Điều khiển động cơ bơm để ổn định áp suất nước cho khu chung cư

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC DUY TÂN


ĐINH VĂN ĐẠT

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƠM ĐỂ ỔN ĐỊNH
ÁP SUẤT NƯỚC CHO KHU CHUNG CƯ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG

ĐÀ NẴNG, 2021


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC DUY TÂN


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƠM ĐỂ ỔN ĐỊNH
ÁP SUẤT NƯỚC CHO KHU CHUNG CƯ
CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỰ ĐỘNG

GVHD : TH.S HUỲNH GIA SƠN
SVTH : ĐINH VĂN ĐẠT
LỚP

: K23 EDT2

MSSV : 2321170770

ĐÀ NẴNG, 2021


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu riêng của tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong khóa luận là trung thực, có nguồn gốc rõ ràng và được trích dẫn đầy
đủ theo đúng quy định.
Sinh viên thực hiện

Đinh Văn Đạt


LỜI CẢM ƠN
Quá trình làm đồ án tốt nghiệp là giai đoạn quan trọng nhất trong quãng đời
của mỗi sinh viên và đặc biệt đối với em đây có thể là giai đoạn then chốt và đầy ý
nghĩa của đời sinh viên . Đồ án tốt nghiệp là tiền đề để trang bị cho em những kỹ
năng nghiên cứu, những kiến thức q báu cho q trình định hướng cơng việc và
lập nghiệp sau này.
Trước hết em xin chân thành cảm ơn các thầy cô khoa Điện – Điện Tử của
trường Đại Học Duy Tân, đặc biệt là các thầy cơ trong bộ mơn Điện tự động đã tận
tình chỉ dạy và trang bị cho chúng em những kiến thức cần thiết trong suốt thời gian
ngồi trên giảng đường, làm nền tảng cho việc thực hiện đồ án tốt nghiệp này đã
truyền đạt những kiến thức về chuyên môn và giúp em định hướng theo sự hiểu biết
và khả năng của mình để em thực hiện tốt đề tài “Điều khiển động cơ bơm để ổn
định áp suất nước choc hung cư”
Xin trân trọng cảm ơn thầy, Thạc sĩ Huỳnh Gia Sơn đã tận tình hướng dẫn,
giúp đỡ, định hướng tư duy và cách làm việc khoa học có hiệu quả cho chúng em.
Đây là những lời góp ý hết sức q báu khơng chỉ trong suốt q trình thực hiện
làm đồ án tốt nghiệp, mà còn là hành trang để chúng em tiếp bước trong quá trình

học tập và làm việc sắp tới.
Sau cùng là gửi lời cảm ơn tới hội đồng bảo về và các bạn đã lắng nghe phần
trình bày và nhiệt tình giúp đỡ em trong quá trình thực hiện làm đồ án này.


MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU...........................................................................................1
1.1 Lý do chọn đề tài:......................................................................................1
1.2 Mục tiêu nghiên cứu:................................................................................1
1.3 Phạm vi nghiên cứu đề tài:.......................................................................2
CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ÁP SUẤT.............3
2.1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ CÁC HỆ THỐNG CẤP NƯỚC CHUNG CƯ
TRONG THỰC TẾ:...............................................................................................3
2.2 NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN TRONG HỆ THỐNG:..................................4
2.2.1 Phuong thức điều khiển bơm:...............................................................4
2.2.2 Những ưu điểm :....................................................................................5
2.2.3 Mô tả hoạt động của hệ thống (Được điều khiển theo hình thức biến
tần điều khiển 1 bơm)..............................................................................................6
2.3 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT ÁP SUẤT:................................7
CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG TRONG MƠ HÌNH. 8
3.1 GIƠI THIỆU PLC:............................................................................................8
3.1.1 Định nghĩa:.............................................................................................8
3.1.2 Lịch sử ra đời và phát triển của plc:.....................................................8
3.1.3 Giới thiệu PLC S7-1200:......................................................................10
3.2 TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN:.......................................................................16
3.3 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ BƠM:.............................................................20
3.3.1 Khái nệm và phân loại động cơ bơm:.................................................20
3.3.2 Ghép bơm:............................................................................................21
CHƯƠNG 4 GIỚI THIỆU VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID......................................27

4.1 TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID:...................................................27
4.1.1 Giới thiệu về bộ điều khiển:................................................................27
4.2.2. Đặc tính quá độ và các chỉ tiêu đánh giá chất lượng hệ điều chỉnh tự
động......................................................................................................................... 28
4.2. BỘ ĐIỀU KHIỂN PID...................................................................................28


