ĐỒ ÁN MÔN ĐIỀU KHIỂN LOGIC: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO CÔNG NGHỆ CẤP NƯỚC TRÊN ĐƯỜNG ỐNG CÓ ĐIỀU KHIỂN THEO ÁP SUẤT

Đồ Án Điều Khiển Logic

GVHD: Nguyễn Đăng Khang

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam

KHOA ĐIỆN

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

ĐỒ ÁN MÔN
MÔN: ĐIỀU KHIỂN LOGIC
ĐỀ TÀI 15 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO CÔNG NGHỆ CẤP
NƯỚC TRÊN ĐƯỜNG ỐNG CÓ ĐIỀU KHIỂN THEO ÁP SUẤT
Nhóm

: 45

Sinh viên thực hiện

: Phạm Ngọc Thiện
Hồ Ngọc Thế

Giảng viên hướng dẫn
Lớp

: Nguyễn Đăng Khang
: TĐH3-K6

HÀ NỘI-2015
Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Trang 1


Đồ Án Điều Khiển Logic

GVHD: Nguyễn Đăng Khang

MỤC LỤC
Nội dung
Nội dung...........................................................................................................2
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ...........................5
1.1.Đặt vấn đề................................................................................................5
1.2. Lý do chọn đề tài.....................................................................................5
1.3. Mục tiêu của đề tài..................................................................................6
1.4. Giới hạn nghiên cứu của đề tài................................................................6
1.5. Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài.....................................................6
4.2 Sơ đồ đấu dây.........................................................................................12
4.5. Cài đặt thông số cho biến tần................................................................23
3.1.Sơ đồ tổng quan......................................................................................25
3.2.Tổng quan về các thiết bị.......................................................................26
3.2.1.PLC S7-200......................................................................................26
3.2.2.Giới thiệu về module EM235...........................................................30
3.2.3.Biến tần MM440..............................................................................33
a.Tổng quan về biến tần............................................................................33
2.2.4.Cáp kết nối RS485...........................................................................36
3.2.5.Cảm biến áp suất..............................................................................38
2.2.6.Động cơ không đồng bộ 3 pha.........................................................39

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Trang 2


Đồ Án Điều Khiển Logic

GVHD: Nguyễn Đăng Khang

Kết luận nội dung đề tài...............................................................................44
Các hạn chế..................................................................................................44
Biện pháp khắc phục....................................................................................44

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Trang 3


Đồ Án Điều Khiển Logic

GVHD: Nguyễn Đăng Khang
LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, con người cùng với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật
tiên tiến của thế giới, chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và
hiện đại hơn.
Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với
các đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ…là những
yếu tố rất cần thiết góp phần cho hoạt động của con người đạt hiệu quả ngày
càng cao hơn.

Tự động hóa đang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ. Tự động
hóa đã đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng của các ngành. Một trong
những sản phẩm tiên tiến của nó là biến tần.Ứng dụng rất quan trọng của
ngành công nghệ tự động hóa là việc điều khiển tốc độ động cơ bằng việc
thay đổi tần số với độ chính xác rất cao, với những thiết bị điều khiển từ xa
rất tinh vi và đạt được năng suất, kinh tế thật cao .
Xuất phát từ những ứng dụng đó, chúng em xin phép được thiết kế một
mạch ứng dụng của biến tần đó là “xây dựng công nghệ cung cấp nước
điều khiển theo áp suất trên đường ống” dùng PLC điều khiển biến tần.
Đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo
trong khoa điện đặc biệt là giảng viên Nguyễn Đăng Khang- giảng viên khoa
điện trường ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI người đã trực tiếp giảng
dạy và cho em kiến thức để hoàn thành đồ án môn học này. Em kính mong
thầy giáo góp ý để em hoàn thành bài tập lớn này được tốt hơn sau này.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo!
Sinh viên thực hiện
Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Trang 4


