Đồ án tốt nghiệp môn tự động hóa đại học giao thông vận tải tp hồ chí minh đề tài điều khiển bơm ổn địnhmức dùng plc và biến tần

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG 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: TS. LÊ QUANG ĐỨC
SVTH: VÕ TRUNG CAN
ĐẶNG XUÂN HỮU

0851050005
0851050025

TP. HỒ CHÍ MINH – 09/2012
SVTH: VÕ TRUNG CAN
ĐẶNG XUÂN HỮU

Page ii


NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SVTH: VÕ TRUNG CAN
ĐẶNG XUÂN HỮU

Page iii

BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SVTH: VÕ TRUNG CAN
ĐẶNG XUÂN HỮU

Page iv


BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SVTH: VÕ TRUNG CAN
ĐẶNG XUÂN HỮU

Page v


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 (cơ) bộ mơn 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 q 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 cơ Đồn 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 cịn giới
hạn nên khơng 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
SVTH: VÕ TRUNG CAN
ĐẶNG XUÂN HỮU

Page vi


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 tốn ổn định
mức nước trong bồn chứa cơng nghiệp qua đó vừa củng cố kiến thức vừa tìm hiểu, thiết
kế và thi cơng 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 thơng giữa PLC S7-200 và biến tần




qua đó có thể cài đặt, giám sát hoạt động của hệ thống.
Tính tốn, 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.

SVTH: VÕ TRUNG CAN
ĐẶNG XUÂN HỮU

Page vii


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
TĨM TẮT....................................................................................................................... vii
MỤC LỤC....................................................................................................................... viii
DANH SÁCH HÌNH VẼ...................................................................................................x
DANH SÁCH BẢNG BIỂU...........................................................................................xiii
DANH SÁCH CÔNG THỨC..........................................................................................xiv
DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT..........................................................................................xv
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI..................................................1
Hình 2.1: Bồn kín sử dụng trong cơng nghiệp.................................................................8
Hình 2.3: Bồn nước sử dụng trong đồ án.......................................................................10
CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG...............................................18
Hình 3.2 Điểm làm việc của bơm dùng van tiết lưu.......................................................21
CHƯƠNG 4: GIAO THỨC USS.....................................................................................23
Hình 4.2 Cấu tạo khối dữ liệu.........................................................................................25
Bảng 4.1 Ý nghĩa của tham số AK..................................................................................26
Bảng 4.2 Ý nghĩa tham số AK trong bức điện trả lời.....................................................27
Bảng 4.3 Mở rộng thông số.............................................................................................28
Bảng 4.5 Giá trị tham số STW........................................................................................29
Bảng 4.6 Giá trị tham số ZSW........................................................................................30
Hình 4.10: Cấu trúc lệnh USS_WPM_x.........................................................................38
Hình 4.11: Sử dụng lệnh USS_WPM_R thay đổi giá trị Kp trong điều khiển PI.........39
Bảng 5.1: Thông số Reset giá trị mặc định.....................................................................40
SVTH: VÕ TRUNG CAN
ĐẶNG XUÂN HỮU

Page viii

Bảng 5.2: Cài đặt nhanh thông số động cơ....................................................................40
Bảng 5.3: Nhập thông số biến tần và bảo vệ quá tải động cơ........................................41
Bảng 5.4: Cài đặt bảo vệ biến tần và động cơ.................................................................42
Bảng 5.5: Cài đặt chức năng khởi động bám.................................................................42
Bảng 5.6: Cài đặt chức năng tự khởi động lại................................................................43
Bảng 5.7: Tối ưu đặc tính tăng, giảm tốc.......................................................................43
Bảng 5.8: Chức năng giám sát Moment trong MM430.................................................44
Bảng 5.9: Cài đặt đầu vào tương tự ADC.......................................................................45
Bảng 5.11: Giá trị đặt PI-MOP và giá trị mức nước thực tế..........................................46
Bảng 5.12: Cài đặt giao thức USS..................................................................................47
CHƯƠNG 6: PHÁT HIỆN VÀ KHẮC PHỤC SỰ CỐ...................................................48
Bảng 6.1: Cài đặt chức năng tự khởi động lại................................................................49
Bảng 6.2: Cài đặt chức năng khởi động bám.................................................................49
Bảng 6.3: Chức năng giám sát Moment trong MM430.................................................50
Bảng 6.4: Cài đặt đầu vào tương tự ADC.......................................................................51
Bảng 8.1 Bảng chọn tiết diện dây dẫn............................................................................59
Hình 8.2 Bản vẽ thiết kế cơ khí hệ thống........................................................................61
CHƯƠNG 9: THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA CHO HỆ THỐNG..............................64
Hình 9.11: Màn hình điều khiển trung tâm...................................................................75
Hình 9.22: Mạng LAN gồm 4 máy tính..........................................................................89
Hình 9.24: Kiểu mạng LAN đấu RING..........................................................................90
Hình 9.25: Kiểu mạng LAN đấu sao...............................................................................91
PHỤ LỤC......................................................................................................................100