4.2.1. Tổng quan về bộ điều khiển PID........................................................28
4.2.2. Phân tích các luật điều chỉnh.............................................................29
4.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID....33
4.3.1. Phương pháp Ziegler-Nichols............................................................33
4.3.2 Lựa chọn luật điều khiển:....................................................................36
CHƯƠNG 5 TÍNH TỐN VÀ XÂY DỰNG MƠ HÌNH....................................40
5.1 TÍNH TỐN XÂY DỰNG PHẦN CỨNG:...................................................40
5.1.1 Sơ đồ khối:............................................................................................40
5.1.2 Lựa chọn thiết bị :................................................................................40
5.2 TÍNH TỐN XÂY DỰNG PHẦN MỀM:.....................................................45
5.2.1 Lưu đồ thuật tốn:...............................................................................45
5.2.2 Lập trình PLC:.....................................................................................46
5.2.3 Mơ phỏng WINCC:..............................................................................46
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI......................47
6.1 KẾT LUẬN:.....................................................................................................47
6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI:..................................................................47
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO


DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
CÁC KÝ HIỆU:
- H : Cột áp
- H1: là tổng của cột áp cao nhất

- H2: cột áp để phun nước tại đầu ra
- H3: tổn thất áp tại co cút tê trên đường ống (tổn thất cục bộ) và ma sát đường ống.
- Ptt : Cơng suất tính tốn (Kw)
- Q : Lưu lượng nước (m3 /s ) hoặc (l/ s )
- M : Khối lượng riêng của nước ( lấy bằng 1000 Kg/m3)
- N : Hiệu suất bơm ( chọn từ 0.8-0.9 )
- Pđc : Công suất động cơ (Kw)
- Ptt : Cơng suất tính tốn (Kw)
- C : Hiệu suất motor ( chọn từ 0.9 – 0.95)
- D : Kích thước đường ống (m)
- V : Vận tốc nước (m/s )
- P : Áp suất thực tế
- P0 : Áp suất đặt
- P Max : Áp suất cực đại
- P Min : Áp suất cực tiểu
CÁC TỪ VIẾT TẮT:
- PLC : Programmable Logic Controller
- PID : Proportional Integral Derivative
- HMI: Human- Machine- Interface
- NEMA : National Electrical Manufacturers Association – Hiệp hội những
nhà sản xuất điện quốc gia của Mỹ
- IEC : International Electrotechnical Commission – Ủy ban Kỹ thuật Điện
Quốc tế
- CPU: Central Processing Unit - Bộ phận xử lý trung tâm
- LED: Light Emitting Diode - diode phát quang
- FFC: Feed Forward compensation - Bù nhiễu lọc nhiễu
- DTC: Dead time compensation – Bù trễ
- SPW: SetPoint Weighting SetPoint Weighting – Trọng số tín hiệu đặt
- PPT: Pole Placement Tuning - chỉnh đặt điểm cực
- LAD : Ladder diagram - Một dạng của ngơn ngư lập trình PLC

- FBD : Function Block Diagram – Một dạng của ngôn ngư lập trình PLC
- SFC : Sequential function chart – Một dạng của ngơn ngư lập trình PLC


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1 Lịch sử ra đời và phát triển của PLC........................................................10
Bảng 3.2 Tiêu chuẩn quốc tế IEC về PLC...............................................................10
Bảng 3.3 Các thành phần và chức năng của PLC....................................................12
Bảng 3.4 Module và kiểu dữ liệu.............................................................................13
Bảng 4.1 Chọn luật điều khiển................................................................................38


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ
Hình 2.1 Hình minh họa hệ thống ngồi thực tế........................................................3
Hình 3.12 Đặc tính làm việc song song của hai bơm giống nhau22


