Bài tập lớn PLC điều khiển hệ thống máy bơm nước cho tòa nhà Đại học công nghiệp Hà Nội

1

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, lĩnh vực khác nhau
cho đến nhu cầu thiết yếu của con người trong cuộc sống hàng ngày. Một trong
những sản phẩm tiên tiến của nó là PLC. Ứng dụng rất quan trọng của ngành
công nghệ tự động hóa là việc điều khiển, giá sát các hệ thống 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 PLC, biến tần đó là “Ứng dụng đo, điều khiển và cảnh báo áp
suất trên đường ống với giải đo 0-5 bar” 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 THU HÀ 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. Mong cô góp ý để em hoàn
thành bài tập lớn này được tốt hơn sau này.
Em xin chân thành cảm ơn !

Điều Khiển Lập Trình PLC


2

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT.
1.1. Mục đích của đề tài
Mục đích 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.
1.2. Phương pháp đo áp suất
1.2.1. Định nghĩa: Áp suất là đại lượng có giá trị bằng tỉ số giữa lực tác dụng
vuông góc lên một mặt với diện tích của nó.
Công thức:

P: áp suất
F: lực tác dụng
S: tiết diện
Đối với các chất lỏng, khí hoặc hơi ( gọi chung là chất lưu), áp suất là một thông
số quan trọng xác định trạng thái nhiệt động học của chúng
Trong công nghiệp, việc đo áp suất chất lưu có ý nghĩa rất lớn trong việc đảm
bảo an toàn thiết bị, cũng như giúp cho việc kiểm tra và điều khiển hoạt động của
máy móc thiết bị có sử dụng chất lưu.Trong hệ đơn vị quốc tế (SI), đơn vị áp suất là
Pascal: 1 Pascal là áp suất tạo bởi một lực có độ lớn bằng 1N phân bố đồng đều
trên một diện tích 1m2 theo hướng pháp tuyến

Điều Khiển Lập Trình PLC


3

1.2.2 Nguyên lý đo áp suất
Đối với chất lưu không chuyển động, áp suất chất lưu là áp suất tĩnh. Do vậy, đo
áp suất chất lưu thực chất là xác định lực tác dụng lên một diện tích thành bình.
Đối với chất lưu không chuyển động chứa trong một ống hở đặt thẳng đứng, áp

suất tĩnh tại một điểm M cách bề mặt tự do một khoảng h được xác định theo công
thức:
p = p0 + ρgh
Trong đó:

p0 là áp suất khí quyển
ρ: khối lượng riêng của chất lưu
g: gia tốc trọng trường

Trong cách đo thứ nhất, phải sử dụng một cảm biến đặt sát thành bình. Trong
trường hợp này, áp suất cần đo được cân bằng với áp suất thủy tĩnh do cột chất lỏng
mẫu tạo nên hoặc tác động lên một vật trung gian có phần tử nhạy cảm với lực do
áp suất gây ra. Khi sử dụng vật trung gian để đo áp suất, cảm biến thường trang bị
thêm bộ phận chuyển đổi điện.
Trong cách đo thứ hai, người ta gắn lên thành bình các cảm biến đo ứng suất để
đo biến dạng của thành bình.
Đối với chất lưu chuyển động, áp suất chất lưu (p) là tổng áp suất tĩnh (p t) và áp
suất động (pđ): p = pt + pđ

Điều Khiển Lập Trình PLC


4

Áp suất tĩnh tương ứng với áp suất gây nên khi chất lỏng không chuyển động.
Áp suất động do chất lưu chuyển động gây nên và có giá trị tỷ lệ với bình phương
vận tốc chất lưu :

pd=
Khi dòng chảy va đập vuông góc với một mặt phẳng, áp suất động chuyển thành

áp suất tĩnh, áp suất tác dụng lên mặt phẳng là áp suất tổng. Do vậy áp suất động
được đo thông qua chênh lệch giữa áp suất tổng và áp suất tĩnh. Thông thường việc
đo hiệu áp suất (p - pt) thực hiện nhờ hai cảm biến nối với hai đầu ra của một ống
Pitot (như hình vẽ bên dưới), trong đó cảm biến (1) đo áp suất tổng, cảm biến (2)
đo áp suất tĩnh