SVTH: VÕ TRUNG CAN
ĐẶNG XUÂN HỮU

Page ix

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1: hệ thống bơm nước cho chung cư cao tầng Error: Reference source not found
Hình 2.1: Bồn kín sử dụng trong cơng nghiệp............Error: Reference source not found
Hình 2.2: Bồn hở sử dụng trong cơng nghiệp.............Error: Reference source not found
Hình 2.3: Bồn nước sử dụng trong đồ án....................Error: Reference source not found
Hình 2.4: Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu tỉ lệ (P)....Error: Reference source not
found
Hình 2.5: Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PD) với P = 1.......Error:
Reference source not found
Hình 2.6: Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PI) với P = 1........Error:
Reference source not found
Hình 2.7: Sơ đồ điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID.......Error: Reference source not
found
Hình 3.1 Họ đường cong đặc tính bơm........................Error: Reference source not found
Hình 3.2 Điểm làm việc của bơm dùng van tiết lưu.....Error: Reference source not found
Hình 3.3 Cơng suất tổn hao với hệ thống dùng van tiết lưu.Error: Reference source not
found
Hình3.4 Điểm làm việc của bơm dùng biến tần...........Error: Reference source not found
Hình 4.1 Cấu trúc tổng thể bức điện............................Error: Reference source not found
Hình 4.2 Cấu tạo khối dữ liệu...................................... Error: Reference source not found
Hình 4.3 Cấu trúc PKE................................................. Error: Reference source not found
Hình 4.4: Cấu trúc lệnh USS_INIT.............................Error: Reference source not found
Hình 4.5: Sử dụng lệnh USS_INT trong đề tài...........Error: Reference source not found
Hình 4.6: Cấu trúc lệnh USS_CTRL...........................Error: Reference source not found
Hình 4.7: Sử dụng lệnh USS_CTRL trong đề tài........Error: Reference source not found
Hình 4.8: Cấu trúc lệnh USS_RPM_x.........................Error: Reference source not found
SVTH: VÕ TRUNG CAN

ĐẶNG XUÂN HỮU

Page x


Hình 4.9: Sử dụng lệnh USS_RPM_R đọc giá trị dịng điện động cơ. .Error: Reference
source not found
Hình 4.10: Cấu trúc lệnh USS_WPM_x.....................Error: Reference source not found
Hình 4.11: Sử dụng lệnh USS_WPM_R thay đổi giá trị Kp trong điều khiển PI. .Error:
Reference source not found
Hình 7.1: Sơ đổ tổng quát hệ thống.............................Error: Reference source not found
Hình 8.2 Bản vẽ thiết kế cơ khí hệ thống.....................Error: Reference source not found
Hình 8.3 Bản vẽ hệ thống điện..................................... Error: Reference source not found
Hình 8.4: Mơ hình hệ thống sau khi hồn thành........Error: Reference source not found
Hình 9.1: Tạo một chương trình WinCC.....................Error: Reference source not found
Hình 9.2: Màn hình làm việc của WinCC....................Error: Reference source not found
Hình 9.3: Màn hình cài đặt thuộc tính Runtime.........Error: Reference source not found
Hình 9.4: Giao diện chương trình PC Access..............Error: Reference source not found
Hình 9.5: Add tag vào WinCC...................................... Error: Reference source not found
Hình 9.6: Một màn hình thiết kế Graphics Designer. .Error: Reference source not found
Hình 9.7: Màn hình Tag Longging.............................. Error: Reference source not found
Hình 9.8: Màn hình Alarm Longging..........................Error: Reference source not found
Hình 9.9: Màn hình tạo Report Alarm.........................Error: Reference source not found
Hình 9.10: Màn hình User Administrator....................Error: Reference source not found
Hình 9.11: Màn hình điều khiển trung tâm.................Error: Reference source not found
Hình 9.13: Giao diện đọc ghi thông số biến tần..........Error: Reference source not found
Hình 9.14: Giao diện Alarm......................................... Error: Reference source not found
Hình 9.15: File ACCESS được xuất ra và lưu trữ.......Error: Reference source not found
Hình 9.16: Đồ thị dịng điện động cơ...........................Error: Reference source not found
Hình 9.17: Đồ thị điện áp động cơ...............................Error: Reference source not found

