Đo, điều khiển, cảnh báo lưu lượng trên đường ống sử dụng PID của S71200

MỤC LỤ
MỤC LỤC........................................................................................................................... 1
LỜI NÓI ĐẦU.....................................................................................................................3
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT.....................................................................................4
1.1.

Mục đích của để tài.................................................................................................4

1.2.

Phương pháp đo......................................................................................................4

1.2.1.

Khái quát..........................................................................................................4

1.2.2.

Các phương pháp đo lưu lượng........................................................................4

1.2.3.

Kỹ thuật về phương pháp đo lưu lượng kế tần số dòng xoáy...........................5

1.3.

Tổng quan về PLC S7-1200...................................................................................8

1.3.1.

Các dòng sản phẩm của SIEMENS................................................................10

1.3.2.

Cấu hình và điều hành SIMATIC S7-1200.....................................................10

1.3.2.1.

Signal boards...........................................................................................11

1.3.2.2.

Signal modules........................................................................................11

1.3.2.3.

Các mođun truyền thông.........................................................................11

1.3.3.

Những đặc điểm nổi bật của Simatic S7 – 1200.............................................11

1.3.3.1.

Thiết kế dạng Module.............................................................................12

1.3.3.2.

Phạm vi ứng dụng của Simatic S7 1200..................................................12

1.3.3.3.

Các chức năng nổi bật của CPU 1215C...................................................14

1.3.3.4.

Sơ đồ đấu dây PLC CPU 1215C DC/DC/DC..........................................14

1.3.3.5.

Board tín hiệu của S7-1200.....................................................................14

1.3.3.6.

Modules mở rộng tín hiệu vào/ra.............................................................15

1.3.3.7.

Module Analog........................................................................................16

1.3.3.8.

Module truyền thông...............................................................................16

1.3.3.9.

Thẻ nhớ...................................................................................................17

1.3.3.10. Các module khác.....................................................................................17
1.3.4.

Nguyên lý hoạt động......................................................................................18

1.3.4.1.

Cấu trúc...................................................................................................18

1.3.4.2.

Hệ thống và PID, High speed counters (HSC) trong PLC S7-1200.........19

CHƯƠNG 2: THỰC HIỆN BÀI TOÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỂU KHIỂN........................21
2.1. Phân tích yêu cầu công nghệ....................................................................................21
2.2. Lựa chọn thiết bị cụ thể...........................................................................................21
2.2.1. PLC S7-1200, CPU 1215C, COMPACT CPU, DC/DC/DC..............................21
2.2.2. Chọn cảm biến lưu lượng (Flowmeter)..............................................................22


2.2.3. Chọn máy bơm công suất lớn............................................................................28
2.2.4. Chọn biến tần....................................................................................................33
2.3. Bảng địa chỉ cho các biến vào ra..............................................................................38
2.4. Sơ đồ khối, sơ đồ đấu dây........................................................................................38
2.4.1. Xây dựng thuật toán và viết chương trình.........................................................40


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
PLC S7-1200 của SIEMENS thực hiện bài toán đo, điều khiển, cảnh báo lưu lượng nước
trong ống dẫn.
Đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trong khoa điện,
cùng các bạn trong lớp Điện 2-K10 đặc biệt là giảng viên Phạm Văn Hùng - 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 thầy góp ý để em hoàn thành bài tập
lớn này được tốt hơn sau này.
Em xin chân thành cảm ơn !


CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1.

Mục đích của để tài

Mục đích của đề tài là: “ Ứng dụng PLC S7-1200 của SIEMENS thực hiện bài toán đo,
điều khiển, cảnh báo lưu lượng nước trong ống dẫn” ở một ngưỡng đặt trước thông qua sự
điều khiển của PLC đối với biến tần. Hệ thống bơm dựa trên tín hiệu cảm biến lưu lượng
trong đường ống đưa về. Có giám sát quan HMI
1.2.

