯƠNG 5: CÀI ĐẶT BIẾN TẦN………………….…………………………………42
5.1. Cài đặt nhanh thông số động cơ 42
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.LÊ QUANG ĐỨC

SVTH: VÕ TRUNG CAN Page x
ĐẶNG XUÂN HỮU
5.2. Nhập thông số biến tần và bảo vệ quá tải động cơ 43
5.3. Cài đặt bảo về biến tần và động cơ 44
5.5. Cài đặt cho phép khởi động lại 45
5.6. Tối ƣu hóa đặc tính tăng, giảm tốc 46
5.7. Cài đặt chức năng giám sát moment 46
5.8. Cài đặt đầu vào tƣơng tự ADC 47
5.9. ổn định mức với chức năng PI 48
5.10. Cài đặt giao thức USS 49
CHƯƠNG 6: PHÁT HIỆN VÀ KHẮC PHỤC SỰ CỐ 51
6.1. Sự cố nguồn điện ngắn hạn 51
6.2. Sự cố nguồn cấp nƣớc, đƣờng ống, tràn bồn. 52
6.2.1. Sự cố nguồn cấp nƣớc 52
6.2.2. Sự cố đƣờng ống 53
6.2.3. Sự cố tràn bồn 54
6.3. Sự cố truyền thông 54
6.3.1. Sự cố trong chƣơng trình 54

6.3.2. Sự cố hƣ biến tần, PLC, cảm biến 55
6.4. Sự cố hƣ hỏng thiết bị truyền thông 55
CHƯƠNG 7: GIẢI THUẬT CHƯƠNG TRÌNH 56
7.1. Sơ đồ tổng quát hệ thống 56
7.1.1. Giao tiếp giữa PC và PLC 56
7.1.2. Giao tiếp PLC và biến tần 57
7.1.3. Cảm biến áp suất và biến tần 57
7.2. Giải thuật chƣơng trình 58
CHƯƠNG 8: LỰA CHỌN THIẾT BỊ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG 60
8.1. Lựa chọn thiết bị 60
8.1.1. Lựa chọn thiết bị động lực 60
8.1.2. Lựa chọn thiết bị mạch điều khiển 63
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.LÊ QUANG ĐỨC

SVTH: VÕ TRUNG CAN Page xi
ĐẶNG XUÂN HỮU
8.2. Thiết kế hệ thống 64
8.2.1. Thiết kế phần cơ khí 64
8.2.2. Thiết kế hệ thống điện 65
8.3. Thi công hệ thống 66
CHƯƠNG 9: THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA CHO HỆ THỐNG 67
9.1. Giới thiệu chung về các chức năng sử dụng trong WinCC 67
9.1.1. WinCC 67
9.1.2. Đặc trƣng cơ bản 68
9.1.3. Cơ sở dữ liệu ODBC/SQL 68
9.1.4. Các chức năng sử dụng trong WinCC 70
9.2. Thiết kế giao diện SCADA trong đồ án 78
9.2.1. Giao diện điều khiển trung tâm 78
9.2.3. Giao diện đọc ghi thông số biến tần 83
9.2.4. Giao diện Alarm 84

9.2.5. Giao diện Report 84
9.2.6. Giao diện Trend/ Table 86
9.3. Điều khiển giám sát qua mạng LAN 92
9.3.1. Giới thiệu về mạng LAN 92
9.3.2. Thiết lập kết nối 94
9.3.3. Ứng dụng vào đề tài 96
CHƯƠNG 10: KẾT QUẢ THỰC HIỆN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 98
10.1. Kết quả thực hiện 98
10.2. Những khó khăn gặp phải 100
10.3. Hạn chế đề tài 100
10.4. Hƣớng phát triển đề tài 100
PHỤ LỤC 103
I. PLC S7-200, CPU 224XP……………………………………….(đính kèm) 103
II. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CHUNG CỦA BIẾN TẦN() 103
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.LÊ QUANG ĐỨC