1

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1 Lý do chọn đề tài:
Trên thế giới và ở Việt Nam hiện nay nhu cầu tiêu thụ năng lượng ngày càng
tăng dần và đã có rất nhiều cảnh báo về tiết kiệm năng lượng. Các ngành cơng
nghiệp nói chung và ngành cấp thốt nước nói riêng vẫn sử dụng cơng nghệ truyền
động khơng thích hợp, điều khiển thụ động, không linh hoạt mà cụ thể là cấp thoát
nước cho các khu chung cư. Đối với nhà máy nước, yếu tố cấu thành giá nước bị chi
phối phần lớn bởi chi phí điện bơm nước (30-35%). Trước đây tồn tại quan điểm
việc đầu tư vào tiết kiệm năng lượng là một công việc tốn kém và không mang lại
hiệu quả so với thực tế. Với công nghệ biến tần tính tốn đã chỉ ra việc đầu tư vào
hệ thống điều khiển tiết kiệm năng lượng cho trạm bơm có thời gian hồn vốn đầu

tư hết sức ngắn và giảm được chi phí cho cơng tác quản lí vận hành thiết bị. Máy
bơm và quạt gió là những ứng dụng rất thích hợp với truyền động biến đổi tốc độ
tiết kiệm năng lượng.
Trong phạm vi đồ án dưới đây, chúng ta chỉ đề cập đến việc sử dụng thiết bị
biến tần và thuật toán điều khiển PID trong điều khiển tốc độ tiết kiệm năng lượng
cho các máy bơm mà vẫn ổn định áp suất trong đường ống cấp nước, tăng tính hiệu
quả thực tế và đảm bảo an toàn trên hệ thống
1.2 Mục tiêu nghiên cứu:
Đối với các hệ thống bơm cấp nước trong thực tế, người ta sử dụng máy bơm
công suất lớn, biến tần công suất lớn để bơm cấp nước cho cả khu dân cư, thành
phố, cho cả khu công nghiệp. Với đề tài này,em muốn hướng đến một mơ hình hệ
thống được điều khiển một cách đơn giản nhưng lại đạt hiểu quả cao và sát với thực
thế .Chính vì vậy em đã mơ hình hóa hệ thống nên chỉ sử dụng biến tần công suất
nhỏ và bơm công suất nhỏ để mô tả hoạt động của hệ thống. Một phần vì máy bơm
ba pha thường rất to và nặng kéo theo hệ thống sẽ khơng đơn giản và một lý do
chính đó là chi phí cho một đề tài đồ án như vậy là quá lớn với khả năng của em. Để
thực hiện được đề tài em đã:
- Nghiên cứu kĩ hệ thống bơm cấp nước trong thực tế, nắm rõ trình tự điều
khiển có trong hệ thống
- Tìm hiểu về PLC Simatic S7-1200: Nghiên cứu cấu trúc phần cứng, cấu trúc
bộ nhớ của PLC S7-1200
- Tìm hiểu về cách sử dụng và các giao thức của biến tần
- Lựa chọn biến tần và động cơ có cơng suất hợp lý với số liệu mà giảng viên
hướng dẫn đưa ra


2

- Tìm hiểu giao tiếp giữa PLC S7-1200 , biến tần và động cơ bơm
- Lập trình PLC

- Lập trình bộ PID để điều khiển động cơ bơm
- Tìm hiểu cách sử dụng phần mềm TIA PORTAL dùng để lập trình cho PLC
S7-1200 và mơ phỏng bằng WinCC để thiết kế giao diện điều khiển cho hệ thống.
1.3 Phạm vi nghiên cứu đề tài:
Từ những kiến thức cơ sở học được tại trường Đại học Duy Tân và ngoài thực tế, do
bản thân còn hạn chế về kiến thức cũng như về khả năng kinh tế và thời gian có hạn
nên em chỉ có thể tạo mơ hình mang tính chất mô phỏng cao gần với thực để thể
hiện quy trình vân hành và hoạt động của hệ thống ổn định áp suất nước cho khu
chung cư trong thực tế. Trong đó, em đã thực hiện một số cơng việc:
- Lập trình PLC theo thuật tốn đưa ra
- Tạo giao tiếp PLC với WinCC để mô phỏng và giám sát hệ thống
- Tạo giao tiếp giữa PLC, biến tần và động cơ bơm
- Thiết kế giao diện điều khiển tự động với WinCC
- Lập trình PID bằng PLC cho động cơ hoạt động theo giá trị áp suất yêu cầu
- Xây dựng và lắp ráp mơ hình sản phẩm của hệ thống