Hình 9.19: Đồ thị tần số động cơ.................................Error: Reference source not found
Hình 9.20: Đồ thị điện năng tiêu thụ...........................Error: Reference source not found
Hình 9.21: Đồ thị mức nước......................................... Error: Reference source not found
Hình 9.22: Mạng LAN gồm 4 máy tính........................Error: Reference source not found
SVTH: VÕ TRUNG CAN
ĐẶNG XUÂN HỮU

Page xi


Hình 9.23: Kiểu mạng LAN đấu BUS..........................Error: Reference source not found
Hình 9.24: Kiểu mạng LAN đấu RING........................Error: Reference source not found
Hình 9.25: Kiểu mạng LAN đấu sao............................Error: Reference source not found
Hình 9.26: Khởi tạo kết nối ở máy chủ........................Error: Reference source not found
Hình 9.27: Điều khiển, giám sát từ máy khách qua mạng LAN Error: Reference source
not found
Hình 9.28: Giao diện SCADA trên máy khách............Error: Reference source not found

SVTH: VÕ TRUNG CAN
ĐẶNG XUÂN HỮU

Page xii


DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 4.1 Ý nghĩa của tham số AK................................ Error: Reference source not found
Bảng 4.2 Ý nghĩa tham số AK trong bức điện trả lời...Error: Reference source not found
Bảng 4.3 Mở rộng thông số.......................................... Error: Reference source not found
Bảng 4.5 Giá trị tham số STW...................................... Error: Reference source not found
Bảng 4.6 Giá trị tham số ZSW...................................... Error: Reference source not found

Bảng 5.1: Thông số Reset giá trị mặc định..................Error: Reference source not found
Bảng 5.2: Cài đặt nhanh thông số động cơ.................Error: Reference source not found
Bảng 5.3: Nhập thông số biến tần và bảo vệ quá tải động cơError: Reference source not
found
Bảng 5.4: Cài đặt bảo vệ biến tần và động cơ..............Error: Reference source not found
Bảng 5.5: Cài đặt chức năng khởi động bám...............Error: Reference source not found
Bảng 5.6: Cài đặt chức năng tự khởi động lại............Error: Reference source not found
Bảng 5.7: Tối ưu đặc tính tăng, giảm tốc....................Error: Reference source not found
Bảng 5.8: Chức năng giám sát Moment trong MM430........Error: Reference source not
found
Bảng 5.9: Cài đặt đầu vào tương tự ADC....................Error: Reference source not found
Bảng 5.11: Giá trị đặt PI-MOP và giá trị mức nước thực tế Error: Reference source not
found
Bảng 5.12: Cài đặt giao thức USS................................ Error: Reference source not found
Bảng 6.1: Cài đặt chức năng tự khởi động lại............Error: Reference source not found
Bảng 6.2: Cài đặt chức năng khởi động bám...............Error: Reference source not found
Bảng 6.3: Chức năng giám sát Moment trong MM430........Error: Reference source not
found
Bảng 6.4: Cài đặt đầu vào tương tự ADC....................Error: Reference source not found
Bảng 8.1 Bảng chọn tiết diện dây dẫn.......................... Error: Reference source not found