SVTH: VÕ TRUNG CAN Page xii
ĐẶNG XUÂN HỮU
III. SCADA VÀ PHẦN MỀM WINCC…………………………… (đính kèm) 103
IV. PHẦN MỀM STEP7 MICROWIN……………………….… …(đính kèm) 103
V. PHẦN MỀM PC ACCESS………………………………………(đính kèm) 103
VI. CHƢƠNG TRÌNH STEP7………………………………………(đính kềm) 103


Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.LÊ QUANG ĐỨC

SVTH: VÕ TRUNG CAN Page xiii
ĐẶNG XUÂN HỮU
DANH SÁCH HÌNH VẼ
Trang

Hình 1.1: hệ thống bơm nƣớc cho chung cƣ cao tầng 3
Hình 2.1: Bồn kín sử dụng trong công nghiệp 8
Hình 2.2: Bồn hở sử dụng trong công nghiệp. 9
Hình 2.3: Bồn nƣớc sử dụng trong đồ án 10
Hình 2.4: Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu tỉ lệ (P) 13
Hình 2.5: Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PD) với P = 1 14
Hình 2.6: Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PI) với P = 1 15
Hình 2.7: Sơ đồ điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID 17
Hình 3.1 Họ đƣờng cong đặc tính bơm 21
Hình 3.2 Điểm làm việc của bơm dùng van tiết lƣu 22
Hình 3.3 Công suất tổn hao với hệ thống dùng van tiết lƣu 22
Hình3.4 Điểm làm việc của bơm dùng biến tần 23
Hình 4.1 Cấu trúc tổng thể bức điện 26
Hình 4.2 Cấu tạo khối dữ liệu 26
Hình 4.3 Cấu trúc PKE 27
Hình 4.4: Cấu trúc lệnh USS_INIT 33
Hình 4.5: Sử dụng lệnh USS_INT trong đề tài 34
Hình 4.6: Cấu trúc lệnh USS_CTRL 34
Hình 4.7: Sử dụng lệnh USS_CTRL trong đề tài 37
Hình 4.8: Cấu trúc lệnh USS_RPM_x 37
Hình 4.9: Sử dụng lệnh USS_RPM_R đọc giá trị dòng điện động cơ 39
Hình 4.10: Cấu trúc lệnh USS_WPM_x 39
Hình 4.11: Sử dụng lệnh USS_WPM_R thay đổi giá trị Kp trong điều khiển PI 41
Hình 7.1: Sơ đổ tổng quát hệ thống 56
Hình 8.2 Bản vẽ thiết kế cơ khí hệ thống 64
Hình 8.3 Bản vẽ hệ thống điện 65
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.LÊ QUANG ĐỨC

SVTH: VÕ TRUNG CAN Page xiv
ĐẶNG XUÂN HỮU

Hình 8.4: Mô hình hệ thống sau khi hoàn thành 66
Hình 9.1: Tạo một chƣơng trình WinCC 68
Hình 9.2: Màn hình làm việc của WinCC 70
Hình 9.3: Màn hình cài đặt thuộc tính Runtime 71
Hình 9.4: Giao diện chƣơng trình PC Access 72
Hình 9.5: Add tag vào WinCC 73
Hình 9.6: Một màn hình thiết kế Graphics Designer 74
Hình 9.7: Màn hình Tag Longging 74
Hình 9.8: Màn hình Alarm Longging 75
Hình 9.9: Màn hình tạo Report Alarm 76
Hình 9.10: Màn hình User Administrator 77
Hình 9.11: Màn hình điều khiển trung tâm 78
Hình 9.13: Giao diện đọc ghi thông số biến tần 83
Hình 9.14: Giao diện Alarm 84
Hình 9.15: File ACCESS đƣợc xuất ra và lƣu trữ. 85
Hình 9.16: Đồ thị dòng điện động cơ 86
Hình 9.17: Đồ thị điện áp động cơ 87
Hình 9.19: Đồ thị tần số động cơ 89
Hình 9.20: Đồ thị điện năng tiêu thụ 90
Hình 9.21: Đồ thị mức nƣớc 91
Hình 9.22: Mạng LAN gồm 4 máy tính. 92
Hình 9.23: Kiểu mạng LAN đấu BUS 93
Hình 9.24: Kiểu mạng LAN đấu RING 93
Hình 9.25: Kiểu mạng LAN đấu sao. 94
Hình 9.26: Khởi tạo kết nối ở máy chủ 95
Hình 9.27: Điều khiển, giám sát từ máy khách qua mạng LAN 96
Hình 9.28: Giao diện SCADA trên máy khách 97


Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.LÊ QUANG ĐỨC

SVTH: VÕ TRUNG CAN Page xv
ĐẶNG XUÂN HỮU

Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.LÊ QUANG ĐỨC

SVTH: VÕ TRUNG CAN Page xvi
ĐẶNG XUÂN HỮU
DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 4.1 Ý nghĩa của tham số AK 28
Bảng 4.2 Ý nghĩa tham số AK trong bức điện trả lời 29
Bảng 4.3 Mở rộng thông số 29
Bảng 4.5 Giá trị tham số STW 31
Bảng 4.6 Giá trị tham số ZSW 32
Bảng 5.1: Thông số Reset giá trị mặc định 42
Bảng 5.2: Cài đặt nhanh thông số động cơ 42
Bảng 5.3: Nhập thông số biến tần và bảo vệ quá tải động cơ 43
Bảng 5.4: Cài đặt bảo vệ biến tần và động cơ 44
Bảng 5.5: Cài đặt chức năng khởi động bám 45
Bảng 5.6: Cài đặt chức năng tự khởi động lại 45
Bảng 5.7: Tối ƣu đặc tính tăng, giảm tốc 46
Bảng 5.8: Chức năng giám sát Moment trong MM430 47
Bảng 5.9: Cài đặt đầu vào tƣơng tự ADC 47
Bảng 5.11: Giá trị đặt PI-MOP và giá trị mức nƣớc thực tế 49
Bảng 5.12: Cài đặt giao thức USS 50
Bảng 6.1: Cài đặt chức năng tự khởi động lại 52
Bảng 6.2: Cài đặt chức năng khởi động bám 52
Bảng 6.3: Chức năng giám sát Moment trong MM430 53
Bảng 6.4: Cài đặt đầu vào tƣơng tự ADC 54

Bảng 8.1 Bảng chọn tiết diện dây dẫn 62

Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.LÊ QUANG ĐỨC

SVTH: VÕ TRUNG CAN Page xvii
ĐẶNG XUÂN HỮU

DANH SÁCH CÔNG THỨC
trang
1.1: Tốc độ động cơ 3 pha không đồng bộ 4
2.1: Quan hệ mức nƣớc với áp suất 13
2.2: Hàm truyền khâu điều khiển tỉ lệ. 13
2.3: Hàm truyền khâu điều khiển vi phân tỉ lệ. 14
2.4: Hàm truyền khâu điều khiểntích phân tỉ lệ 15
2.5: Hàm truyền bộ điều khiển PID 17
2.6: Mối quan hệ giữa tín hiệura u(t) với tín hiệu sai lệch e(t) trong bộ PI 17
3.1: Mối quan hệ Momen và tốc độ động cơ tải bơm (quạt) 20
3.2: Mối quan hệ công suất, monen vả tốc độ động cơ tải bơm(quạt) 20
3.3: Mối quan hệ công suất vả tốc độ động cơ tải bơm(quạt) 20
3.4: Tính chọn công suất bơm 23
5.1: Công thức nội suy 2 điểm 50

Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.LÊ QUANG ĐỨC

SVTH: VÕ TRUNG CAN Page xviii
ĐẶNG XUÂN HỮU
DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.LÊ QUANG ĐỨC

