HỆ THỐNG BƠM ĐIỀU ÁP ỔN ĐỊNH ÁP LỰC CHO PHÂN XƯỞNG SẢN XUẤT THỦY SẢN

Tudonghoa-online.com

Chương 1:
GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
“HỆ THỐNG BƠM ĐIỀU ÁP ỔN ĐỊNH ÁP LỰC CHO PHÂN XƯỞNG
SẢN XUẤT THỦY SẢN”
1.1.

Lý do chọn đề tài
Trên thế giới và ở Việt Nam hiện nay nhu cầu tiêu thụ năng lượng đang tăng dần

và đã có rất nhiều cảnh báo về tiết kiệm năng lượng. Các ngành công nghiệp nói
chung và ngành cấp thoát nước ngày nay vẫn sử dụng công nghệ truyền động không
thích hợp, điều khiển thụ động không linh hoạt. Điều này được kiểm trứng với các nhà
máy nước hay hệ thống cấp nước trong các xí nghiệp, phân xưởng đang hoạt động, ở
đó điều kiện làm việc khác xa so với thiết kế. Chúng ta đã biết trong các yếu tố cấu
thành giá nước thì chi phí điện bơm nước chiếm tỷ lệ rất lớn khoảng 30 – 35%.Trước
đây có tồn tại quan điểm cho rằng việc đầu tư vào tiết kiệm năng lượng là một công
việc tốn kém không mang lại hiệu quả thiết thực. Với công nghệ biến tần tính toán đã
chỉ ra rằng việc đầu tư vào hệ thống điều khiển tiết kiệm năng lượng cho trạm bơm
cấp II và ngay cả trạm bơm cấp nước cho một xí nghiệp hoạt động chủ yếu vào nước
cấp thì có thời gian hoàn vốn đầu tư hết sức ngắn và làm giảm chi phí cho công tác
quản lý vận hành thiết bị. Máy bơm là những ứng dụng rất thích hợp với truyền động
biến đổi tốc độ tiết kiệm năng lượng. Vì vậy trong phạm vi đồ án 2 chúng ta chỉ đề
cập đến việc sử dụng thiết bị biến tần kết hợp với PLC trong điều khiển tốc độ, điều
tiết áp suất và lượng nước cấp, tiết kiệm năng lượng cho các máy bơm nước, tiết kiệm
chi phí cho phân xưởng.
Trong các nước xuất khẩu thủy sản trên thế giới, Việt Nam được coi là một trong
những nước có tốc độ tăng trưởng thủy sản nhanh nhất. Hiện nay, hàng thủy sản Việt
Nam ngày càng chiếm vị trí cao trên thị trường quốc tế. Cả nước có khoảng 700 nhà
máy chế biến thủy sản quy mô công nghiệp. Mặt hàng thủy sản của Việt Nam cũng đã

và đang có mặt ở nhiều quốc gia và vùng lãnh thổ trên thế giới. Từ ý nghĩa thực tiễn
của ổn định áp suất và tiết kiệm năng lượng chúng ta nghĩ đến việc áp dụng chúng cho
các phân xưởng, nhà máy chế biến chế biến thủy sản, ở đây nhu cầu dùng nước là rất
lớn từ đó nâng cao năng suất lao động, tăng sản lượng sản phẩm xuất khẩu cho ngành.
SVTH : NGUYỄN VĂN HUYÊN & LÊ MINH HUY

1


Tudonghoa-online.com

Là một trong những người sinh ra gắn bó với ngư dân biển, và quyết tâm tìm cách
giảm chi phí sản xuất tiết kiệm được kinh tế cho nhà máy và phân xưởng, nhóm đã
quyết định chọn đề tài "Hệ thống bơm điều áp ổn định áp lực cho phân xưởng sản xuất
thủy sản " để nghiên cứu và thực hiện, với mong muốn có thể đi sát với công việc thực
tế khi ra trường. Hy vọng với những việc làm thiết thực sẽ đảm bảo sự phát triển bền
vững và hiệu quả của ngành này trong thời gian tới, góp phần tăng lợi thế cạnh tranh
và giảm nghèo cho ngư dân.
1.2.

Yêu cầu của đề tài
Do nhu cầu sử dụng nước cảu các hộ tiêu thụ nước (gia đình, cơ quan, nhà hàng,

khách sạn, ….) rất khác nhau trong thời điểm của ngày, (cao điểm và thấp điểm tùy
thuộc vào nhu cầu sử dụng nước của hộ tiêu thụ), và đặc biệt là cho những phân
xưởng, nhà máy sản xuất thủy sản mà đồ án này hướng tới, yêu cầu đặt ra là phải giải
quyết được việc tự động ổn định áp suất trên đường ống nước cấp và tiết kiệm năng
lượng cho hệ thống cấp nước.
Để đáp ứng được những yêu cầu về cấp nước với áp suất không đổi trong công
nghiệp, dân dụng, cũng như các hệ thống tưới tiêu tiết kiệm nước trong nông nghiệp

các dòng biến tần đã ra đời tích hợp công nghệ điều khiển tốc độ qua tần số, công
nghệ PLC và bộ điều khiển PID để có thể ứng dụng trong các hệ thống điều khiển
theo vòng kín. Việc ứng dụng biến tần vào trong các hệ thống cấp nước sẽ đem lại
nhiều lợi thế như có chi phí thấp, mức độ tự động hóa cao, đầy đủ chức năng bảo vệ,
dễ dàng vận hành và mang lại hiệu quả rõ ràng về tiết kiệm nước và năng lượng tiêu
thụ. Đây chính là hướng nhóm tập trung bào khai thác để giải quyết yêu cầu nêu trên.
1.3.

Những nghiên cứu đã thực hiện
Do còn nhiều hạn chế về kiến thức và thiết bị kiểm nghiệm thực tế nên một số nội

dung của đề tài tạm thời chưa được hoàn thiện, nhưng nhóm đã cố gắng để hoàn thành
một số ứng dụng quan trọng của đề tài. Hai thành viên trong nhóm sẽ làm đề tài này
thật tốt trong đố án chuyên ngành để có thể để lại một mô hình chất lượng cho các
khóa sau.