Phương pháp đo

1.2.1. Khái quát
Lưu lượng là lượng chất chảy qua tiết diện ngang của ống trong một đơn vị thời gian. Tùy
theo lưu lượng chất lưu mà người ta phân biệt:
+ Lưu lượng thể tích Q tính bằng m3/s, l/s, m3/h, ...
+ Lưu lượng G tính bằng kg/s, kg/h,...
Để đo lưu lượng người ta dùng các lưu lượng kế, tùy thuộc vào tính chất lưu và yêu cầu
công nghệ mà người ta sử dụng các lưu lượng kế khác nhau. Nguyên lý hoạt động của các
lưu lượng kế dựa trên cơ sở:
+ Để trực tiếp thể tích chất lưu chảy qua công tơ trong một khoảng thời gian xác định ∆t
+ Đo vận tốc chất lưu chảy qua công tơ khi lưu lượng là hàm của vận tốc
+ Đo độ giảm áp qua tiết diện thu hẹp trên dòng chảy, lưu lượng là hàm phụ thuộc vào độ
giảm áp.
Tín hiệu đo biến đổi trực tiếp thành tín hiệu điện nhờ bộ chuyển đổi điện thích hợp.
1.2.2. Các phương pháp đo lưu lượng
+ Lưu lượng kế cơ khí: lưu lượng kế cánh quạt-tuabin (Turbine flowmeters), lưu lượng kế
phao nổi (Variable-area flowmeters), lưu lượng kế bản chắn (Palette flowmeters).
+ Lưu lượng kế điện từ (Electro-magnetic flowmeters)
+ Lưu lượng kế tần số dòng xoáy.
+ Lưu lượng kế khối lượng nhiệt
+ Lưu lượng kế đo độ giảm áp suất (Differential pressure flowmeters)
1.2.3. Kỹ thuật về phương pháp đo lưu lượng kế tần số dòng xoáy
a) Nguyên lý hoạt động: phương pháp đo lưu lượng bằng tần số dòng xoáy


dựa trên hiệu ứng sự phát sinh dòng xoáy khi một vật cản nằm trong lưu chất.
Nguyên nhân gây ra sự dao động này là sự sinh ra và biến mất của các dòng
xoáy bên cạnh vật cản. Các dòng xoáy ở 2 cạnh bên của vật cản có chiều xoáy
ngược nhau.

Hình 17.3. Dòng xoáy xuất hiện sau vật cản

Tần số sự biến mất của dòng xoáy (và cả sự xuất hiện) là một hiệu ứng dùng
để đo lưu lượng tính bằng thể tích. Liên hệ giữa kích thước hình học vật cản, vận
tốc lưu chất v và tần số biến mất của dòng xoáy f- tần số dòng xoáy được diễn tả
trong hằng số Strouhal S:
S = f v.b
với:

b - đường kính của vật cản
f - tần số dòng xoáy
v - vận tốc dòng xoáy

Hình 17.4. Phương pháp đo lưu lượng bằng dòng xoáy
Với điều kiện hằng số Strouhal S không phụ thuộc vào trị số Reynold ta có
thể tích lưu lượng theo thể tích trên đơn vị thời gian được tính:
Qv = 1 b.A.
fS


với A là diện tích cắt ngang của dòng chảy.
Để hình thành một con đường dòng xoáy có tính xác định và lập lại thật
tốt yêu cầu vật cản phải đáp ứng đủ một số điều kiện. Hình dáng một số vật
cản được trình bày dưới đây:

Hình 17.5. Hình dáng một số vật cản
Hình dáng của vật cản phải được cấu tạo sao cho trong một khoảng trị số
Reynold khá rộng mà trị số Strouhal vẫn là hằng số. Với vật cản có hình dạng
lăng kính, ta có trị số S khá ổn định trong suốt một dải trị số Reynold khá
rộng do vậy các thiết bị đo được bán trên thị trường thường có vật cản hình
lăng kính.. Tần số dao động của vận tốc có thể được đo với nhiều phương
pháp khác nhau. Cũng có thể đo sự dao động áp suất với màng sọc co giãn