SVTH: VÕ TRUNG CAN Page 1
ĐẶNG XUÂN HỮU

CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI


1.1. Đặt vấn đề
Tự động hóa quá trình công nghệ đã thực sự phát triển và ứng dụng mạnh mẽ trong
công nghiệp, là sự lựa chọn tối ưu trong mọi lĩnh vực nhằm tạo ra sản phẩm chất lượng
cao, tiết kiệm chi phí sản xuất tạo khả năng cạnh tranh mạnh mẽ trên thị trường.
Hiện nay, sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa ngày càng phát triển mạnh mẽ, sự
tiến bộ của khoa học kỹ thuật, trong đó kỹ thuật điều khiển tự động cũng góp phần rất lớn
tạo điều kiện để nâng cao hiệu quả trong quá trình sản xuất.
Trong các ngành công nghiệp sản xuất chất lỏng như hóa chất, nước uống đóng chai,
sữa, nước mắm, dầu ăn, dầu khí, … vấn đề cần điều khiển mức lưu lượng dòng chảy cần
đáp ứng với độ chính xác cao để phục vụ quá trình sản xuất đạt hiệu quả tốt hơn, đảm bảo
quá trình sản xuất các chất lỏng không bị gián đoạn, tăng tuổi thọ thiết bị, người vận
hành không cần phải trực tiếp kiểm tra trong các bồn chứa hoặc đóng mở bơm liên tục,
vấn đề bị cạn hay tràn trong bồn chứa chất lỏng hoàn toàn được khắc phục cho dù đầu ra
thay đổi.
Chính vì vậy chúng em chọn đề tài là: Điều Khiển Bơm Ổn Định Mức Chất Lỏng.

Với yêu cầu ứng dụng thực tế như thế, đối tượng đề tài thực hiện chính ở đây là hệ bồn
nước, hệ bồn nứớc được hình thành với hệ thống bơm và van xả chất lỏng nhưng luôn giữ
ổn định theo giá trị mức đặt trước, mực chất lỏng của bồn được duy trì ổn định, để làm
được điều này thì đòi hỏi ta phải điều khiển lưu lượng chất lỏng từ máy bơm vào hệ thống
bồn nước, làm mực nước trong bồn luôn luôn giữ một giá trị đặt trước là không đổi, việc
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.LÊ QUANG ĐỨC

SVTH: VÕ TRUNG CAN Page 2
ĐẶNG XUÂN HỮU
điều khiển hệ thống này để giữ được mức chất lỏng trong bồn ổn định là tương đối khó,
cần phải có sự đáp ứng nhanh để điều khiển máy bơm khi lưu lượng nước xả thay đổi.
1.2. Tìm hiểu về đối tƣợng
1.2.1. Ứng dụng
Hệ thống bơm ổn định mức được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp nói chung
và ngành công nghiệp chất lỏng nói riêng như hóa chất, nước uống đóng chai, dầu ăn, sản
xuất xi măng, sản xuất giấy, sản xuất điện năng… Đặc biệt trong hệ thống cung cấp nước
cho hộ dân, khu chung cư, nhà cao tầng.
Ví dụ thực tế:
- Nhu cầu sử dụng nước trong khu công nghiệp, khu dân cư rất khác nhau trong các
thời điểm của ngày (cao điềm và thấp điểm), yêu cầu đặt ra là phải giải quyết được
việc tự động ổn định áp suất trên đường ống nước cấp, mức nước trên bồn chứa, và
tiết kiệm năng lượng cho hệ thống cấp nước.
- Để đáp ứng nhu cầu áp lực nước trong hệ thống luôn đủ khi nhu cầu sử dụng nước
thay đổi bất thường, các bơm trong hệ thống luôn làm việc liên tục ở chế độ đầy
tải. Tuy nhiên điều này dẫn đến 1 số bất lợi sau:
o Áp lực nước trong hệ thống đôi khi tăng quá cao không cần thiết, 1 số thời
điểm nhu cầu sử dụng nước giảm xuống nhưng hệ thống bơm vẫn chạy đầy
tải. Điều này gây lãng phí năng lượng rất lớn.
o Các bơm phải chạy liên tục dẫn đến giảm tuổi thọ cơ khí.
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.LÊ QUANG ĐỨC