Điều Khiển Lập Trình PLC


5

Có thể đo áp suất động bằng cách đặt áp suất tổng lên mặt trước và áp suất
tĩnh lên mặt sau của một màng đo, như vậy tín hiệu do cảm biến cung cấp chính là
chênh lệch giữa áp suất tổng và áp suất tĩnh

Đo áp suất động bằng màng
1.3 Tìm hiểu về PLC S7 200
1.3.1 Khái quát về PLC S7 200
a.Giới thiệu về PLC
- PLC ( Programmable Logic Controller ): Bộ điều khiển lập trình, PLC được
xếp vào trong họ máy tính, được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp và
thương mại.
- PLC đặt biệt sử dụng trong các ứng dụng hoạt động logic điều khiển chuổi
sự kiện
- PLC có đầy đủ chức năng và tính toán như vi xử lý. Ngoài ra, PLC có tích
hợp thêm một số hàm chuyên dùng như bộ điều khiển PID, dịch chuyển khối dữ
liệu, khối truyền thông,…
- PLC có những ưu điểm:
+ Có kích thước nhỏ, được thiết kế và tăng bền để chịu được rung động,
nhiệt, ẩm và tiếng ồn, đáng tin cậy.

+ Rẻ tiền đối với các ứng dụng điều khiển cho hệ thống phức tạp.
+ Dễ dàng và nhanh chống thay đổi cấu trúc của mạch điều khiển.
+ PLC có các chức năng kiểm tra lỗi, chẩn đoán lỗi.

Điều Khiển Lập Trình PLC


6

+ Có thể nhân đôi các ứng dụng nhanh và ít tốn kém.
Cấu trúc bên trong của PLC

Một hệ thống lập trình cơ bản phải gồm có 2 phần: Khối xử lý trung tâm
(CPU: Central Processing Unit) và hệ thống giao tiếp vào/ra ( I/O)

Điều Khiển Lập Trình PLC


7

b. Giới thiệu về PLC S7-200 CPU224 AC/DC/RELAY
Với đề tài này em sử dụng PLC S7-200 CPU224 AC/DC/RELAY
Thông tin:

-

Nguồn cấp: 85-264VAC. 47-63Hz

-

Kích thước: 120.5mm x 80mm x 62mm
Dung lượng bộ nhớ chương trình: 4096 words
Dung lượng bộ nhớ dữ liệu: 2560 words
Bộ nhớ loại EEFROM
Có 14 cổng vào, 10 cổng ra.
Có thể thêm vào 7 modul mở rộng kể cả modul Analog.
Tốc độ xử lý một lệnh logic Boole 0.37µs
Có 256 timer , 256 counter, các hàm số học trên số nguyên và sốn

-

thực.
Có 6 bộ đếm tốc độ cao, tần số đếm 20 KHz
Có 2 bộ điều chỉnh tương tự.
Các ngắt: phần cứng, theo thời gian, truyền thông,…
Đồng hồ thời gian thực.
Chương trình đƣợc bảo vệ bằng Password.
Toàn bộ dung lƣợng nhớ không bị mất dữ liệu 190 giờ khi PLC