SVTH : NGUYỄN VĂN HUYÊN & LÊ MINH HUY

2


Tudonghoa-online.com

Các ngành công nghiệp nói chung và ngành cấp thoát nước ngày nay vẫn sử dụng
công nghệ truyền động không thích hợp, điều khiển thụ động không linh hoạt. Điều
khiển theo những phương pháp này không những không tiết kiệm được năng lượng
điện tiêu thụ mà con 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 thiết bị biến tần. Thiết bị biến tần là thiết bị

thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi tần số của dòng điện cung cấp cho động cơ. Hiện
nay thiết bị biến tần trên thế giới có nhiều nhà cung cấp như Danfoss, Siemens, ABB,
Ormon, Mitsubishi, Delta….không chỉ cung cấp thiết bị cho ngành cấp thoát nước mà
cho nhiều ngành công nghiệp khác. Nói tóm lại trong đề tài này nhóm đã nghiên cứu
tìm hiểu được các phương pháp ổn định áp lực và phương pháp sử dụng biến tần là
phương pháp tối ưu nhất hiện nay, một mặt tiết kiệm năng lượng một mặt giải quyết
được yêu cầu đề ra.
Ý nghĩa thực tế của đề tài

1.4.

Khi dùng biến tần kết hợp với PLC điều khiển bơm, nếu ta muốn giảm lưu lượng
xuống 80% so với định mức. Ta chỉ cần điều chỉnh biến tần để giảm tốc độ động cơ
xuống. Quan hệ giữa moment tải và tốc độ động cơ (với tải bơm) là :
𝑀 = 𝑛2
Công suất:
𝑃 = 𝑀. 𝑛
Vậy :
𝑃 = 𝑛3
Nếu ta giảm tốc độ xuống còn 80% (0.8) thì công suất chỉ cần bằng 0.5
Điều này cho ta thấy rằng bơm sẽ chỉ hoạt động với 50% công suất định mức là
có thể đạt được 80% lưu lượng - > tiết kiệm điện.
Từ đó dễ dàng nhận thấy, ở một số trường hợp mà công nghệ sản xuất đòi hỏi
phải điều chỉnh lưu lượng, áp suất ở động cơ máy bơm theo mức tải phù hợp với từng
thời điểm khác nhau thì việc thay đổi tốc độ động cơ dẫn động được xem là thích hợp
SVTH : NGUYỄN VĂN HUYÊN & LÊ MINH HUY

3

Tudonghoa-online.com

nhất, đặc biệt là tiết kiệm điện năng. Giải pháp sử dụng biến tần điều chỉnh tốc độ
bơm là sự lựa chọn duy nhất cho khả năng tiết kiệm điện rất cao so với động cơ làm
việc không đổi.
Trong thời điểm hiện tại kinh tế nước ta đang hết sức khó khăn, các doanh nghiệp
phải đương đầu với lãi suất ngân hàng, sức tiêu thụ giảm và đặc biệt là Tập Đoàn Điện
Lực Việt Nam liên tục thua lỗ và kiên quyết đòi tăng giá điện trong năm 2012 này. Do
vậy mà yêu cầu cấp thiết đặt ra bây giờ là Doanh Nghiệp và không đi đâu xa là các
nhà máy, phân xưởng sản xuất thủy sản phải tự tìm ra các biện pháp tiết kiệm tối đa
chi phí sản xuất mà vẫn đảm bảo tính cạnh tranh và chất lượng sản phẩm.
Nhu cầu sử dụng bơm cho các hệ thống cấp nước các Chung Cư, Nhà cao tầng,
nước sinh hoạt,Cấp nước phân xưởng nhà máy sản xuất thủy sản là rất lớn. Chi phí
đầu tư một bộ biến tiết kiệm điện quả là không nhỏ, nhưng với thực trạng hiện nay thì
có lẽ chúng ta cũng nên suy ngẫm lại những lợi ích trước khi quyết định đầu tư.
1.5.

Mô tả hoạt động của hệ thống
Hệ thống bơm nước cho nhà máy và phân xưởng sản xuất thủy sản không đòi hỏi

về vấn đề lưu lượng nhưng yêu cầu đặt ra là phải giải quyết được ổn định áp suất.
Lý do: Từ nhu cầu dùng nước của mỗi công nhân, mỗi tổ, lúc sản phẩm nhiều, lúc
sản phẩm ít và đặc biệt vào mùa thu hoạch hay mùa khan hiếm sản phẩm của nhà máy
hay phân xưởng sản xuất mà áp suất đường ống tăng cao hay giảm thấp, áp lực và lưu
lượng của đường ống thay đổi hàng giờ theo nhu cầu
Như vậy với việc đưa biến tần vào hệ thống sẽ hoạt động bám sát theo đúng thực
tế lưu lượng phụ tải, do vậy giảm đáng kể năng lượng tiêu hao không cần thiết vào các
giờ thấp điểm của phân xưởng. Sơ lược về hệ thống:
-PLC S7-200 : bộ điều khiển trung tâm, nó xử lý các tín hiệu thu thập về từ hệ
thống để điều khiển các động cơ. Các động cơ được điều khiển chạy thông qua biến

tần và các contactor.
-Biến tần : Điều khiển trơn tốc độ động cơ, với biến tần thì động cơ chạy với hiệu
suất rất cao ngay cả khi hoạt động ở tốc độ thấp. Biến tần sẽ làm cho hệ thống hoạt