Đồ Án Điều Khiển Logic

GVHD: Nguyễn Đăng Khang

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ
1.1.Đặt vấn đề
Sự phát triển của PLC đã đem lại nhiều thuận lợi và làm cho các thao
tác máy trở nên nhanh, nhạy, dễ dàng và tin cậy hơn. Nó có khả năng thay
thế hoàn toàn cho các phương pháp điều khiển truyền thống dùng relay; khả

năng điều khiển thiết bị dễ dàng và linh hoạt dựa trên việc lập trình trên các
lệnh logic cơ bản; giải quyết các vấn đề toán học và công nghệ;
Biến tần (Inverter, Variable Speed Drive – VSD) là thiết bị dùng để
điều khiển tốc độ động cơ dựa trên sự thay đổi tần số làm việc. Trên thế
giới hiện nay, biến tần được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp. Ngoài ý
nghĩa về mặt điều khiển, nó còn có nhiều chức năng khác như khởi động
mềm, hãm, đảo chiều, điều khiển thông minh… Trong đa số trường hợp,
việc sử dụng biến tần còn mang lại hiệu quả kinh tế (tiết kiệm điện năng
tiêu thụ). Biến tần được ứng dụng nhiều cho các động cơ có yêu cầu về thay
đổi tốc độ như: bơm, quạt, băng tải, thang máy…
1.2. Lý do chọn đề tài
Các trạm bơm cung cấp nước với công suất lớn thường được sử dụng
trong khu công nghiệp, khu dân cư, các chung cư, khác sạn và tòa nhà cao
tầng, hệ thống phân phối nước sạch trong mạng lưới cấp nước sinh hoạt,
các trạm cấp nước nông thông… Các trạm bơm nước phổ biến hiện nay
đều được thiết kế theo phương pháp truyền thống với đặc điểm là các bơm
được khởi động trực tiếp sao/ tam giác và tất cả các động cơ đều hoạt động ở
tốc độ định mức. Phương pháp này có nhược điểm chính là tổn hao điện
năng lớn và khó kiểm soát được áp suất trong đường ống nước.

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Trang 5


Đồ Án Điều Khiển Logic

GVHD: Nguyễn Đăng Khang

Trên cơ sở những kiến thức được trang bị trên ghế nhà trường, dựa

vào những tính năng ưu việt của PLC và biến tần. Em xin được lựa chọn đề
tài “Điều khiển và giám sát hệ thống bơm ổn định áp suất” với những
chức năng cơ bản giống với một hệ thống biến tần đa bơm.
1.3. Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu của đề tài là ổn định áp suất trong đường ống ở một ngưỡng
đặt trước thông qua sự điều khiển của PLC đối với biến tần, hệ thống bơm
dựa trên tín hiệu mà cảm biến áp suất trong đường ống đưa về.
1.4. Giới hạn nghiên cứu của đề tài
Do kiến thức, thời gian, kinh nghiệm thực tế, còn hạn chế nên đề tài chỉ
được thực hiện dưới dạng thiết kế một mô hình với 2 bơm có công suất nhỏ, áp
suất đặt trong đường ống không lớn (0 – 1 bar).
1.5. Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài
Điều khiển tự động là xu thế phát triển tất yếu trong các lĩnh vực
công nghiệp cũng như sinh hoạt bởi những ưu điểm vượt trội của nó. Ở các
hệ thống điều khiển tự động có quy mô vừa và lớn thì PLC được sử dụng
làm thiết bị điều khiển cho toàn hệ thống.
Kết hợp xây dựng một hệ thống điều khiển tự động với các thiết bị
điện tử công suất có ý nghĩa khoa học lớn trong việc xây dựng một hệ
thống tự động hoàn chỉnh cả về chức năng lẫn hiệu quả kinh tế. Đề tài “
Điều khiển và giám sát hệ thống bơm ổn định áp suất ” xây dựng mô
hình kết hợp PLC với biến tần để ổn định áp suất nước trong đường ống
một cách tối ưu nhất.