-

bị mất điện.
Xuất sứ: Siemens Germany

Điều Khiển Lập Trình PLC


8

PLC CPU 224 S7-200

- CPU được cấp nguồn 220VAC.Tích hợp 14 ngõ vào số (mức 1 là 24Vdc,
mức 0 là 0Vdc). 10 ngõ ra dạng relay.
● Mô tả các đèn báo trên S7-200:
- SF (đèn đỏ): Đèn đỏ SF báo hiệu khi PLC có hỏng hóc.
- RUN (đèn xanh): Đèn xanh sáng báo hiệu PLC đang ở chế độ làm

việc

và

thực hiện chương trình nạp ở trong máy.
- STOP (đèn vàng): Đèn vàng sáng báo hiệu PLC đang ở chế độ dừng,
không thực hiện chương trình hiện có.
- Ix.x (đèn xanh)chỉ trạng thái logic tức thời của cổng Ix.x. Đèn sáng tương
ứng mức logic là 1.
- Qx.x (đèn xanh): chỉ trạng thái logic tức thời của cổng Qx.x. Đèn sáng
tương ứng mức logic là 1.

Điều Khiển Lập Trình PLC


9

● Cách đấu nối ngõ vào ra PLC:

•

Cách đấu nối S7-200 và các module mở rộng:

- S7-200 và module vào/ra mở rộng được nối với nhau bằng dây nối. Hai đầu
dây nối được bảo vệ bên trong PLC và module.Chúng ta có thể kết nối PLC và
module sát nhau để bảo vệ hoàn toàn dây nối. CPU224 cho phép mở rộng tối đa
7 module.

Điều Khiển Lập Trình PLC


10

1.3.2. Giới thiệu về module Analog.
PLC S7-200 có các module analog mở rộng như sau:
•

EM 231: gồm có 4 ngõ vào analog.

•

EM 232: gồm có 2 ngõ ra analog.

•

EM 235: gồm có 4 ngõ vào và 1 ngõ ra analog.

a.

Đặc tính chung

•

Trở kháng vào input >= 10MΩ.

•

Bộ lọc đầu vào input –3Db tại 3.1Khz.

•

Điện áp cực đại cung cấp cho module: 30VDC.

•

Dòng điện cực đại cung cấp cho module: 32mA.

•

Có LED báo trạng thái.

•

Có núm chỉnh OFFSET và chỉnh độ lợi (GAIN).

b. Đầu vào
•

Phạm vi áp ngõ vào: +/- 10V.

•

Phạm vi dòng điện ngõ ra: 0 -> 20mA.

•

Có các bộ chuyển đổi ADC, DAC (12 bit).

•

Thời gian chuyển đổi analog sang digital : <250µs.
Đáp ứng đầu vào của tín hiệu tương tự: 1.5ms đến

•

95%.
•

Chế độ Mode chung: Điện áp vào đầu cộng của
chế độ Mode chung nhỏ hơn hoặc bằng 12V.

•

Kiểu dữ liệu đầu vào input:


Kiểu không dấu (đơn cực) tầm từ 0 đến 32000,



Kiểu có dấu (đa cực) tầm từ –32000 đến 32000.

Điều Khiển Lập Trình PLC

11

c. Đầu ra
•

Phạm vi áp ngõ ra : +/- 10V.

•

Phạm vi dòng điện ngõ ra: 0 -> 20mA.

•

Độ phân giải:

•



Điện áp:

12 bit.



Dòng điện:

11 bit.

Kiểu dữ liệu đầu ra:



Kiểu dữ liệu không dấu (đơn cực): từ 0 đến 32000.



Kiểu dữ liệu có dấu (đa cực): từ –32000 đến 32000.
•

Thời gian gửi tín hiệu đi:

Điện áp: 100us.





Dòng điện: 2ms.
Sơ đồ kết nối với các thiết bò ngoại vi, sử dụng
theo dạng áp và dòng:

Điều Khiển Lập Trình PLC


12

Có các contact (switch) để lựa chọn phạm vi áp ngõ

vào (contact ở một trong hai vò trí ON và OFF). Contact 1
lựa chọn cực tính áp ngõ vào: ON đối với áp đơn cực,
OFF với áp lưỡng cực; contact 2, 3, 4, 5, 6 chọn phạm vi
điện áp.