SVTH: VÕ TRUNG CAN
ĐẶNG XUÂN HỮU

Page xiii


DANH SÁCH CÔNG THỨC
trang
1.1: Tốc độ động cơ 3 pha không đồng bộ.......................................................................4

2.1: Quan hệ mức nước 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 cơng suất bơm.......................................................................................23
5.1: Công thức nội suy 2 điểm........................................................................................50

SVTH: VÕ TRUNG CAN
ĐẶNG XUÂN HỮU

Page xiv


DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT

SVTH: VÕ TRUNG CAN
ĐẶNG XUÂN HỮU

Page xv


CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1.

Đặt vấn đề

Tự động hóa q trình cơng 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 cơng 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 cơng 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
q trình sản xuất các chất lỏng khơng 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 địi 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

SVTH: VÕ TRUNG CAN
ĐẶNG XUÂN HỮU

Page 1


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 tượng
1.2.1. Ứng dụng
Hệ thống bơm ổn định mức được sử dụng rộng rãi trong ngành cơng nghiệp nói chung
và ngành cơng 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.

Hình 1.1: hệ thống bơm nước cho chung cư cao tầng
1.2.2. Giải pháp công nghệ đang được sử dụng
SVTH: VÕ TRUNG CAN
ĐẶNG XUÂN HỮU

Page 2

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 q trình trạm bơm hoạt động, thường ln ln để một bơm ở chế độ dừng

-

(mang tính dự phịng).
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.
-

Ưu điểm: Kiểu điều khiển ON/OFF dễ thiết kế, dễ điều khiển, giá thành thấp, phù

-

hợp với chế độ Stand by.
Nhược điểm: hệ thống không ổn định, đáp ứng chậm và không tốt, mức nước liên
tục giao động xung quanh điểm đặt, dịng 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.
-

Ưu điểm: Giá thành thấp, dễ thiết kế.

SVTH: VÕ TRUNG CAN
ĐẶNG XUÂN HỮU

Page 3


-

Nhược 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% cơng suất là đã đáp ứng được. Việc vận hành khó khăn và
tốn chi phí nhân cơng vì phải cần cơng 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 sốt 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 cơng 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
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 thơng số như cơng thức sau:

n=

60 f
p

(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
SVTH: VÕ TRUNG CAN
ĐẶNG XUÂN HỮU

Page 4


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.
•

Ưu 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 cơng vì khơng 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
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 thơng 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).
SVTH: VÕ TRUNG CAN
ĐẶNG XUÂN HỮU

Page 5


-

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 tồn bộ các chức năng của biến tần thơng qua
mạng này, ngồi ra cịn có thể giám sát được dịng 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.
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 tốn 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.

SVTH: VÕ TRUNG CAN
ĐẶNG XUÂN HỮU

Page 6


-

Lập báo cáo (report) hàng tuần, hàng tháng vận hành của hệ thống.
Lưu trữ dữ liệu vận hành.

SVTH: VÕ TRUNG CAN
ĐẶNG XUÂN HỮU

Page 7


CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN LÍ THUYẾT

2.1. Nhiệm vụ đề tài
2.1.1. Giới thiệu chung về bồn nước
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 ngồi. 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 cơng nghiệp sản xuất điện năng.
 Trong nồi hơi cơng nghiệp…

Hình 2.1: Bồn kín sử dụng trong công nghiệp

SVTH: VÕ TRUNG CAN
ĐẶNG XUÂN HỮU

Page 8


-

Bồn hở:
 Sử dụng trong sinh hoạt hàng ngày.
 Cung cấp nước cho các quá trình sản xuất.
 Dùng trong cơng nghiệp dầu khí.
 Dùng trong cơng nghiệp sản xuất như giấy, xi măng….