SVTH : NGUYỄN VĂN HUYÊN & LÊ MINH HUY

4


Tudonghoa-online.com

động tiết kiệm năng lượng điện so với cách hoạt động cũ của trạm -> như mong muốn
của yêu cầu đồ án.
-Đầu đo áp suất : mục đích để đo áp suất mạng. Với tín hiệu đo được từ đầu đo áp
suất đưa về PLC xử lý điều khiển tốc độ bơm. Với đầu đo này PLC sẽ giám sát được
áp suất nước trên mạng.
Khi hệ thống bơm cấp nước hoạt động, trong đường ống gắn một cảm biến áp
suất để phát hiện sự thay đổi của áp suất trên đường ống (sự thay đổi là do nhu cầu
tiêu thụ nước thay đổi gây ra). Cảm biến đưa tín hiệu (dòng hoặc áp) thay đổi này về
PLC. Với việc hỗ trợ chức năng điều khiển PID, sau khi tính toán và so sánh với giá
trị áp suất đã đặt, PLC sẽ tự động thay đổi tín hiệu và gửi tín hiệu này cho biến tần
làm thay đổi tần số của động cơ bơm đồng thời dựa vào tín hiệu này để yêu cầu biến
tần điều khiển nhiều bơm điều áp ổn định áp lực. Vì thế việc khống chế áp lực trên
đường ống trở nên dễ dàng hơn rất nhiều.
Trong hệ thống gồm 2 bơm được phân công làm việc như sau: 12 tiếng đầu bơm 1
chạy bằng biến tần, bơm 2 chạy khi thiếu áp. 12 tiếng sau bơm 2 chạy bằng biến tần,
bơm 1 là bơm chạy khi thiếu áp. Trong thời gian bơm 1 chạy mà áp lực trên đường
ống xuống thấp dưới áp suất đặt tức là nhu cầu sử dụng nước của phân xưởng tăng cao
và lúc này cần áp lực trên đường ống cao thì PLC sẽ nhận tín hiệu báo về từ cảm biến
và tự động gửi tín hiệu cho biến tần điều khiển động cơ tăng dần tốc độ để duy trì áp

lực mục đích là đưa áp suất đạt tới điểm cài đặt, khi biến tần chạy với tần số tối đa
(tốc độ động cơ là max) mà áp suất vẫn còn thấp thì lúc này bơm 1 sẽ được ngắt ra
khỏi biến tần đồng thời đóng điện trực tiếp cho bơm 1 chạy, biến tần lúc này sẽ khởi
động và điều khiển tốc độ cho động cơ nối với bơm 2, tiếp tục tăng tốc nếu như áp lực
vẫn chưa đủ để duy trì áp lực đạt giá trị đã được cài đặt trước. Ngược lại khi nhu cầu
sử dụng nước thấp trở lại, cần áp lực thấp, PLC sẽ gửi tín hiệu để biến tần điều khiển
động cơ giảm tốc độ xuống hoặc dừng hẳn động cơ bơm 2, lúc này biến tần quay trở
lại điều khiển bơm 1, tăng hoặc giảm dựa vào nhu cầu sử dụng nước trong phân
xưởng. Trong thời gian bơm 2 hoạt động thì quá trình tương tự như bơm 1. Mục đích
phân thời gian hoạt động như trên để kéo dài tuổi thọ của hệ thống, động cơ và các kết
cấu cơ khí khác.
SVTH : NGUYỄN VĂN HUYÊN & LÊ MINH HUY

5


Tudonghoa-online.com

Với thiết kế hệ thông như trên, hệ thống sẽ tự động giám sát áp suất nước trên
đường ống mạng 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 mạng theo đồ thị phụ tải ngày, tức là
hệ thống sẽ điều khiển áp suất theo thời gian thực. Hệ thống điều khiển tự động này
một số chức năng chính sau:
-Đo lường : do đầu đo áp suất đo lường và chuyển đổi đưa về CPU của S7-200
-Xử lý thông tin : Bộ điều khiển trung tâm sẽ đảm nhiệm vấn đề này.
-Điều khiển : S7-200 sẽ phối hợp với biến tần làm việc này theo yêu cầu
-Giám sát : S7-200 sẽ kết đầu đo áp suất để giám sát hệ thống hoạt động
-Giao tiếp giữa người vận hành và thiết bị : do phần mềm WinCC thực hiện.
-Hệ thống có chuyển đổi qua lại giữa các motor bơm chạy với biến tần nhằm mục
đích nâng cao tuổi thọ bơm, phục vụ bảo trì bảo dưỡng mà không làm gián đoạn sản

xuất
-Đồng thời để cho phép mở rộng phụ tải và phát triển phụ tải sau này
Chúng ta sẽ gặp lại hệ thống trong chương 7 của đồ án, ở đó sẽ chúng ta sẽ hiểu
rõ hơn về hệ thống.

SVTH : NGUYỄN VĂN HUYÊN & LÊ MINH HUY

6


Tudonghoa-online.com

Chương 2:
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG
TỰ ĐỘNG ỔN ĐỊNH ÁP LỰC

Khái niệm về hệ thống tự động ổn định áp lực
a) Giới thiệu
Hệ thống tự động ổn định áp lực là hệ có chức năng tạo ra một áp lực và áp lực
đó luôn luôn phải giữ không đổi trong một giới hạn cho phép khi điều kiện đầu vào
hay phụ tải thay đổi cũng như các tác động của nhiễu từ bên ngoài.
Hệ thống tự động ổn định áp lực được sử dụng nhiều trong đời sống cũng như
trong sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, y tế; Nó đóng một vai trò quan trọng trong
việc nâng cao chất lượng sản phẩm, nâng cao năng suất lao động.
Hệ thống ổn định áp lực được chia làm hai hệ chính :
- Hệ thống tự động ổn định chất khí : Hệ thống ổn định áp lực khí ga vào buồng
đốt, ổn định áp suất khí ôxy, không khí vào lò hơi....
- Hệ thống tự động ổn định áp lực chất lỏng : Hệ thống tự động ổn định áp lực
trong các hệ thống thủy lực, hệ thống phân phối nước sạch trong mạng lưới cấp nước
sinh hoạt, xử lý nước thải, hệ thống máy nén khí, hệ thống cấp nước nhà cao tầng,

khách sạn, khu đô thị, siêu thị, khu công nghiệp, khu dân cư, các trạm cấp nước nông
thôn…
b) Các phương pháp sử dụng
Các trạm bơm nước phổ biến hiện nay đều được thiết kế theo phương pháp
truyền thống với những đặc điểm chính 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 (50Hz, 1450 v/p).
SVTH : NGUYỄN VĂN HUYÊN & LÊ MINH HUY