Điều Khiển Lập Trình PLC


13

Các bước chỉnh đầu vào.
 Tắt nguồn Module, chọn tầm đầu vào mong muốn.
 Bật nguồn lên cho CPU và Module sau đó để cho hoạt

động ổn đònh trong 15 phút.
 Sử dụng transmitter, nguồn dòng hoặc áp chuẩn

dùng để đưa tín hiệu giá trò chuẩn zero vào 1 trong
các đầu vào.
 Đọc giá trò vào PLC bằng kênh đầu vào thích hợp.
 Chỉnh giá trò OFFSET có thể cho đến khi giá trò đọc

vào là zero hoặc nhận ra giá trò dữ liệu số.
 Đặt giá trò tín hiệu toàn tầm đo vào ngõ vào, đọc

giá trò mà CPU nhận được.
 Chỉnh độ lợi có thể cho đến khi giá trò đọc được là

32.000 hay nhận được giá trò dữ liệu số.


Ngắn mạch đầu vào các ngõ vào khơng sử dụng.

 Tránh gọt các đầu dây quá nhọn.
 Lặp lại các quá trình, chỉnh Gain và Offset cho đến

khi đạt yêu cầu.
Sơ đồ chỉnh độ lợi (GAIN) và OFFSET:

Điều Khiển Lập Trình PLC


14

Các chú ý khi cài đặt ngõ ra analog.


Chắc chắn rằng nguồn 24VDC cung cấp không bò
nhiễu và ổn đònh.



Xác đònh được Module.



Dùng dây cảm biến ngắn nhất nếu có thể.



Sử dụng dây bọc giáp cho cảm biến và dây chỉ
dùng cho một mình cảm biến thôi.



Tránh đặt các dây tín hiệu song song với dây có
năng lượng cao. Nếu hai dây bắt buộc phải gặp
nhau thì bắt chéo chúng về góc bên phải.



Với đề tài này em sử dụng module EM235

Điều Khiển Lập Trình PLC


15

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG
2.1 Lựa chọn thiết bị.
2.1.1 Biến tần MM440
Với mô hình này em sử dụng biến tần MM440 của siemens
Thông số của MM440
-

Tên : MICROMASTER 440
Đầu vào: 3AC 380-480 V +10/-10%, 47-63 HZ
Đối với điện áp vào 1 pha: 200V - 240V.
Tần số ngõ ra từ 0Hz đến 650Hz.
OVERLOAD: 150% 60 S, 200% 3 S

Kích thước: 173 X 73 X 149 (H X W X D)
Các đầu vào, ra:
•
6 đầu vào số
•
2 đầu vào tương tự
•
3 đầu ra rơle
•
2 đầu ra tương tự
•
1 cổng RS485
•
15 cấp tần số cố định
•
Có tích hợp bộ điều khiển PID
•
Có chức năng hãm DC, hãm tổ hợp
và hãm bằng điện trở hay hảm động
năng.

Điều Khiển Lập Trình PLC


16

2.1.2 Chọn Cảm biến đo áp suất.
Đề tài này em sử dụng cảm biến Đo áp suất dải đo 0 ~ 5Bar. Nhà sản suất: Wise.
Thông số kỹ thuật:
Cảm biến áp suất P117

Dải áp suất đo 0~5 bar
Cáp nối có sẵn 1.5m
Kiểu gắn: male, 1/4"
Ngõ ra 4-20 mA
Dùng cho môi chất khí,dầu, nước.
IP 68
Nguồn 12~36 VDC
Đầu ra 0-10V
2.1.3 Tính toán thông tin đo ra từ cảm biến
Dải đo của cảm biến là 0 bar-5 bar tương đương với dải đầu ra của bộ chuyển đổi là
0-10 V nên ta có đặc tính cảm biến như sau:
từ đó ta có các giá trị chuyển đổi:
Áp Suất

Điện áp (V)