hoặc đo các dòng xoáy với sóng siêu âm. Lực tác dụng lên vật cản có hướng
thẳng góc với
dòng chảy và trục của vật cản và được đo bằng các cảm ứng áp điện.
b) Đặc điểm của phương pháp đo lưu lượng bằng tần số dòng xoáy:
- Phương pháp này rất kinh tế và có độ tin cậy cao. Tần số dòng xoáy
không bị ảnh hưởng bởi sự dơ bẩn hay sự hư hỏng nhẹ của vật cản. Đường
biểu diễn của nó tuyến tính và không thay đổi theo thời gian sử dụng. Sai số
phép đo rất bé. Khoảng đo lưu lượng tính bằng thể tích từ 3 đến 100%.
Một tính chất rất đặc biệt của phép đo bằng dòng xoáy là nó độc lập với
các tính chất vật lý của môi trường dòng chảy. Sau một lần chỉnh định, sau đó
ta không cần chỉnh định lại với từng loại lưu chất.
Một ưu điểm nữa là các thiết bị đo lưu lượng bằng dòng xoáy không có
bộ phận cơ học chuyển động và sự đòi hỏi về cấu trúc khá đơn giản.
- Lưu lượng kế kiểu xoáy được dùng để đo các lưu chất là chất lỏng, khí
và hơi (trừ các lưu chất có độ nhớt quá lớn) với độ chính xác tương đối cao:
Lưu chất
Độ chính xác

1
%
Chất lỏng
1%
Khí
 1,5 %
Hơi
- Các yếu tố cần quan tâm khi sử dụng lưu lượng kế kiểu xoáy là: cách
lắp đặt, nhiệt độ lưu chất, tỉ trọng và độ nhớt của lưu chất, các yếu tố nhiễu
do rung động

với:

Q - lưu lượng tỉ lệ
d - độ rộng của thanh tạo xoáy
D - đường kính bên trong của YEWFLO

Hình 17.6. Lưu lượng kế kiểu xoáy YEWFLO
Cấu trúc của lưu lượng kế này như hình 17.7:

Chiều dòng chảy

Hình 17.7. Cấu trúc của lưu lượng kế kiểu xoáy YEWFLO
1. Bộ chuyển đổi

2. Miếng đệm


3. Thành phần cảm biến
5. Màn hình hiển thị tín hiệu đầu ra

4. Thanh tạo xoáy
6. Dây tín hiệu cảm biến.


21

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Thanh tạo xoáy sẽ tạo ra các lực nâng có ứng suất thay đổi. Tần số của các
thay đổi về ứng suất này tức là tần số xoáy sẽ được phát hiện bởi các thành phần
áp điện được hàn kín trong trong thanh tạo xoáy. Có 2 thành phần áp điện để

phân biệt các lực tạo ra bởi xoáy và các lực tạo ra do những yếu tố khác. Chúng
có nhiệm vụ chuyển đổi các lực xoáy thành các tín hiệu điện được đưa tới bộ
chuyển đổi để xử lý. Những thành phần này được đặt trong thanh tạo xoáy và
không tiếp xúc với lưu chất như hình 17.8:

Điện cực

Cảm biến

Phần tiếp
xúc với lưu
chất

Hình 17.8. Cấu tạo của cảm biến áp điện đo lực tạo xoáy.
1.3.

Tổng quan về PLC S7-1200

PLC viết tắt của Programmable Logic Controller là thiết bị điều khiển lập trình được cho
phép thực hiện linh hoạt các thực toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình.
Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện môt loạt trình tự các sự kiện. Các sự kiện này
được kích hoạt bởi tác nhân kích thích tác động vào plc hoặc qua các hoạt động có trễ như
thời gian định kì hay thời gian được đếm. Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật
ON hay OFF các thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý. Một bộ điều
khiển lập trình sẽ liên tục lặp trong chương trình do người sử dụng lập ra chờ tín hiệu ở
ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ra tại các thời điểm đã lập trình. Để khắc phục những