7


Tudonghoa-online.com

+ 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 (hoặc lưu lượng) trên đường ống chính được thực hiện
bằng 2 cách:
+ 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 hoặc nhiều bơm).
Nhưng với phương pháp truyền thống trên còn gặp nhiều hạn chế và nhược điểm
mà chúng ta sẽ xét kỹ ở mục dưới.
Để đáp ứng được yêu cầu về cấp nước với áp suất không đổi trong công nghiệp
cũng như dân dụng, thì ngày nay biến tần là một giải pháp tuyệt vời nhất đặc biệt để
ứng dụng trong các hệ thống cấp nước có yêu cầu tự động điều chỉnh áp suất ổn định.
Dưới đây chúng em sẽ giới thiệu những giải pháp đó

+ Chạy đa cấp tốc độ kết hợp biến tần với PLC điều khiển, ở đây dùng PLC đọc
tín hiệu analog từ cảm biến áp suất đưa về. Nếu áp suất thấp hơn áp suất đặt thì tăng
tốc độ motor lên thêm 1 cấp nữa. Nếu áp suất đo lớn hơn áp suất đặt thì giảm tốc độ
động cơ xuống 1 cấp. Còn nếu áp suất đo bằng với áp suất đặt thì giữ nguyên tốc độ
+ Sử dụng phương pháp điều khiển vòng kín PID: chúng ta sẽ dùng hàm PID
trong PLC, xuất ra tín hiệu analog đưa vào input của biến tần theo tín hiệu ngõ vào từ
cảm biến. Biến tần sẽ tự hoạt động theo tín hiệu PLC.
+ Đưa trực tiếp tín hiệu analog vào biến tần, dùng bộ PID trong biến tần để điều
khiển tốc độ động cơ từ đó duy trì áp suất. Phương pháp này đòi hỏi biến tần có tích
hợp bộ PID giá thành khá cao so với phương pháp 2.

SVTH : NGUYỄN VĂN HUYÊN & LÊ MINH HUY

8


Tudonghoa-online.com

Các phương pháp điều chỉnh và tự động ổn định áp lực
2.2.1. Phương pháp điều khiển và tự động ổn định áp lực bằng cách sử dụng hệ
thống nhiều bơm
a) Sơ đồ nguyên lý
U~

MCCB

PR

M1

B1

M2

M3

B2

M4

B3

B4

PS

Hình 2.1. Hệ thống ổn định áp lực sử dụng nhiều bơm
Trong đó:
- MCCB: Aptomat tổng
- M1, M2, M3… các contactor để đóng mở bơm
- B1, B2, B3… Các bơm nước
- PS : cảm biến áp suất
SVTH : NGUYỄN VĂN HUYÊN & LÊ MINH HUY

9


Tudonghoa-online.com

- PR: Bộ đo và điều khiển áp suất

b) Nguyên lý hoạt động
Hệ thống sử dụng nhiều bơm có cùng một công suất hoặc công suất khác nhau,
để điều khiển hoạt động của các bơm này nhờ bộ điều khiển áp suất.
Giả sử hệ thống đang làm việc mà áp lực giảm xuống một lượng P nào đó so
với giá trị mong muốn, cảm biến áp suất PS sẽ nhận biết và đưa tín hiệu về cho bộ
điều khiển áp suất PR, sau một thời gian chỉ định sẽ tác động đóng thêm bơm vào hệ
thống, nếu đóng thêm một bơm vẫn chưa đủ thì sẽ tiếp tục đóng thêm bơm tiếp theo
cho đến khi áp lực ổn định trong phạm vi nào đó thì giữa nguyên.
Nếu quá trình làm việc áp suất tăng lên do sử dụng ít thì bộ điều khiển sẽ cắt đi
một hay nhiều bơm để áp lực luôn ổn định trong giới hạn sai lệch nào đó.
c) Ưu nhược điểm
+ Ưu điểm : Đối với hệ thống này ta thấy rất đơn giản, dễ lắp đặt, dễ vận hành,
do nhiều bơm nên công tác sửa chữa khắc phục sự cố tương đối thuận tiện, giá thành
hạ
+ 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 sử 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 tắt mở bơm.
- Hệ thống này có độ sai lệch lớn, điều khiển có cấp, độ ổn định kém, nếu tải
thay đổi nhiều thì làm cho các contactor đóng cắt liên tục sẽ làm giảm tuổi thọ của
contactor cũng như động cơ
- Các bơm phải chạy liên tục dẫn đến giảm tuổi thọ phần cơ khí
- Do đóng cắt bằng contactor nên không có chế độ khởi động và dừng mềm nên
mỗi lần đóng cắt sẽ làm cho áp lực thay đổi đột ngột và nhất là khi dừng động cơ sẽ

SVTH : NGUYỄN VĂN HUYÊN & LÊ MINH HUY

10

Tudonghoa-online.com

dẫn đến áp lực từ đường ống xung trở về có thể làm hỏng van một chiều và làm gãy
cánh quạt cũng như các bộ phận cơ khí khác.
- Khi thay đổi hệ thống hoặc nhu cầu sử dụng nước tăng lên, chi phí đầu tư sẽ
tăng lên do phải tăng số lượng bơm, trong khi với biến tần, ta chỉ cần cài áp lực mong
muốn trên biến tần là đáp ứng được, với điều kiện đường ống chịu được áp lực này.