SVTH: VÕ TRUNG CAN Page 3
ĐẶNG XUÂN HỮU

Hình 1.1: hệ thống bơm nƣớc cho chung cƣ cao tầng
1.2.2. Giải pháp công nghệ đang đƣợc sử dụng
Trong ngành công nghiệp hiện nay các hệ thống bơm ồn định mức hầu hết được thiết
kế với các đặc điểm sau:
- Trạm thường có tối thiểu 2 bơm trở lên, cùng cấp nước vào một đường ống chính.
- Các bơm được khởi động trực tiếp hoặc sao/tam giác và tất cả các động cơ đều
hoạt động ở tốc độ định mức.
- Trong quá trình trạm bơm hoạt động, thường luôn luôn để một bơm ở chế độ dừng
(mang tính dự phòng).
- Việc điều chỉnh áp lực trên đường ống chính hay mức nước được thực hiện bằng 2
cách:
o Thay đổi góc mở các van (van tay hoặc van điện) trong trường hợp sự thay
đổi áp lực ở khoảng cho phép. Trường hợp áp lực vẫn thiếu hoặc thừa ta có
thể ngắt hoặc đóng thêm bơm (có thể là một bơm, hoặc nhiều hơn).
o Điều khiển ON/OFF.
 Điều khiển ON/OFF
Là kiểu diều khiển khi bơm nước tới một mức nào đó (đặt) thì cho bơm ngừng hoạt
động, và khi nước được tiêu thụ và giảm xuống tới mức đặt thấp thì cho bơm chạy.
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.LÊ QUANG ĐỨC

SVTH: VÕ TRUNG CAN Page 4
ĐẶNG XUÂN HỮU
- Ƣu điểm: Kiểu điều khiển ON/OFF dễ thiết kế, dễ điều khiển, giá thành thấp, phù
hợp với chế độ Stand by.
- Nhƣợc điểm: hệ thống không ổn định, đáp ứng chậm và không tốt, mức nước liên
tục giao động xung quanh điểm đặt, dòng điện khởi động lớn gây sụt áp, bơm đóng

mở liên tục gây giảm tuổi thọ.
 Điều khiển thay đổi góc mở van
Để ổn định mức nước cũng như áp suất trong đường ống thì vấn đề quan tâm nhất là
điều khiển lưu lượng nước bơm lên bồn để ổn định mực nước và áp suất theo một điểm
đặt cố định. Có thể sử dụng van điện với tín hiệu phản hồi của cảm biến đưa về bộ điều
khiển, bộ điều khiển xữ lí đưa ra tín hiệu điều khiển đóng mở van để chỉnh lưu lượng
bơm. Hoặc sử dụng van tay để điều chỉnh trực tiếp.
- Ƣu điểm: Giá thành thấp, dễ thiết kế.
- Nhƣợc điểm: Các bơm vẫn chạy đầy tải và liên tục, điều này gây lãng phí năng
lượng điện vì có những thời điểm nhu cầu xử dụng nước giảm xuống thì bơm chỉ
cần chạy 50% hay 60% công suất là đã đáp ứng được. Việc vận hành khó khăn và
tốn chi phí nhân công vì phải cần công nhân vận hành trực tiếp để điều khiển góc
mở valve. Các bơm phải chạy liên tục dẫn đến giảm tuổi thọ phần cơ khí. Khó
kiểm soát áp lực nước làm ảnh hưởng tuổi thọ đường ống, ảnh hưởng tuổi thọ các
mối nối.
1.3. Lựa chọn giải pháp và nhiệm vụ đề tài
1.3.1. Lựa chọn giải pháp
Với các phương pháp đã phân tích như trên ta có thể nhận thấy rằng việc ổn định mức
nước được thiết kế dễ dàng nhưng vẫn còn rất nhiều nhược điểm. Để đáp ứng được những
yêu cầu về ổn định mức nước trong công nghiệp cũng như dân dụng, hiện nay cùng với sự
phát triển của khoa học kĩ thuật cũng như ngành tự động hóa các công ty lớn về lĩnh vực
này đã không ngừng phát triển và cho ra ra đời các loại biến tần với chức năng chính là
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.LÊ QUANG ĐỨC