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Trang 6


Đồ Án Điều Khiển Logic

GVHD: Nguyễn Đăng Khang

Về mặt thực tiễn, đề tài đi theo hướng phát triển mới cho các hệ thống
cung cấp nước cho các tòa nhà, khu dân cư…, khắc phục được các nhược
điểm trong hệ thống cung cấp nước cũ.

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN, MẠCH LỰC
2.1. Sơ đồ khối

Hình 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống
Quá trình điều khiển chủ yếu được thực hiện từ PLC. PLC nhận tín
hiệu analog từ cảm biến áp suất (được gắn trên đường ống chính) đưa
về, sau khi PLC sử lý tín hiệu đó bằng logic, PLC sẽ ra quyết định điều
khiển biến tần bằng tín hiệu analog ở ngõ ra; biến tần sẽ tự động thay đổi
tần số theo tín hiệu analog đó, từ đó thay đổi tốc độ bơm, vì thế việc
khống chế áp lực trên đường ống trở nên dễ dàng hơn nhiều.
- Bộ điều khiển PLC: CPU 224 AC-DC-Relay và Module Analog EM 235
của Siemens, Module Analog EM 235 dùng để nhận tín hiệu từ cảm biến áp
suất chuyển đổi tín hiệu đưa về PLC để xử lý, sau khi xử lý xong thì Modul
Analog EM 235 sẽ nhận tín hiệu từ PLC để điều khiên biến tần MM440.

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Trang 7


Đồ Án Điều Khiển Logic

GVHD: Nguyễn Đăng Khang

- Cảm biến áp suất Sensys 0~3.5 bar ngõ ra 4-20mA đo áp suất đường ống
và chuyển đổi để đưa về CPU của S7-200.
Ta dùng cổng truyền thông RS485 để kết nối giữa PLC và máy tính.
Nhưng do cổng truyền thông của máy tính là RS232 lên do đó cần phải
có một bộ chuyển đổi từ chuẩn RS-232 sang chuẩn RS-485 của PLC.

2.2.Sơ đồ thuật toán
Xét mô hình sử dụng biến tần để điều khiển trạm bơm gồm 2 bơm như sau:

Hình 2.2 Mô hình sử dụng biến tần để điều khiển trạm bơm gồm 2 bơm
- Nguyên lý làm việc của hệ thống:
Với mô hình sử dụng biến tần để điều khiển trạm bơm gồm 2 bơm như trên,
để 2 bơm hoạt động theo một áp lực đặt nhất định (X bar) thì ta sẽ điều
Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Trang 8


Đồ Án Điều Khiển Logic

GVHD: Nguyễn Đăng Khang

khiển hệ thống bơm theo kiểu Chính/phụ dùng biến tần tức là ở đây sẽ chọn
bơm số 1 là bơm Chính, bơm số 2 và là bơm phụ.
Khi khởi động hệ thống lên thì máy bơm 1được điều khiển bằng biến
tần sẽ được khởi động chạy cho tới khi đạt được áp suất đặt, khi áp suất
trong đường ống đã bằng áp suất đặt thì biến tần sẽ giữ ổn định tốc độ của
máy bơm này. Trường hợp tải thay đổi tức là áp suất thay đổi, tùy theo tải
tăng hay giảm thì Biến tần sẽ điều khiển máy bơm chạy nhay hay chạy chậm.
Khi tải tăng tức là áp suất sẽ giảm, lúc này muốn ổn định áp suất thì

Biến tần sẽ điều khiển máy bơm chạy nhanh hơn ( tức là tăng tần số của máy
bơm 1) cho tới khi đạt được áp suất đặt.
Ngược lại, khi tải giảm thì Biến tần sẽ giảm tần số của máy bơm xuống
cho tới khi đạt được áp suất đặt.
Nếu khi bơm Chính đạt tốc độ tối đa 50Hz mà không đáp ứng đủ áp
lực đặt thì hệ thống điều khiển tiến hành khởi động bơm Phụ chạy với tốc độ
tối đa 50Hz. Khi đó, bơm Chính sẽ tự động điều chỉnh tốc độ liên tục để đảm
bảo duy trì đúng áp suất đặt.
Khi áp suất đặt thấp hơn áp suất thực tế thì quá trình sẽ diễn ra theo trình
tự ngược lại: bơm Chính giảm dần tốc độ cho đến khi xuống đến tốc độ tối
thiểu 0Hz mà áp suất vẫn cao thì hệ thống điều khiển sẽ tắt bơm Phụ. khi đó
chỉ chạy duy nhất bơm chính để đáp ứng yêu cầu.