- Khó kiểm soát áp lực nước làm ảnh hưởng tuổi thọ đường ống, ảnh hưởng tuổi
thọ các mối nối. Hệ thống này có các chỉ tiêu điều chỉnh không cao, công nghệ đã bị
lạc hậu, nó dần dần bị thay thế bởi các hệ thống khác.
2.2.2. Phương pháp điều khiển và tự động ổn định áp lực bằng cách sử dụng van
tiết lưu
a) Sơ đồ nguyên lý

U~
MCCB

RP

B

PS

IP

Hình 2.2. Hệ thống ổn định áp lực sử dụng van tiết lưu

SVTH : NGUYỄN VĂN HUYÊN & LÊ MINH HUY

11


Tudonghoa-online.com

MCCB: Aptomat tổng
IP : van tiết lưu, để điều khiển lưu lượng
PS: Cảm biến áp suất
PR: Bộ điều khiển áp suất
B: Bơm nước
b) Nguyên lý hoạt động:
Trong sơ đồ ta sử dụng động cơ điện với tốc độ không đổi, tạo nên một áp lực
nhất định, van tiết lưu để điều khiển dòng chất lỏng chảy qua tùy thuộc vào phụ tải.
Giả sử nếu áp lực đầu ra của bơm giảm xuống thì cảm biến áp suất PS sẽ nhận
biết đưa tín hiệu về bộ điều khiển áp lực PR, bộ điều khiển sẽ đưa tín hiệu điều khiển
van tiết lưu mở rộng để tăng lưu lượng làm tăng áp lực đầu ra đến giá trị đặt. Nếu áp
lực đầu ra mà tăng lên thì quá trình sẽ ngược lại.
Như vậy hệ thống sẽ luôn luôn tự động ổn định áp lực đầu ra cho bơm mặc dù tải
thay đổi.
c) Ưu nhược điểm:
+ Ưu điểm : Hệ thống này có thể điều chỉnh vô cấp, độ ổn định cao, khả năng
đáp ứng nhanh, độ sai lệch rất nhỏ.
+ Nhược điểm :
- Hệ thống này chỉ có thể áp dụng cho những hệ thống bé vì bị giới hạn bởi công
suất của van tiết lưu.
- Vì động cơ bơm luôn luôn làm việc như vậy sẽ tiêu tốn năng lượng và nhất là
khi phụ tải giảm bớt thì van tiết lưu mở ít mà tốc độ động cơ không đổi nên sẽ xẩy ra
quá áp đầu vào van tiết lưu, rất nguy hiểm và động cơ làm việc ở chế độ quá tải, làm

tiêu tốn nhiều điện năng vô ích và làm giảm tuổi thọ của động cơ và các thiết bị khác.
- 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

SVTH : NGUYỄN VĂN HUYÊN & LÊ MINH HUY

12


Tudonghoa-online.com

- Khó kiểm soát áp lực nước làm ảnh hưởng tuổi thọ đường ống, ảnh hưởng tuổi
thọ các mối nối
2.2.3. Phương pháp điều khiển và tự động ổn định áp lực bằng thay đổi tốc độ
động cơ điện
a) Sơ đồ nguyên lý

U~
MCCB

UR

B

PR

PS

Hình 2.3. Sơ đồ khối của PP điều chỉnh tốc ĐC

MCCB: Aptomat tổng
UR: Bộ biến đổi
PS: Cảm biến áp suất
PR: Bộ điều khiển áp suất
SVTH : NGUYỄN VĂN HUYÊN & LÊ MINH HUY

13


Tudonghoa-online.com

B: Bơm nước
b) Nguyên lý hoạt động :
Trong hệ thống sử dụng bộ biến đổi UR để điều chỉnh tốc độ của bơm B và bộ
biến đổi UR lại được điều khiển bởi bộ điều chỉnh áp lực RP.
Giả sử áp lực đầu ra giảm do lưu lượng sử dụng chất lỏng tăng thì lúc này cảm
biến áp suất PS sẽ nhận biết đưa tín hiệu về cho bộ điều chỉnh áp lực, bộ điều chỉnh áp
lực sẽ đưa tín hiệu cho bộ biến đổi UR để tăng tốc độ cho động, tốc độ động cơ tăng
thì làm áp lực trên đường ống tăng lên bù lại giá trị đã bị giảm. Trường hợp áp lực đầu
ra tăng thì ngược lại.
Với việc sử dụng chức năng điều khiển PID của PLC, sensor áp suất được gắn
trên đường ống chính đưa tín hiệu về đầu vào analog của PLC. Còn biến tần sẽ nhận
tín hiệu analog (dòng hoặc áp) từ ngõ ra analog của PLC, biến tần sẽ thay đổi tần số
dựa trên tín hiệu nó nhận được từ PLC. Từ đó thay đổi tốc độ bơm và vì thế khống chế
được áp lực trên đường ống trở nên dễ dàng hơn rất nhiều.
Khi nhu cầu sử dụng nước cao, cần áp lực trên đường ống cao thì PLC điều
khiển biến tần điều khiển động cơ quay ở tốc độ cao nhất để duy trì áp lực, ngược lại
khi nhu cầu sử dụng nước thấp, cần áp lực thấp PLC sẽ điều khiển biến tần giảm tốc
độ động cơ xuống hoặc dừng hẳn. Khi đó năng lượng điện được tiết kiệm.
Kết luận hệ thống sẽ tự động điều chỉnh tốc độ động cơ sao cho áp lực đầu ra

luôn đạt một giá trị mong muốn.
Trong thực tế thì người ta sử dụng hai hệ thống chính đó là hệ thống truyền động
một chiều và hệ thống truyền động xoay chiều
1) Hệ thống truyền động một chiều:
Động cơ bơm ở đây sử dụng động cơ một chiều, bộ biến đổi UR thường dùng là
bộ biến đổi điện áp một chiều dùng Tyristor hoặc máy mát một chiều.
+ Ưu điểm của hệ thống truyền động một chiều là đặc tính điều chỉnh tốt như
điều chỉnh vô cấp, độ sai lệch bé nhưng