SVTH: VÕ TRUNG CAN Page 5
ĐẶNG XUÂN HỮU
thay đổi tần số của động cơ để làm nhiệm vụ trên. Như ta biết tốc độ động cơ 3 pha không
đồng bộ phụ thuộc vào các thông số như công thức sau:

p

f
n
60

(1.1)
Trong đó: n- Tốc độ động cơ (vòng/ phút).
f- tần số động cơ (Hz).
p- Số cặp cực.
Vì vậy để thay đổi tốc độ động cơ ta có thể thay đổi điện áp hoặc thay đổi tần số, việc
thay đổi điện áp lưới là không thể nên thay đổi tần số là hợp lý nhất với việc sử dụng biến
tần ta có thể giải quyết được bài toán ổn định mức cùng với việc hạn chế các nhược điểm
của các phương pháp khác. Với việc hỗ trợ chức năng điều khiển PI, biến tần sẽ nhận tín
hiệu analog (dòng hoặc áp) từ sernsor đưa về, biến tần sẽ tự động thay đổi tần số, từ đó
thay đổi tốc độ bơm, vì thế việc khống chế mức nước trong bồn trở nên dễ dàng hơn rất
nhiều.Khi nhu cầu xử dụng nước cao, thì biến tần sẽ tự động điều khiển động cơ quay ở
tốc độ cao nhất để duy trì mức nước, ngược lại khi nhu cầu xử dụng nước thấp, biến tần
sẽ điều khiển động cơ giảm tốc độ xuống hoặc dừng hẳn. Khi đó năng lượng điện được
tiết kiệm.
 Ƣu điểm khi sử dụng biến tần
Việc điều chỉnh mức nước trong bồn hoàn toàn tự động, điều này sẽ tiết kiệm chi phí
nhân công vì không cần người vận hành.Toàn bộ bơm sẽ được điều khiển thông qua biến
tần.Với phương pháp điều khiền U/f, điều khiển vector, do đó tốc độ bơm có thể thay đổi
một cách linh hoạt. Dòng khởi động được hạn chế sẽ không gây sụt áp khi khởi động sẽ
không ảnh hưởng đến các thiết bị khác.Quá trình stop, start của bơm được êm hơn, tác
dụng giảm tổn hại cho động cơ về mặt cơ khí, cho hệ truyền động cũng như về mặt điện.
Chi phí bảo dưỡng giảm.Tiết kiệm năng lượng khi nhu cầu xử dụng thay đổi nhiều. Có
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.LÊ QUANG ĐỨC