3

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ÁP SUẤT
2.1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ CÁC HỆ THỐNG CẤP NƯỚC CHUNG CƯ
TRONG THỰC TẾ:
a) Các dạng hệ thống cấp nước cho chung cư hiện có:
Phần lớn mọi người đều khơng biết hệ thống bơm nước cho khu nhà cao tầng
thiết kế như thế nào, làm sao để ban quản lý có thể phân phối đủ nước cho tồn bộ
nhu cầu sinh hoạt của cả tòa nhà? Câu trả lời sẽ có ngay trong bài viết dưới đây.
Trên thực tế, hệ thống bơm cấp nước cho nhà cao tầng hiện nay có thể thực hiện
theo một số phương án như sau:
– Từ bể ngầm nước sẽ được bơm đến trạm bơm rồi đi qua bể trung gian. Từ
bể trung gian nước tiếp tục được đưa đến trạm bơm trung gian rồi bể mái và từ đó

sẽ phân vùng cấp nước trọng lực rồi tới trạm bơm cho các tầng ở trên cùng. Ngồi
ra, hệ thống ống nước cũng có thể hoạt động theo quy trình như sau:
– Nước từ bể ngầm sẽ đi qua 2 bơm biến tầng rồi qua bình áp lực sẽ phân cấp
thành 3 vùng nước khác nhau. Từ nơi phân cấp, nước sẽ đi theo hệ thống ống đã
được lắp từ trước. Các ống này đã có van chống nươNgồi ra, hệ thống ống nước
cũng có thể hoạt động theo quy trình như sau:
– Nước từ bể ngầm sẽ đi qua 2 bơm biến tầng rồi qua bình áp lực sẽ phân cấp
thành 3 vùng nước khác nhau. Từ nơi phân cấp, nước sẽ đi theo hệ thống ống đã
được lắp từ trước. Các ống này đã có van chống nươc, van điều áp lắp trên ống
đứng và các loại van khóa thích hợp khác.c, van điều áp lắp trên ống đứng và các
loại van khóa thích hợp khác.


4

Hình 2.1 Hình minh họa hệ thống ngồi thực tế
b) Khái quát về tình hình thực tế
Hiện nay mỗi trạm bơm thường có nhiều máy bơm cùng cấp nước vào cùng
một đường ống. Áp lực và lưu lượng của đường ống thay đổi hàng giờ theo nhu cầu
sử dụng. Bơm và các thiết bị đi kèm như đường ống, van, đài nước được thiết kế
với lưu lượng nước bơm rất lớn. Vì thế điều chỉnh lưu lượng nước bơm được thực
hiện bằng các phương pháp đơn giản của trước đây như :
- Điều chỉnh bằng cách khép van trên ống đẩy của bơm
- Điều chỉnh bằng cách đóng mở các máy bơm hoạt động đồng thời
- Điều khiển thay đổi tốc độ quay bằng khớp nối
Điều khiển theo những phương pháp trên không những không tiết kiệm được
năng lượng điện tiêu thụ mà cịn gây nên hỏng hóc thiết bị và đường ống do chấn
động khi đóng mở van gây nên, đồng thời các máy bơm cung cấp không bám sát
được chế độ tiêu thụ trên mạng lưới.
Để giải quyết các vấn đề kể trên chỉ có thể sử dụng phương pháp điều khiển

truyền động biến đổi tốc độ bằng biến tần kết hợp với thuật toán điều khiển PID.
Thiết bị biến tần là thiết bị điều chỉnh biến đổi tốc độ quay của động cơ bằng cách
thay đổi tần số của dòng điện cung cấp cho động cơ.
2.2 NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN TRONG HỆ THỐNG:
Đầu ra của PLC được nối với biến tần để điều khiển biến tần và từ dây biến
tần điều khiển tốc độ động cơ từ đó điều chỉnh tẳng giảm áp suất trên đường ống
theo thông số mong muốn
Khi sử dụng thiết bị biến tần cho phép điều chỉnh một cách linh hoạt lưu lượng
và áp lực cấp vào mạng lưới đường ống theo yêu cầu tiêu thụ.
Với tín hiệu từ cảm biến áp lực phản hồi về PLC, PLC sẽ so sánh giá trị truyền
về này với giá trị đặt để từ đó ra lệnh cho biến tần giúp thay đổi tốc độ của động cơ
bằng cách thay đổi tần số dòng điện đưa vào động cơ để đảm bảo áp suất nước trong
đường ống được ổn định.
Sử điều chỉnh linh hoạt các máy bơm khi sử dụng biến tần được cụ thể như
sau:
- Điều chỉnh tốc độ quay khi áp suất thay đổi
Đa dạng trong phương thức điều khiển các máy bơm trong trạm bơm. Một
thiêt bị biến tần có thể điều khiển tới một máy bơm hoặc nhiều hơn.
2.2.1 Phuong thức điều khiển bơm:
Có 3 phương thức thường dùng để điều khiển các máy bơm:
 Điều khiển theo mực nước:


5

Trên cơ sở tín hiệu mực chất lỏng trong bể hút hồi tiếp về PLC. Bộ vi xử lý sẽ
so sánh tín hiệu hồi tiếp với mực chất lỏng được cài đặt. Trên cơ sở kết quả so sánh,
PLC sẽ điều khiển đóng mở các máy bơm sao cho phù hợp để mực chất lỏng trong
bể luôn bằng giá trị cài đặt. Ngược lại khi tín hiệu hồi tiếp lớn hơn giá trị cài đặt,
biến tần sẽ điều khiển các bơm để mực chất lỏng luôn đạt giá trị đặt.

 Điều khiển theo hình thức chủ động thụ động:
Mỗi một máy bơm được nối với một bộ biến tần trong đó có một biến tần là
chủ động, các biến tần khác là thụ động. Khi tín hiệu hồi tiếp về biến tần chủ động
thì bộ vi xử lý của biến tần này sẽ so sánh với tín hiệu được đặt để từ đó tác động
đến các biến tần thụ động điều chỉnh tốc độ quay của các máy bơm cho phù hợp và
không gây ra hiện tượng đập thủy lực phản hồi từ hệ thống. Phương thức điều khiển
này là linh hoạt nhất khắc phục những khó khăn trong quá trình vận hành bơm khác
với thiết kế. Phương thức này được sử dụng cho trường hợp thay đổi cả về lưu
lượng và áp suất trên mạng lưới.
 Điều khiển theo hình thức biến tần điều khiển một bơm:
Một máy bơm chính thơng qua thiết bị biến tần, các máy bơm cịn lại đóng mở
trực tiếp bằng khởi động mềm. Khi tín hiệu áp lực và lưu lượng trên mạng lưới hồi
tiếp về PLC, bộ vi xử lý sẽ so sánh với giá trị cài đặt và điều khiển tốc độ máy bơm
chính chạy với tốc độ phù hợp. Đây cũng chính là cách mà em đã tiến hành làm.
Khi mà bơm được điều khiển bằng biến tần hoạt động ở chế độ định mức mà vẫn
chưa đáp ứng được áp suất trên đường ống thì PLC sẽ ra lệnh để đưa các máy bơm
khởi động mềm tham gia vào hệ thống nhằm duy trì được áp suất mong muốn trong
đường ống. Đến một lúc nào đó, khi mà áp suất trong đường ống đã đủ thì PLC sẽ
ngắt các bơm phụ ra dần dần tránh áp suất cao gây nguy hiểm cho đường ống.
Trong trường hợp ngắt tất cả các bơm mà áp suất vẫn cịn cao thì PLC sẽ ra lệnh
cho biến tần để biến tần giảm dần tần số của động cơ để đưa áp suất trong đường
ống về gần bằng giá trị đặt nhanh nhất trong thời gian có thể. Tất cả những việc này
được theo dõi và giám sát bằng phần mềm “ Tia Portal ” qua màn hình máy tính
(hoặc được điều khiển bằng tay).
2.2.2 Những ưu điểm :
 Hạn chế dòng khởi động cao
 Tiết kiệm năng lượng
 Điều khiển linh hoạt các máy bơm
 Dãy công suất rộng từ 1,1 – 400KW
 Tự động ngừng khi đạt tới điểm cài đặt (setpoint)