Bài Tập Lớn Điều Khiển Lập Trình PLC

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối, người ta đã chế tao bộ điều khiển plc nhẳm
thoả mãn các yêu cẩu sau:
+Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học
+Gọn nhẹ, dễ bảo quản, sửa chữa
+Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp
+Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp
+Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như máy tính, nối mạng, các module mở
rộng
Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay cho các phần cứng Relay dây nối và các logic thời
gian. Tuy nhiên bên cạnh đó việc đòi hỏi tăng cường dung lượng nhớ và tính dễ dàng cho
PLC mà vẫn đảm bảo tốc độ xử lí cũng như giá cả…. Chính điều này đã tạo ra sự quan
tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong công nghiệp, các tập lệnh nhanh chóng đi từ các
lệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm, định thời, thanh ghi dịch…Sự phát triển các máy
tính dẫn đến các bộ PLC có dung lượng lớn, số lượng I/O nhiều hơn. Trong PLC phần
cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trình điều khiển và sử lí hệ thống,
chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ được xác định bằng một chương trình.
Chương trình này sẽ được nạp sẵn vào bộ nhớ của PLC, PLC sẽ thực hiện việc điều khiển
dựa vào chương trình này. Như vậy nếu muốn thay đổi hay mở rộng chức năng của quy
trình công nghệ. Ta chỉ cần thay đổi chương trình bên trong bộ nhớ PLC. Việc thay đổi
hay mở rộng chức năng sẽ được thực hiện một cách dễ dàng mà không cần một sự can
thiệp vật lí nào so với các bộ dây nối hay Relay

Bài Tập Lớn Điều Khiển Lập Trình PLC

21


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

1.3.1. Các dòng sản phẩm của SIEMENS

1.3.2. Cấu hình và điều hành SIMATIC S7-1200

Bài Tập Lớn Điều Khiển Lập Trình PLC

21


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
1.3.2.1.

Signal boards

1.3.2.2.

Signal modules

1.3.2.3.

Các mođun truyền thông

1.3.3. Những đặc điểm nổi bật của Simatic S7 – 1200

Bài Tập Lớn Điều Khiển Lập Trình PLC

21


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

1.3.3.1.

Thiết kế dạng Module

+ Tích hợp cổng truyền thông Profinet (Ethernet) tạo sự dễ dàng trong kết nối.
+ Simatic S7 – 1200 với Simatic HMI Basic được lập trình chung trên một nền phần mềm
là TIA Portal V10.5 (Simatic Step 7 Basic, WinCC Basic) hoặc version cao hơn. Các thao
tác lập trình thực hiện theo cách kéo – thả, do đó tạo sự dễ dàng cho người sử dụng, lập
trình nhanh chóng, đơn giản, chính xác trong sự truyền thông kết nối theo tags.
+ Tích hợp sẵn các đầu vào ra, cùng với các board tín hiệu, khi cần mở rộng ứng dụng với
số lượng đầu vào ra ít sẽ tiết kiệm được chi phí, không gian và phần cứng.
+ Dễ dàng cho người sử dụng sản phầm trong việc mua gói thiết bị.
1.3.3.2.

Phạm vi ứng dụng của Simatic S7 1200

– Simatic S7 1200 bao gồm các họ:
 Standard CPUs:CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C, CPU 1215C, CPU
1217C
 SIPLUS standard CPUs:SIPLUS CPU 1211C, SIPLUS CPU 1212C,
SIPLUS CPU 1214C, SIPLUS CPU 1215C
 Fail-safe CPUs: CPU 1212 FC, CPU 1214 FC, CPU 1215 FC
 SIPLUS fail-safe CPUs: SIPLUS CPU 1214 FC
 Mỗi loại CPU có những tính năng khác nhau, thích hợp cho từng loại ứng
dụng.

Bài Tập Lớn Điều Khiển Lập Trình PLC

21

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

 Các kiểu cấp nguồn và đầu vào ra có thể là AC/DC/ Rly, DC/DC/DC hay
DC/DC/Rly.
 Đều có khe cắm thẻ nhớ, dùng cho khi mở rộng bộ nhớ cho CPU, copy
chương trình ứng dụng hay cập nhật firmware.
 Chẩn đoán lỗi online/offline.
 Một đồng hồ thời gian thực cho các ứng dụng thời gian thực
1.3.3.3.