SVTH : NGUYỄN VĂN HUYÊN & LÊ MINH HUY

14


Tudonghoa-online.com

+ Nhược điểm: Vì sử dụng động cơ một chiều nên giá thành lớn, ngoài ra chi
phí vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa hàng năm lớn, khó chế tạo. Thực tế người ta đã
thay thế dần các hệ thống này
2) Hệ thống truyền động xoay chiều:
Động cơ bơm sử dụng động cơ xoay chiều ba pha: động cơ không đồng bộ, động
cơ đồng bộ… Bộ biến đổi UR là bộ biến đổi điện áp 3 pha hoặc bộ biến tần
+ Ưu điểm:
-Do sử dụng động cơ xoay chiều nên giá thành hạ, tuổi thọ cao, làm việc tin cậy.
Chi phí vận hành, sửa chữa và bảo dưỡng thấp
-Giảm dòng điện khởi động và chống sụt áp lưới điện khi khởi động trực tiếp
không ảnh hưởng tới các thiết bị khác.
-Tăng tuổi thọ của bơm và van do bơm luôn hoạt động với tốc độ thấp
-Ngăn ngừa xảy ra sự cố thủy tức (búa nước) lúc khởi động và dừng bơm
-Giảm tốc độ hoạt động tối đa và giảm tiếng ồn khi điều chỉnh được tốc độ bằng

cách điều chỉnh tần số trên biến tần
-Việc điều chỉnh áp lực trên đường ống hoàn toàn tự động, điều này sẽ tiết kiệm
chi phí nhân công vì không cần người vận hành
-Áp suất của toàn hệ thống không đổi với mọi lưu lượng (cảm biến áp suất trên
đường ống phản hôi thông số về cho PLC điều khiển biến tần).
-Với phương pháp điều khiển U/f, điều khiển vector, do đó tốc độ bơm có thể
thay đổi một cách linh hoạt
-Quá trình stop, start của bơm được êm hơn, tác dụng giảm tổn hại cho động cơ
về mặt cơ khí, cho hệ thống truyền động cũng như về mặt điện.
-Tiết kiệm năng lượng khi nhu cầu sử 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….

SVTH : NGUYỄN VĂN HUYÊN & LÊ MINH HUY

15


Tudonghoa-online.com

-Khởi động bơm từ từ với việc các đặt thời gian tăng tốc, tránh gây rung đường
ống và sự thay đổi áp suất đột ngột,…..tránh ảnh hưởng sâu cho hệ thống.
+ Nhược điểm: Để điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều gặp nhiều khó khăn,
các phương pháp cổ điển dẫn đến tổn thất năng lượng và hiệu quả không cao.
Ngày nay với sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã giải quyết được vấn đề điều
chỉnh tốc độ ĐC xoay chiều bằng cách thay đổi tần số. Biến tần ra đời là sự đột phá về
mặt công nghệ và giải pháp tiết kiệm năng lượng. Biến tần được sử dụng ngày càng
nhiều cho hệ thống cung cấp nước cho sinh hoạt, cao ốc và trong công nghiệp nhà
xưởng…Việc ứng dụng biến tần có thể điều chỉnh được áp lực nước và cài đặt áp lực
nước cho từng trường hợp ứng dụng. Trong điều kiện lưu lượng nước thay đổi liên

tục, chẳng hạn như nước sinh hoạt, ứng dụng lắp biến tần cho hệ thống bơm có thể tiết
kiệm năng lượng bằng cách thay đổi tốc độ bơm để điều chỉnh lưu lượng, chúng ta sẽ
nghiên cứu kỹ ở phần sau.

SVTH : NGUYỄN VĂN HUYÊN & LÊ MINH HUY

16


Tudonghoa-online.com

Chương 3:
CÁC CHỨC NĂNG NÂNG CAO TRONG PLC S7-200
SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI

3.1. Lệnh so sánh COMPARE
a) Compar Byte
Lệnh so sánh byte dùng để so sánh hai giá trị IN1 và
IN2 bao gồm IN1 = IN2, IN1 >= IN2, IN1 <= IN2,

L

IN1 < IN2, IN1 > IN2 hoặc IN1 <> IN2

A

Chú ý : so sánh byte là loại so sánh không dấu

D

Khi so sánh hai giá trị IN1 và IN2, kết quả so sánh
đúng thì ngõ ra tác động mức cao và ngược lại.
b) Compare Word
Lệnh so sánh integer dùng để so sánh hai giá trị IN1
và IN2 bao gồm IN1 = IN2, IN1 >= IN2, IN1 <=

L

IN2, IN1 < IN2, IN1 > IN2 hoặc IN1 <> IN2

A

Chú ý : so sánh integer là loại so sánh có dấu

D

Khi so sánh hai giá trị IN1 và IN2, kết quả so sánh
đúng thì ngõ ra tác động mức cao và ngược lại.
c) Compare Doubleword

SVTH : NGUYỄN VĂN HUYÊN & LÊ MINH HUY

17


Tudonghoa-online.com

Lệnh so sánh double word dùng để so sánh hai giá
trị IN1 và IN2 bao gồm IN1 = IN2, IN1 >= IN2, IN1

L

<= IN2, IN1 < IN2, IN1 > IN2 hoặc IN1 <> IN2

A

Chú ý : so sánh double word là loại so sánh có dấu

D

Khi so sánh hai giá trị IN1 và IN2, kết quả so sánh
đúng thì ngõ ra tác động mức cao và ngược lại.

d) Compare Real
Lệnh so sánh real dùng để so sánh hai giá trị IN1 và
IN2 bao gồm IN1 = IN2, IN1 >= IN2, IN1 <= IN2,

L

IN1 < IN2, IN1 > IN2 hoặc IN1 <> IN2

A

Chú ý : so sánh real là loại so sánh có dấu

D

Khi so sánh hai giá trị IN1 và IN2, kết quả so sánh
đúng thì ngõ ra tác động mức cao và ngược lại.
3.2. Các lệnh chuyển đổi

a) BCD thành INTEGER (BCD_I)

L
A
D

Lệnh BCD_I là lệnh chuyển đổi giá trị BCD ở chân
IN thành giá trị integer và đưa kết quả ra chân
OUT. Giá trị ở chân IN nằm trong khoảng 0 đến
9999 BCD

b) INTEGER thành BCD (I_BCD)