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Trang 9


Đồ Án Điều Khiển Logic

GVHD: Nguyễn Đăng Khang

- Thuật toán:
• Chương trình chính:

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Trang 10

Đồ Án Điều Khiển Logic

GVHD: Nguyễn Đăng Khang

• Chương trình con cài đặt bộ PID

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Trang 11


Đồ Án Điều Khiển Logic

GVHD: Nguyễn Đăng Khang

4.2 Sơ đồ đấu dây

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Trang 12


Đồ Án Điều Khiển Logic

GVHD: Nguyễn Đăng Khang

Hình 2.3 Sơ đồ đấu dây mạch lực

Chương trình con cài đặt bộ PID
Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Trang 13


Đồ Án Điều Khiển Logic

GVHD: Nguyễn Đăng Khang

 Định ngõ vào ra
Địa chỉ
I0.0
I0.1

Kí hiệu
Start
Stops

Chức năng
Mở nguồn cho hệ thống
Tắt nguồn hệ thống

AIW0
Q0.0

AIW0
Đèn Run

Đầu vào Analog
Đèn báo hệ thống đang hoạt động

Q0.1
Q0.2

Đèn Stop
Biến tần

Đèn báo hệ thống đang dừng
Công tắc tơ điều khiển biến tần khởi động

Q0.3
AQW0

Bơm phụ
AIQ0

Công tắc tơ điều khiển bơm phụ hoạt động
Đầu ra Anolog điều khiển biến tần

Địa chỉ các thông số cho bộ PID
VD100
VD104
VD108
VD112
VD116
VD120
VD124

Giá trị đặt PV (nằm trong khoảng 0 – 1)
Giá trị Setpoint SPn (nằm trong khoảng 0 – 1)
Ngõ ra Mn (Giá trị sau khi đã tính toán, trong khoảng 0 – 1)

Độ khuếch đại Kc
Thời gian lấy mẫu Ts (s)
Hằng số tích phân Ki
Hằng số vi phân Kd

 Viết chương trình
Điều khiển PID cho Biến tần để ổn định áp suất đặt, bộ PID sẽ điều khiển
tín hiệu ngõ ra bám sát tín hiệu setpoint vì thế mà ta có được sự chính xác trong
các bài toán điều khiển tự động.
Để thiết lập các thông số cho bộ PID khi chương trình hoạt động thì vòng
quét đầu tiên ta thiết lập bit SM0.1 để cho phép quét vòng đầu tiên của chương
trình, khi đó chương trình sẽ gọi chương trình con ra và bắt đầu chạy PID.
Chương trình ngắt Timer0: Cứ 100ms thì chương trình sẽ tự động nhảy vào
thực hiện chương trình ngắt Timer0, khi ngắt Timer0 xảy ra thì chương trình
khác sẽ dừng và PLC chỉ thực hiện công việc được lập trình trong ngắt Timer,
Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Trang 14


Đồ Án Điều Khiển Logic

GVHD: Nguyễn Đăng Khang

sau khi đã thực hiện xong chương trình ngắt thì sẽ quay trở lại nơi mà bị dừng
khi xảy ra ngắt.
Trong đề tài này thì chương trình ngắt sẽ thực hiện công việc là đọc tín
hiệu analog từ cảm biến áp suất với đầu ra dòng 0 - 20mA. Module EM 235 sẽ
đọc tín hiệu analog này và ta có thể quan sát thông qua vùng nhớ AIW0. Vì PLC
chỉ xử lý trên số thực nên AIW0 sẽ được chuyển sang số thực để thực hiện các