 Tăng tốc nhanh giúp biến tần bắt kịp tốc độ hiện thời của động cơ


6

 Tự động tăng tốc giảm tốc tránh quá tải hoặc quá điện áp khi khởi động
 Bảo vệ được động cơ khi: ngắn mạch, mất pha, lệch pha, quá tải, q dịng,
q nhiệt,…
 Kết nối được với máy tính chạy trên hệ điều hành Window
 Kích thước nhỏ gọn, khơng chiếm diện tích trong nhà trạm
 Mơ-men khởi động cao với chế độ tiết kiệm năng lượng
 Dễ dàng lắp đặt vận hành
 Hiển thị các thông số của động cơ và biến tần
 Điều khiển bằng biến tần cho độ trơn điều khiển đạt gần tới giá trị lý tưởng
2.2.3 Mô tả hoạt động của hệ thống( Được điều khiển theo hình thức biến
tần điều khiển 1 bơm)
Trong hệ thống có hai động cơ bơm xoay chiều ( 1 động cơ 3 pha sử dụng lưới
điện 380V và 1 động cơ 1 pha sử dụng lưới điện 220v) ,. Động cơ 3 pha với vai trị
bơm chính được điều khiển trực tiếp bằng biến tần thông qua thuật toán điều khiển
PID của PLC , động cơ 1 pha với vai trò là bơm dự phòng sẽ được bật khi động cơ 3
pha chạy hết công suất mà vẫn chưa đáp ứng được áp suất ổn định mong muốn
Khi khởi động hệ thống , động cơ 3 pha hoạt động bình thường , cho tới khi
đạt tới áp suất nước đạt giá trị setpoint , và giữ cho động cơ bơm chạy với mức tốc
độ này (xem như là định mức)
Trường hợp áp suất nước trên đường ống giảm cần phải tăng áp suất nước thì ta
sử bộ PID của PLC để tăng tốc của động cơ 3 pha => ổn định lại áp suất nước ở giá trị
setpoint . và ngược lại bơm phụ ngắt khi động cơ 3 pha đủ sức đáp ứng áp lực nước
Và tương tự như vậy với trường hợp trên là trường hợp áp suất nước trên
đường ống tang cao gây nguy hiểm tới đường ống cần phải giảm áp suất nước
Nếu lúc tải giảm mạnh nhất (áp suất tăng lên cao) thì bơm dự phòng sẽ tự

động dừng chỉ còn bơm biến tần hoạt động. Hệ thống cứ hoạt động liên tục như vậy,
áp suất trong đường ống luôn luôn giữ ổn định tránh tình trạng áp suất tăng quá cao
sẽ gây vỡ đường ống.

Hình 2.2 Biểu đồ minh họa hoạt động điều khiển bơm


7

2.3 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT ÁP SUẤT:
Sử dụng biến tần V&T điều khiển động cơ bơm, công suất tiêu thụ của động
cơ sẽ được biến tần điều chỉnh cho phù hợp với nhu cầu phụ tải. Động cơ thứ 2 sẽ
sử dụng chạy nền nếu sau này phụ tải phát triển lớn hơn. Một sensor áp suất được
đưa vào đầu ra nước cấp của Nhà máy để đo áp lực nước đưa về hệ thống điều
khiển.
Hệ thống điều khiển là 1 PLC S7-1200 (Siemens) đảm bảo cho việc tự động
hóa hồn tồn q trình bơm cấp nước của chung cư. Vận hành hệ thống thông qua
phần mềm “ Tia Portal ”.
Như vậy với viêc đưa biến tần vào hệ thống sẽ hoạt động bám sát theo đúng
thực tế lưu lượng phụ tải, do vậy sẽ giảm đáng kể năng lượng tiêu hao không cần
thiết vào các giờ phụ tải thấp điểm.
Hệ thống sẽ tự động giám sát áp suất nước trên đường ống và điều khiển
ngược lại để đảm bảo giữ đúng áp suất theo yêu cầu. PLC sẽ điều khiển áp suất
nước trên đường ống theo đồ thị phụ tải hàng ngày, tức là hệ thống sẽ điều khiển áp
suất theo thời gian thực. Hệ thống điều khiển tự động này thực hiện một số chức
năng chính sau:
⮚ Đo lường: do đầu đo áp suất đo lường và chuyển đổi để đưa về CPU của
S7-1200
⮚ Xử lý thông tin: bộ điều khiển trung tâm sẽ đảm nhiệm vấn đề xử lý các
thông tin được đưa vào

⮚ Điều khiển: S7-1200 sẽ phối hợp với biến tần qua các giao thức, làm việc
này theo yêu cầu
⮚ Giám sát: S7-1200 sẽ kết nối đầu đo áp suất để giám sát hệ thống hoạt động
⮚ Giao tiếp giữa người vận hành và thiết bị: sử dụng phần mềm giao diện
WinCC của Tia Portal.
Đồng thời để cho phép mở rộng và phát triển phụ tải sau này, hệ thống có thể
sử dụng cùng lúc hai bơm điều khiển luân phiên bằng biến tần nếu cần. Bơm thứ hai
sẽ được đóng chạy trực tiếp thông qua PLC giống với bơm thứ nhất xem như là một
bơm luân phiên và bơm phụ được đóng chạy trực tiếp bằng contactor sẽ chạy điều
chỉnh bù áp cho phù hợp với phụ tải.