0

0

2,5

5

4

8

5

10

Điều Khiển Lập Trình PLC


17

Đầu ra của cảm biếm đc nối với EM235 với dải chuyển dổi là
0 – 32767 dùng kiểu integer lấy phần dương , nên ta có đặc tính analog như sau:
Ta có các giá trị chuyển đổi:
Áp Suất

Điện áp (V)

analog

0

0

0

2,5

5

16376

4

8

26216

5

10

32760

2.1.4 Chọn động cơ.


Với đề tài này em chọn 2 động cơ không đồng bộ có thông số sau:
Động cơ không đồng bộ 3 pha Vihem 0.37KW

•

Hãng sản xuất: VIHEM

•

Xuất xứ: Vietnam

•

Công suất (kW): 0.37

•

Momen đầu trục cực đại (Nm): 0
(*)Chúng em chọn 2 động cơ có công suất như nhau để đảm bảo công suất và
đề phòng khi động cơ chính có sự cố thì động cơ phụ có thể thay thế

Điều Khiển Lập Trình PLC


18

2.2. Xây dựng sơ đồ khối, sơ đồ đấu dây.
2.2.1. Sơ đồ khối.

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.
- Cảm biến áp suất wise 0~5 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.

Điều Khiển Lập Trình PLC

19

2.2.2. Sơ đồ đấu dây.
Sơ đồ đấu dây của hệ thống như sau:

Sơ đồ nối dây CPU 224 AC/DC/Relay với nguồn ngoại vi

Điều Khiển Lập Trình PLC


20

2.3. Xây dựng thuật toán.
Thuật toán chương trình điều khiển áp suất như sau:

ON

KIỂM TRA
ÁP SUẤT

ÁP SUẤT
BƠM CHÍNH VÀ BƠM
PHỤ

BÌNH THƯỜNG

BƠM CHÍNH VÀ BƠM
PHỤ

ON 100%
ÁP SUẤT
THẤP

OFF

ÁP SUẤT
CAO

ĐÚNG
BƠM CHÍNH
ON 100%
BƠM PHỤ OFF

TẮT
HỆ THỐNG

ĐÚNG

END
Điều Khiển Lập Trình PLC

SAI


21

2.4. Xây dựng phần mềm.
Lập trình trên phần mềm Step 7 MicroWin 4.0 sp9.
Bảng địa chỉ:

Địa chỉ
I0.0
I0.1
Q0.0
Q0.1
Q0.2
Q0.3
Q0.4
Q0.5

Ký hiệu
START
STOP
Den_Run
Den_PHA
AS_bt
Den_PLA
Bom_chinh
Bom_phu

Chức năng
Nút bấm khởi động hệ thống
Nút bấm dừng hệ thống
Đèn báo hệ thống hoạt động
Đèn báo áp suất cao
Áp suất thấp
Đèn báo áp suất thấp

Hình 3.4.1: Bảng địa chỉ trong S7-200

Điều Khiển Lập Trình PLC


22

Chương trình điều khiển:

Hình 3.4.2: Network 1: Khởi động hệ thống

Hình 3.4.3: Network 2: Đèn báo hệ thống làm việc

Điều Khiển Lập Trình PLC


23

Hình 3.4.4: Network 3: chuyển đổi tín hiệu từ cảm biến sang tín hiệu interger,
từ tín hiệu interger sang duoble interger, từ duoble interger sang real

Hình 3.4.5: Network 4: Đèn báo áp suất thấp

Điều Khiển Lập Trình PLC


24

Hình 3.4.6: Network 5: Áp suất bình thường

Hình 3.4.7: Network 6:Đèn báo áp suất cao

Hình 3.4.8: Network 7: Bơm phụ hoạt động

Điều Khiển Lập Trình PLC


25

Hình 3.4.9: Network 8 : Bơm chính hoạt động

Hình 3.4.10. :Mô phỏng hệ thống

Điều Khiển Lập Trình PLC