Các chức năng nổi bật của CPU 1215C

– Có 6 bộ đếm tốc độ cao HSC dùng cho các ứng dụng đếm và đo lường.
– Có 2 ngõ ra PTO 100kHz để điều khiển tốc độ, động cơ bước hay servo.
– Có ngõ ra PWM điều chế độ rộng xung cho các ứng dụng điều khiển tốc độ động
–

cơ, valve, nhiệt độ.
Có 16 bộ điều khiển PID với tính năng tự động xác định thông số cho bộ điều
khiển (Autotuning)

Bài Tập Lớn Điều Khiển Lập Trình PLC

21


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
1.3.3.4.

Sơ đồ đấu dây PLC CPU 1215C DC/DC/DC

1.3.3.5.

Board tín hiệu của S7-1200

Board tín hiệu – một dạng module mở rộng tín hiệu vào/ra với số lượng tín hiệu ít,
giúp tiết kiệm chi phí cho các ứng dụng yêu cầu mở rộng số lượng , Gồm các
board: 1 cổng tín hiệu ra analog 12 bit (0-10VDC, 0- 20mA)

Bài Tập Lớn Điều Khiển Lập Trình PLC

21


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
1.3.3.6.

Modules mở rộng tín hiệu vào/ra

Các module mở rộng tín hiệu vào/ra được gắn trực tiếp vào phía bên phải của
CPU. Với dải rộng các loại module tín hiệu vào/ra số và analog, giúp linh hoạt
trong sử dụng S7-1200. Tính đa dạng của các module tín hiệu vào/ra sẽ được tiếp
tục phát triển.

1.3.3.7.

Module Analog

SM – tín hiệu module cho các đầu vào và đầu ra Analog (cho CPU 1212C tối đa

của 2 SM có thể sử dụng, cho 1214C tối đa là 8)

Bài Tập Lớn Điều Khiển Lập Trình PLC

21


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

1.3.3.8.

Module truyền thông

Giao tiếp với RS 232/RS 485, PROFIBUS

1.3.3.9.

Thẻ nhớ

SIMATIC thẻ nhớ 2MB hoặc 24MB cho các chương trình lưu trữ dữ liệu và thay
thế CPU đơn giản để bảo trì

Bài Tập Lớn Điều Khiển Lập Trình PLC

21


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

1.3.3.10. Các module khác

– Sử dụng module nguồn PM 1207 có các thông số: Input: 120/230V AC 50/60Hz,
1.2A/0.7A Output: 24V DC / 2.5A

– Module CSM1277 có 4 cổng cẳm RJ45, tốc độ 10/100Mb/s

Bài Tập Lớn Điều Khiển Lập Trình PLC

21


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

1.3.4. Nguyên lý hoạt động
1.3.4.1.

Cấu trúc

– PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp: làm bộ định thời cho các
kênh trạng thái I/O. Làm bộ đệm trạng thái các chức năng trong PLC như định
thời, đếm, gọi các Relay.
– Mỗi lệnh của chương trình có một vị trí riêng trong bộ nhớ, tất cả các vị trí
trong bộ nhớ đều được đánh số, những số này chính là địa chỉ trong bộ nhớ.
Địa chỉ của từng ô nhớ sẽ được trỏ đến bởi một bộ đếm địa chỉ nằm bên trong
bộ vi xử lý. Bộ vi xử lý sẽ có giá trị trong bộ đếm này thêm một trước khi xử lý
lệnh tiếp theo. Với một địa chỉ mới, nội dung của ô nhớ tương ứng sẽ xuất hiện
ở đầu ra, quá trình này gọi là quá trình đọc.
– Bộ nhớ bên trong của PLC được tạo bởi vi mạch bán dẫn, mỗi vi mạch này có
khả năng chứa 2000-16000 dòng lệnh tuỳ theo loại vi mạch trong PLC các bộ
nhớ như RAM và EPROM đều được sử dụng +RAM có thể nạp chương trình,
thay đổi hay xoá bỏ nội dung bất kì lúc nào, nội dung của RAM sẽ bị mất nếu

nguồn điện nuôi bị mất. Để tránh tình trạng này các PLC đều được trang bị pin
khô có khả năng cung cấp năng lượng dự trữ cho RAM từ vài tháng đến vài
năm. Trong thực tế RAM được dung khởi tạo và kiểm tra chương trình.