SVTH: VÕ TRUNG CAN Page 6
ĐẶNG XUÂN HỮU

các chức năng bảo vệ: quá áp, thấp áp, quá nhiệt,bảo vệ nhiệt động cơ, bảo vệ ngắn
mạch,đảo pha, kẹt rotor,…Khởi động bơm từ từ với việc cài đặt thời gian tăng tốc, tránh
gây rung đường ống và sự thay đổi áp suất đột ngột,… tránh ảnh hưởng xấu cho hệ
thống.Có thể kết nối truyền thông với PLC để giám sát mọi hoạt động .Đồng thời với các
chức năng có sẵn ta có thể giải quyết các sự cố kĩ thuật như: hết nước bồn dưới, kẹt
đường ống, nguồn điện ngắn hạn.
 Giải pháp truyền thông
Để điều khiển biến tần thông qua PLC thông thường có các giải pháp sau:
- Dùng các đầu vào ra số của PLC, nhưng chỉ thực hiện được các chức năng đơn
giản như: khởi động, dung, đảo chiều. Còn việc thay đổi thời gian khởi động hoặc
dừng, đặt lại tốc độ… không thể thực hiện được ở chế độ này.
- Để thay đổi giá trị setpoint biến tần mất đi 1 đầu vào analog và 1 đầu ra analog,
ngoài ra cần phải sử dụng các đầu vào ra số để điều khiển biến tần (rất kho khăn sử
dụng trong các biến tần có 1 đầu vào số như MM420).
- Điều khiển qua mạng Profibus: đối với MM3, MM4 của Siemens đã có sẵn giao
diện Profibus trên RS485 Port. Nhưng đối với các ứng dụng nhỏ thì việc thiết kế một
mạng Profibus là không kinh tế.
- Dùng Port 0 của PLC để kết nối tới các Port của biến tần, 1PLC có thể điều khiển
và giám sát được 1 mạng tối đa 31 biến tần. Mạng này gọi là mạng USS. Dạng kết nối
là điểm-điểm. Ta có thể điều khiển toàn bộ các chức năng của biến tần thông qua
mạng này, ngoài ra còn có thể giám sát được dòng điện, điện áp, tốc độ… dựa vào
vùng nhớ mà PLC dành riêng cho biến tần. Chi phí cho mạng này là thấp và tối ưu
nhất cho các ứng dụng nhỏ.
Với các giải pháp điều khiển và giám sát biến tần như trên giải pháp nhóm đưa ra là sử
dụng giao thức USS để kết nối giữa PLC và biến tần, rất phù hợp cho ứng dụng nhỏ và có
khả năng phát triển thành một hệ thống lớn.
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.LÊ QUANG ĐỨC

SVTH: VÕ TRUNG CAN Page 7
ĐẶNG XUÂN HỮU

1.3.2. Nhiệm vụ đề tài
Với giải pháp được lựa chọn ở trên nhóm sẽ sử dụng PLC và biến tần để để giải quyết
bài toán bơm ổn định mức với các tính năng sau:
- Tính chọn các thiết bị động lực và điều khiển.
- Hệ thống bơm và điều khiển ổn định mức nước của bồn, hệ thống hoạt động tin
cậy, đảm bảo các thông số kỹ thuật cho trước.
- Chế độ hoạt động manual, chế độ tự động, chế độ giám sát và điều khiển từ xa.
- Hệ thống tự động điều khiển, cho phép cài đặt và thay đổi các chế độ và thông số
hoạt động.
- Giải pháp tiết kiệm và giám sát tiêu thụ điện năng.
- Giải quyết các vấn đề sự cố kỹ thuật như sự cố nguồn điện ngắn hạn, sự cố nguồn
cấp nước, sự cố đường ống, sự cố tràn bồn, sự cố truyền thông.
- Hệ thống SCADA hai cấp: cấp điều khiển trực tiếp và cấp giám sát từ xa thông qua
mạng LAN.
- Hiển thị và giám sát các thông số kỹ thuật của hệ thống như mức nước, tốc độ
bơm, tiêu thụ điện năng.
- Lập báo cáo (report) hàng tuần, hàng tháng vận hành của hệ thống.
- Lưu trữ dữ liệu vận hành.





Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.LÊ QUANG ĐỨC

SVTH: VÕ TRUNG CAN Page 8
ĐẶNG XUÂN HỮU
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN LÍ THUYẾT

2.1. Nhiệm vụ đề tài
2.1.1. Giới thiệu chung về bồn nƣớc
Bồn nước là một thiết bị được sử dụng rộng rãi trong sản xuất và sinh hoạt, là một
thiết bị dùng để đựng chất lỏng như: nước, xăng, dầu, axit…, dung bồn nước để định
lượng các loại chất môi cần sử dụng. Tùy vào nhu cầu sử dụng mà có 2 loại bồn nước
chính là bồn kín và bồn hở.
- Bồn kín: là loại bồn được chế tạo kín cách li với khí, chất lỏng bên ngoài. Bồn kín
được sử dụng trong các ứng dụng:
 Lưu trữ, ủ … trong các dây chuyền sản xuất thực phẩm, dược
phẩm, hóa chất…
 Trong công nghiệp sản xuất điện năng.
 Trong nồi hơi công nghiệp…

Hình 2.1: Bồn kín sử dụng trong công nghiệp