Hình 2.2: Bồn hở sử dụng trong cơng nghiệp.
2.1.2. Bồn nước sử dụng trong đề tài
Vì là bước đầu làm quen với đối tượng bơm ổn định mức nên nhóm lựa chọn loại bồn
hở có dung tích nhỏ, kích thước nhỏ, độ vọt lố và sai số khi ổn định là tương đối lớn
Hệ thống bồn nước được sử dụng trong đồ án gồm 2 bồn:
-

Bồn dưới có kích thước: dài 1.1m, rộng 90cm, cao 50cm, dung tích tối đa có thể

-

chứa là gần 0.45 . Được sử dụng để cung cấp nước cho máy bơm.
Bồn trên có kích thước: dài 50cm, rộng 50cm, cao 1m, dung tích tối đa có thể chứa
là 0.25

. Được sử dụng để chứa nước cung cấp cho sản xuất, sử dụng. Yêu cầu

ổn định mức.

SVTH: VÕ TRUNG CAN
ĐẶNG XUÂN HỮU

Page 9


Hình 2.3: Bồn nước sử dụng trong đồ án
2.2. Động cơ không đồng bộ ba pha
2.2.1. Cấu tạo
Cấu tạo của máy điện không đồng bộ bao gồm hai bộ phận chính là stator và roto
-

Stator: có hai phần chính là lõi thép và dây quấn.
 Lõi thép stator hình trụ gồm nhiều lá thép kỹ thuật điện ghép lại. Mặt trong
có những rãnh để chứa bộ dây quấn pha.
 Dây quấn stator làm bằng các dây dẫn bọc cách điện, đặt trong các rãnh
được phân bố đều dọc theo chu vi của lõi thép. Dây quấn stator nhận điện

từ một nguồn 3 pha để tạo ra một từ trường quay. Tốc độ quay của từ
trường này phụ thuộc tần số nguồn điện và số cực của bộ dây quấn.

SVTH: VÕ TRUNG CAN
ĐẶNG XUÂN HỮU

Page 10


-

Roto: cũng có hai phần chính là lõi thép và dây quấn.
 Lõi thép roto hình trụ gồm nhiều lá thép kỹ thuật điện ghép lại. Mặt ngồi
có những rãnh để chứa dây quấn.
Có hai loại: lồng sóc và dây quấn.
o Lồng sóc: gồm các thanh đồng hoặc nhơm đặt trong rãnh, và bị ngắn
mạch bởi hai vành ngắn mạch ở hai đầu. Với động cơ nhỏ, roto được
đúc nguyên khối, gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt và
quạt.Với động cơ lớn, các thanh bằng đồng được đặt vào các rãnh roto và
siết chặt vào vành ngắn mạch. Nhờ khơng có vành trượt và chổi than
nên rất bền, chắc, ít cần bảo trì. Các thanh dẫn thường nghiêng so với trục
(ta có cảm tưởng như roto bị vặn xoắn); vì các lý do:
 Làm cho momen quay khơng bị dao động và máy ít ồn khi
làm việc.

Tránh được vị trí ở đó răng roto song song và

đối diện với răng stator, tức là vị trí từ trở cực tiểu và roto
sẽ bị “khóa" ở đó .
 Tăng chiều dài tác dụng của thanh dẫn.

o Dây quấn: là dây quấn 3 pha có cùng số cực như dây quấn stator,
dây quấn roto ln ln đấu Y và có 3 đầu ra đấu vào 3 vành trượt
này để dẫn điện ra một biến trở 3 pha đấu Y nằm ngoài động cơ,
2.2.2.
-

dùng để khởi động hoặc điều chỉnh tốc độ.
Nguyên lí hoạt động
Nhận điện năng từ lưới điện và biến thành cơ năng chuyển ra tái.
Có tốc độ quay nhỏ hơn tốc độ từ trường, quay cùng chiều với từ trường.
Dịng điện 3 pha có thể tạo ra từ trường quay rất mạnh.
Khi cho dòng điện 3 pha chạy vào 3 cuộc dây Stator đặt cách nhau 120 0 .
Trên vịng trịn thì trong Stator xuất hiện từ trường quay Fs . Từ trường Fs sinh ra

trong cuộn dây Stator cũng dao động điều hòa như dòng điện 3 pha đầu vào, từ trường
này móc vịng qua rotor và cảm ứng trên rotor một điện áp cảm ứng. Rotor ngắn mạch sẽ
có dịng điện chạy trong rotor.
SVTH: VÕ TRUNG CAN
ĐẶNG XUÂN HỮU

Page 11