8

CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG TRONG MƠ HÌNH
3.1 GIƠI THIỆU PLC:
3.1.1 Định nghĩa:
PLC là từ viết tắt của Programmable Logic Controller (Bộ điều khiển logic
khả trình), được dùng để thay thế chức năng của các bộ rơle, bộ đếm hay bộ định
thời trong các thiết bị điều khiển, đồng thời có thêm khả năng tính tốn cơ bản giúp
khả năng điều khiển dễ dàng được thực hiện.
Hiệp hội những nhà sản xuất điện quốc gia (NEMA) định nghĩa “PLC là thiết
bị điện tử định hướng kĩ thuật số, sử dụng bộ nhớ có thể lập trình được để thực hiện
những chức năng đặc biệt như logic, chuỗi, định thời, đếm và tính tốn thơng qua
các mơ-đun vào/ra số hoặc tương tự, có khả năng điều khiển các máy móc và các bộ
xử lí khác nhau”.
3.1.2 Lịch sử ra đời và phát triển của plc:
3.1.2.1 Lịch sử ra đời:
Khái niệm PLC là ý tưởng của nhóm kỹ sư hãng General Motors vào năm
1968, với ý tưởng ban đầu là thiết kế và chế tạo một thiết bị với các chỉ tiêu kỹ thuật

nhằm đáp ứng những yêu cầu điều khiển sau:
- Dễ lập trình và thay đổi chương trình điều khiển.
- Cấu trúc dạng mơ-đun dễ mở rộng, dễ bảo trì và sửa chữa.
- Đảm bảo độ tin cậy hơn bộ điều khiển rơle.
- Đầu ra phải có khả năng kết nối tới các máy tính bậc cao hơn.
- Có hiệu quả kinh tế hơn so với bộ điều khiển rơle.
- Điện áp đầu vào sử dụng nguồn 115 VAC.
- Điện áp đầu ra 115 VAC, 2A.
- Trang bị bộ nhớ có khả năng lập trình được.
- Có khả năng mở rộng mà khơng cần phải thay đổi toàn bộ hệ thống.
Năm 1970, bộ điều khiển logic khả trình đầu tiên đã ra đời, đáp ứng được các
thông số kỹ thuật cơ bản và mở ra sự phát triển cho một cơng nghệ điều khiển mới.
PLC có thể được coi là một tiến bộ mới với những chức năng giống như hệ
điều khiển sử dụng rơle, thiết bị tương tự, hay các bộ xử lý logic khác. Theo thời
gian, các chức năng của PLC ngày càng được cải thiện nhưng các tiêu chí thiết kế
cũng như chi tiết kỹ thuật vẫn dựa trên những ý tưởng ban đầu là dễ sử dụng và có
khả năng tái sử dụng.
Những tiến bộ về phần cứng:
- Dung lượng bộ nhớ lớn hơn.


9

- Số lượng ngõ vào/ra nhiều hơn.
- Nhiều loại mô-đun chuyên dụng hơn.
- Có khả năng điều khiển các ngõ vào/ra từ xa thông qua kỹ thuật truyền
thông.
- Phát triển và hoàn chỉnh hơn về tốc độ xử lý cũng như hiệu suất làm việc
bằng cách áp dụng những tiến bộ trong công nghệ điện tử và vi xử lý.
- Chi phí giá thành thấp.

- Giao diện điều khiển được cải thiện.
Về phần mềm cũng có sự phát triển cụ thể là:
- Lập trình hướng đối tượng đa ngơn ngữ dựa trên tiêu chuẩn IEC 1131-3.
Nhưng ngôn ngữ được sử dụng nhiều và hiệu quả nhất là ngôn ngữ bậc thang.
- Ngơn ngữ lập trình bậc cao như C hay Passcal đã được sử dụng để lập trình
cho các mơ-đun của PLC, giúp tạo sự linh hoạt hơn khi giao tiếp với các thiết bị
ngoại vi và thao tác dữ liệu.
- Các lệnh lập trình đơn giản nhờ có sự mở rộng của các khối chức năng. - Hệ
thống chuẩn đoán và phát hiện lỗi đã được mở rộng và đơn giản hóa, nhằm phát
hiện lỗi trong điều khiển bao gồm chuẩn đốn máy, tìm lỗi trong q trình điều
khiển.
- Từ các lệnh logic đơn giản thì ngày nay các bộ PLC được hỗ trợ thêm các
lệnh về tác vụ định thời, tác vụ đếm, sau đó làcác lệnh về xử lý toán học, xử lý bảng
dữ liệu, xử lý xung ở tốc độ cao, tính tốn số thực 32-bit, xử lý thời gian thực, đọc
mã vạch giúp PLC có khả năng thực hiện các yêu cầu phức tạp.
- Thao tác và xử lý dữ liệu được đơn giản hóa phù hợp với các yêu cầu điều
khiển phức tạp.
Ngày nay, PLC cung cấp khả năng dự đốn cao. Chúng có thể giao tiếp với
các hệ thống điều khiển khác, đưa ra các báo cáo sản xuất, lập kế hoạch sản xuất, và
dự đốn lỗi của hệ thống trong q trình hoạt động. Chính những tiến bộ đó đã góp
phần làm cho PLC ngày càng đóng một vai trị quan trọng trong việc đáp ứng nhu
cầu về chất lượng và năng suất công việc.