SVTH : NGUYỄN VĂN HUYÊN & LÊ MINH HUY

18


Tudonghoa-online.com

Lệnh I_BCD là lệnh chuyển đổi giá trị Integer ở

L

chân IN thành giá trị BCD và đưa kết quả ra chân

A

OUT. Giá trị ở chân IN nằm trong khoảng 0 đến

D

9999 Integer

c) ROUND
Lệnh ROUND là lệnh chuyển đổi giá trị số thực ở
chân IN thành giá trị double integer 32 bit và đưa
kết quả ra chân OUT. Nếu kết quả là số thập phân

L

0.5 hoặc lớn hơn thì giá trị kết quả sẽ làm tròn

A

Toán hạng :

D

IN : VD, ID, QD, MD, SMD, AC, LD…
OUT : VD, ID, QD, MD, SMD, AC…

d) TRUNCATE
Lệnh TRUNCATE là lệnh chuyển đổi giá trị 32 bit
ở chân IN thành giá trị integer 32bit có dấu và đưa
L
A
D

kết quả ra chân OUT. Chỉ có phần nguyên được

chuyển đổi còn phần sau dấu phẩy bị loại bỏ.
Toán hạng :
IN : VD, ID, QD, MD, SMD, AC, LD…REAL
OUT : VD, ID, QD, MD, SMD, AC……DINT

e) DOUBLEINTEGER thành INTERGER (DI_I)

SVTH : NGUYỄN VĂN HUYÊN & LÊ MINH HUY

19


Tudonghoa-online.com

Lệnh DI_I là lệnh chuyển đổi giá trị số double
integer 32 bit ở chân IN thành giá trị integer 16 bit
và đưa kết quả ra chân OUT. Nếu giá chỉ chuyển
L

đổi lớn hơn giá trị 16 bit thì cờ tràn sẽ được set và

A

ngõ ra sẽ không đúng

D

Toán hạng :
IN : VD, ID, QD, MD, SMD, AC, LD…DINT
OUT : VD, ID, QD, MD, SMD, AC……INT

f) INTEGER thành DOUBLEINTEGER (I_DI)
Lệnh I_DI là lệnh chuyển đổi giá trị số integer 16
bit ở chân IN thành giá trị double integer 32 bit và
L

đưa kết quả ra chân OUT

A

Toán hạng :

D

IN : VD, ID, QD, MD, SMD, AC, LD…INT
OUT : VD, ID, QD, MD, SMD, AC……DINT

g) INTEGER thành REAL
Để chuyển đổi số integer thành số thực, sử dụng lệnh I_DI rồi sau đó dùng lệnh DI_R
h) BYTE thành INTEGER

SVTH : NGUYỄN VĂN HUYÊN & LÊ MINH HUY

20


Tudonghoa-online.com

Lệnh B_I là lệnh chuyển đổi giá trị số byte ở chân
IN thành giá trị integer và đưa kết quả ra chân

L

OUT. Chú ý byte này là giá trị không có dấu

A

Toán hạng :

D

IN : VB, IB, QB, MB, SMB, AC, LB…BYTE
OUT : VW, IW, QW, MW, SMW, AC……INT

i) INTEGER thành BYTE
Lệnh I_B là lệnh chuyển đổi giá trị số integer
(word) ở chân IN thành giá trị byte và đưa kết quả
ra chân OUT. Các giá trị từ 0 đến 255 được chuyển
L

đổi còn các giá trị khác không được chuyển đổi vì

A

chúng sẽ bị tràn và ngõ ra sẽ xuất hiện tín hiệu lỗi.

D

Toán hạng :
IN : VB, IB, QB, MB, SMB, AC, LB…BYTE
OUT : VW, IW, QW, MW, SMW, AC……INT

j) DECODE
Lệnh này chuyển đổi giá trị byte ngõ vào chân IN thành giá trị bit ở ngõ ra OUT
tương ứng 16 bit
k) ENCODE
Lệnh này chuyển đổi giá trị byte ngõ vào chân IN thành giá trị bit ở ngõ ra OUT
tương ứng 16 bit
3.3. Chức năng thời gian thực RTC
Sử dụng lệnh truy suất thời gian READ_RTC

SVTH : NGUYỄN VĂN HUYÊN & LÊ MINH HUY

21


Tudonghoa-online.com

- Lệnh READ_RTC là lệnh đọc nội dung của đồng hồ thời gian thực vào bộ đếm 8
byte.
- Cấu trúc lệnh như sau:

- Đồng hồ thời gian thực chỉ có với CPU 214. Những giá trị đọc được với đồng hồ
thời gian thực là các giá trị về ngày, tháng, năm và các giá trị về giờ phút, giây.
Các giá trị này có độ dài một byte và phải được mã hóa theo kiểu số nhị thập phân
BCD. Chúng nằm trong bộ đếm gồm 8 byte liền nhau theo thứ tự.
Byte 0
Byte 1
Byte 2
Byte 3
Byte 4

Byte 5
Byte 6
Byte 7

Năm (0-99)
Tháng (0-12)
Ngày (0-31)
Giờ (0-23)
Phút (0-59)
Giây (0-59)
0
Ngày trong tuần

3.4. Ngắt trong PLC
a) Giới thiệu về ngắt trong S7-200
Ngắt là quá trình mà S7-200 dừng chương trình đang thực thi để thực hiện
chương trình ngắt khi được yêu cầu (có sự kiện gây ra ngắt xảy ra). Sau khi thực hiện
xong chương trình ngắt thì S7-200 sẽ quay về chương trình đang thực hiện trước khi
xảy ra ngắt để thực hiện tiếp.
Các chế độ ngắt và xử lý ngắt cho phép thực hiện các quá trình tốc độ cao, phản
ứng kịp thời với các sự kiện ở bên trong và bên ngoài.
Nguyên tắc cơ bản của một chế độ ngắt cũng giống như việc thực hiện lệnh gọi
một chương trình con, sự khác nhau ở đây là chương trình con được gọi chủ động
bằng lệnh CALL, còn chương trình xử lý ngắt được gọi bị động bằng một tín hiệu báo
ngắt. Khi có một tín hiệu báo ngắt, hệ thống sẽ tổ chức gọi và thực hiện chương trình
SVTH : NGUYỄN VĂN HUYÊN & LÊ MINH HUY