phép tính, cũng như scale về giá trị từ 0 – 1 để đưa vào giá trị đặt PV.
Nguyên tắc cơ bản của 1 chế độ ngắt cũng giống như việc gọi 1 chương
trình con, sự khác nhau ở đây là chương trình con được gọi một cách chủ động
bằng lệnh CALL, còn xử lý ngắt được gọi bị động bằng tín hiệu báo ngắt, hệ
thống sẽ tổ chức gọi và thực hiện chương trình con tương ứng với tín hiệu báo
ngắt đó, hay nói cách khác hệ thống sẽ tổ chức xử lý tín hiệu báo ngắt đó.
Chương trình con này gọi là chương trình xử lý ngắt.
Tín hiệu báo ngắt Timer0 được phát ra đều đặn theo chu kỳ thời gian và
được xác định bởi giá trị của SMB34. Ngắt Timer0 SMB34 là sự kiện ngắt thứ
10.

Bảng symbol

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Trang 15


Đồ Án Điều Khiển Logic

GVHD: Nguyễn Đăng Khang

Hình 2.4 Bảng symbol mã hóa địa chỉ

Chương trình chính

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Trang 16

Đồ Án Điều Khiển Logic

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

GVHD: Nguyễn Đăng Khang

Trang 17


Đồ Án Điều Khiển Logic

GVHD: Nguyễn Đăng Khang

Chương trình con

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Trang 18


Đồ Án Điều Khiển Logic

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

GVHD: Nguyễn Đăng Khang

Trang 19

Đồ Án Điều Khiển Logic

GVHD: Nguyễn Đăng Khang

Chương trình ngắt Timer0

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Trang 20


Đồ Án Điều Khiển Logic

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

GVHD: Nguyễn Đăng Khang

Trang 21


Đồ Án Điều Khiển Logic

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

GVHD: Nguyễn Đăng Khang

Trang 22


Đồ Án Điều Khiển Logic

GVHD: Nguyễn Đăng Khang

4.5. Cài đặt thông số cho biến tần
 Sau khi đưa tín hiệu PLC vào biến tần. Ta tiến hành cài đặt một số
thông số của nó, điều khiển tốc độ máy bơm nước 1, nhằm ổn định áp
suất trên đường ống.
 Đưa tín hiệu tương tự AQW0 vào đầu vào analog số 1 (+), chân số 3
của Biến tần.
 Cài đặt thông số cho biến tần điều chỉnh tốc độ máy bơm.
• P0300 = 1( Động cơ không đồng bộ)
• P0304 = điện áp định mức động cơ (V).
• P0305 = dòng điện định mức động cơ (A)
• P0307= công suất định mức động cơ( kW hoặc hp). Nếu P0100=0
hoặc 2 là kW, nếu P0100=1 là hp
• P0308 =hệ số cos ϕ định mức của động cơ.
• P0309= hiệu suất định mức động cơ (%)
• P0310= tần số định mức động cơ ( Hz).
• P0311= tốc độ định mức động cơ (V/ph)
• P1000 =2(lựa chọn điểm đặt tần số :điểm đặt tương tự)
• P1080 = 0 Hz(tần số nhỏ nhất)
• P1082 = 50 Hz( tần số lớn nhất)
• P1120 = 10s (thời gian tăng tốc)
• P1121 = 10s (thời gian giảm tốc)
• P0756 = 0( đầu vào tương tự ADC kiểu điện áp đơn cực từ 0–10V)
Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Trang 23

Đồ Án Điều Khiển Logic

GVHD: Nguyễn Đăng Khang

CHƯƠNG III:TÍNH CHỌN THIẾT BỊ

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Trang 24


Đồ Án Điều Khiển Logic

GVHD: Nguyễn Đăng Khang

3.1.Sơ đồ tổng quan

Hình 3.1 Sơ đồ tổng quan của hệ thống
Một số thiết bị được dùng:
• PLC S7-200
• Module EM235
• Biến tần MM440
Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Trang 25