10

Bảng 3.1 Lịch sử ra đời và phát triển của PLC
Năm
1968
1969

1975
1980
1981
1992
1996
Ngày nay

Sự kiện
Ra đời khái niệm về bộ điều khiển logic khả trình - PLC
Giới thiệu bộ điều khiển logic khả trình PLC đầu tiên với bộ nhớ 1k và xử
lý được 128 điểm vào/ra
PLC với bộ điều khiển PID
Các module vào/ra thông minh
PLC nối mạng, 16-bit PLC, các màn hình CRT màu
Chuẩn IEC 61131 ra đời
PLC được thiết kế với các khe cắm để có thể mở rộng các mơ-đun vào/ra
Các PLC có thể kết nối với nhau tạo thành các hệ thống điều khiển phân
tán

3.1.2.2 Tiêu chuẩn của PLC:
a) Tiêu chuẩn IEC (Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế)
Ngày nay, nhiều người đã gặp những khó khăn nhất định với ngơn ngữ lập
trình và truyền thơng khi làm việc với PLC của các nhà sản xuất khác nhau. Để giải
quyết vấn đề, IEC đã thống nhất và đưa ra tiêu chuẩn quốc tế IEC 1131. Tiêu chuẩn
này bao gồm 5 phần.
Bảng 3.2 Tiêu chuẩn quốc tế IEC về PLC
Phần
1
2
3

4
5

Mô tả
Đặc điểm cơ bản của PLC và định nghĩa các thuật ngữ
Các chức năng cần thiết và các điều kiện thử nghiệm của các tính năng
Ngơn ngữ lập trình
Chú ý cho người sử dụng
Giao tiếp và mạng truyền thông

3.1.3 Giới thiệu PLC S7-1200:
3.1.3.1Giới thiệu chung:
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 nỗi trội:
S7-1200 là một dòng 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 S71200, bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn, các đầu
vào/ra (DI/DO).Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU
và chương trình điều khiển:
Tất cả các CPU đều cung cấp bảo vệ bằng password chống truy cập vào PLC
+
Tính năng “Know-how protection” để bảo vệ các block đặc biệt của
mình S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP.


11

Ngồi ra bạn có thể dùng các Module truyền thơng mở rộng kết nối bằng RS485
hoặc RS232.
Phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 hỗ trợ 3 ngơn ngữ lập trình là FBD,
LAD và SFC. Phần mềm này được tích hợp trong TIA Portal 14 của Siemems.

Vậy để làm một dự án với S7-1200 chỉ cần cài TIA Portal V14 phần mềm này
đã bao gồm cả mơi trường lập trình cho PLC và thiết kế giao diện HMI.
3.1.3.2 Cấu tạo PLC S7-1200:

Hình 3.1 Cấu tạo cơ bản của PLC Siemens
(1) Bộ phận kết nối nguồn.
(2) Các bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo được (phía sau
các nắp che) và khe cắm thẻ nhớ nằm dưới cửa phía trên.
(3) Các LED trạng thái dành cho I/O tích hợp.
(4) Bộ phận kết nối PROFINET (phía trên của CPU
Các kiểu CPU khác nhau cung cấp một sự đa dạng các tính năng và dung lượng
giúp cho người dùng tạo ra các giải pháp có hiệu quả cho nhiều ứng dụng khác
nhau.

Bảng 3.3 Các thành phần và chức năng của PLC
Chức năng
Kích thước vật lý (mm)
Bộ nhớ người dùng:
● Bộ nhớ làm việc
● Bộ nhớ nạp

CPU 1211C
CPU 1212C
90 x 100 x 75

CPU 1214C
110 x 100 x 75

● 25 kB

● 50 kB

● 1 MB

● 2 MB