22

Tudonghoa-online.com

con tương ứng với tín hiệu ngắt đó, hay nói cách khác là hệ thống sẽ tổ chức xử lý tín
hiệu ngắt đó. Chương trình con này được gọi là chương trình xử lý ngắt
Do việc gọi chương trình xử lý ngắt bằng một tín hiệu báo ngắt mà thời điểm
xuất tín hiệu báo ngắt hoàn toàn bị động, bởi vậy hệ thống sẽ phải hỗ trợ thêm cho
công việc xử lý ngắt như: cất giữ nội dung ngăn xếp, nội dung thanh ghi AC và các bít
nhớ đặc biệt, tổ chức ưu tiên cho các tín hiệu báo ngắt trong trường hợp chúng chưa
kịp được xử lý.
Khi có tín hiệu báo ngắt, giá trị cũ của ngăn xếp được cất đi, đỉnh của ngăn xếp
nhận giá trị logic mới là 1 còn các bit khác của ngăn xếp nhận giá trị logic 0. Bởi vậy,
khi vào đầu một chương trình xử lý ngắt, lệnh có điều kiện sẽ trở thành lệnh không
điều kiện.
Ngoài ra, để có thể tiếp tục thực hiện được chương trình sau ngắt, không những
nội dung của ngăn xếp mà cả nội dung của các thanh ghi AC cùng với các bit nhớ
trạng thái đặc biệt SM của thanh ghi và của các phép tính cũng sẽ được hệ thống cất
giữ trước khi thực hiện chương trình xử lý ngắt và được nạp lại ngay sau khi kết thúc
chương trình xử lý ngắt.
Khi có nhiều yêu cầu ngắt xảy ra đồng thời thì các ngắt sẽ thực hiện theo thứ tự
ưu tiên từ ngắt có mức ưu tiên cao nhất đến ngắt có mức ưu tiên thấp nhất. Tùy thuộc
vào loại CPU mà số lượng ngắt cũng như sự kiện ngắt có khác nhau.

b) Thứ tự ưu tiên của các kiểu ngắt

SVTH : NGUYỄN VĂN HUYÊN & LÊ MINH HUY

23


Tudonghoa-online.com

Thứ tự ưu tiên của các kiểu ngắt khác nhau đĩa được cứng hóa từ trước theo
nguyên tắc tín hiệu báo ngắt nào có trước được xử lý trước. Trường hợp cùng một lúc
có nhiều tín hiệu báo ngắt xuất hiện, hoặc có nhiều tín hiệu báo ngắt xuất hiện nhưng
không được xử lý ngay vì hệ thống đang phải thực hiện một chương trình xử lý ngắt
khác, thì chúng sẽ được sắp xếp vào hàng đợi với trình tự ưu tiên như sau:
-nhóm ngắt truyền thông – độ ưu tiên cao nhất
-nhóm ngắt vào/ ra (kể cả HSC và các đầu ra truyền xung).
-nhóm các tín hiệu báo ngắt thời gian – độ ưu tiên thấp nhất.
Tại một thời điểm, nhiều nhất chỉ có một chương trình xử lý ngắt được thực hiện.
Khi đang thực hiện một chương trình xử lý ngắt thì tất cả các tín hiệu báo ngắt khác
phải chờ cho tới khi hoàn tất chương trình xử lý ngắt đang thực hiện. Chẳng hạn khi
đang xử lý một tín hiệu báo ngắt thời gian, thì ngay cả tín hiệu báo ngắt có thứ tự ưu
tiên cao hơn như ngắt truyền thông đều không xâm nhập được vào chương trình xử lý
ngắt thời gian.
Khi xuất hiện tín hiệu báo ngắt trong lúc đang thực hiện một chương trình xử lý
ngắt khác, thì các tín hiệu báo ngắt này được ghi nhớ lại để chờ tới lượt được xử lý
theo trình tự xếp hàng ưu tiên. Chiều dài tối đa của hàng ghi nhận tín hiệu báo ngắt
chờ xử lý là 28 đối với CPU224 và được phân chia cho từng nhóm ưu tiên sau.
Nhóm ưu tiên

CPU224

Ngắt truyền thông

4

Ngắt vào / ra

16

Ngắt thời gian

8

Riêng đối với tín hiệu báo ngắt truyền thông, mặc dù chưa được xử lý, nhưng ký
tự nhận được cùng bit kiểm tra chẵn lẻ cho ký tự đó vẫn được ghi nhớ lại theo đúng
thứ tự của tín hiệu báo ngắt.
Khi số tín hiệu báo ngắt phải chờ lớn hơn độ dài tối đa của hàng ghi nhận tín
hiệu báo ngắt thì bit báo tràn hàng sẽ có giá trị logic là 1. Tương ứng với ba nhóm ưu
SVTH : NGUYỄN VĂN HUYÊN & LÊ MINH HUY

24


Tudonghoa-online.com

tiên có ba bit báo tràn hàng, đó là các bit SM4.0, SM4.1, SM4.2 được phân chia như
sau:

Nhóm ưu tiên

Bit SM
(0 = không tràn, 1 = tràn)

Ngắt truyền thông

SM4.0

Ngắt vào / ra

SM4.1

Ngắt thời gian

SM4.2

c) Các lệnh sử dụng khi lập trình sử dụng ngắt
L

Lệnh khai báo toàn cục các chế độ ngắt hoặc

A

kích hoạt lại tất cả các chế độ ngắt đã bị hủy

D

trước đó bằng lệnh DISI

L

Lệnh hủy bỏ toàn cục các chế độ ngắt đã được

A

khai báo sử dụng trước đó. Lệnh này chỉ có tác
dụng làm treo các tín hiệu báo ngắt lên và

D

không xử lý chúng, nhưng vẫn cho phép chúng
được ghi vào hàng chờ xử lý.

L

Lệnh thoát khỏi chương trình ngắt (lệnh kết

A

thúc không điều kiện) và bao giờ cũng phải có

D

tại cuối chương trình xử lý ngắt.

SVTH : NGUYỄN VĂN HUYÊN & LÊ MINH HUY

25