Bài Tập Lớn Điều Khiển Lập Trình PLC

21


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Khuynh hướng hiện nay dung CMOSRAM do khả năng tiêu thụ thấp và tuổi
thọ cao
– EPROM là bộ nhớ mà người sử dụng bình thường có thể đọc chứ không ghi nội
dung vào được, nội dung của EPROM không bị mất khi mất nguồn, nó được
gắn sẵn trong máy, đã dược nhà sản xuất nạp và chứa sẵn hệ điều hành. Nếu
người sử dụng không muốn sử dụng bộ nhớ thì chỉ dùng EPROM gắn bên trong
PLC. Trên PG có sẵn chổ ghi và xoá EPROM +EEEPROM liên kết với những
truy xuất linh động của RAM và có tính ổn định. Nội dung của nó có thể xoá và
lập trình bằng điện tuy nhiên số lần là có giới hạn
1.3.4.2.

Hệ thống và PID, High speed counters (HSC) trong PLC S7-1200

– HSC (High speed counter)
Mục đích: Đọc tín hiệu xung tốc độ cao của các thiết bị ngoại vi đưa về PLC
(VD: Đọc xung của encoder để từ đó chuyển đổi sang tốc độ quay encoder)

– PID (Proportional Integral Derivative)
Mục đích: Ứng dụng trong công nghiệp thường là ổn định các hệ thống công
nghiệp

Bài Tập Lớn Điều Khiển Lập Trình PLC

21


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

CHƯƠNG 2: THỰC HIỆN BÀI TOÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỂU KHIỂN
2.1. Phân tích yêu cầu công nghệ
Hệ thống bao gồm:
– 1 PLC S7-1200
– 1 Bơm công suất lớn (11kw)
– 1 Biến tần (11Kw)
– 1 Cảm biến lưu lượng hoặc đồng hồ đo lưu lượng ([0-10]l/s)
– Nút nhấn START , STOP để điều khiển hệ thống
– 3 đèn báo: RUN (báo hệ thống hoạt động), FLA (cảnh báo lưu lượng thấp),
FHA (Cảnh báo lưu lượng cao)
*Mô tả công nghệ: Ban đầu PLC, biến tần, bơm dừng.
Khi nhấn START hệ thống hoạt động, PLC hoạt động ra lệnh cho biến tần khởi
động bơm nước. Lúc này cảm biến đo lưu lượng đưa thông tin về cho PLC xử lý
(PLC xử lý tín hiệu cảm biến lưu lượng để ổn định lưu lượng ở mức 9 l/s) . Khi
cảm biến báo lưu lượng nhỏ hơn 8 l/s thì đèn cảnh báo FLA sáng, sau 1 phút lưu
lượng vẫn thấp hơn 8 l/s thì hệ thống tự động dừng. Khi cảm biến báo lưu lượng

Bài Tập Lớn Điều Khiển Lập Trình PLC

21

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
lớn hơn hơn 10 l/s thì đàn cảnh báo FHA sáng, sau 1 phút lưu lượng vẫn cao hơn
10 l/s thì hệ thống tự động dừng. Dựa vào lưu lượng cảm biến đưa về PLC ra lệnh
cho biến tần điều khiển động cơ máy bơm để máy bơm bơm đúng lưu lượng đã
đặt. Khi nhấn STOP hệ thống dừng hoạt động.
2.2. Lựa chọn thiết bị cụ thể
2.2.1. PLC S7-1200, CPU 1215C, COMPACT CPU, DC/DC/DC

– Power supply (Nguồn nuôi) 20.4 - 28.8 V DC
– Digital Inputs (Ngõ vào số) 14 DI 24V DC, Digital outputs (Ngõ ra số) 10 DO
24V DC 0.5A
– Expansion Analog module (Khả năng mở rộng Analog) 2 AI 0-10V DC, 2 AO
–
–
–
–

0-20 MA DC
Program language (Ngôn ngữ lập trình) Ladder / STL
RTC (thời gian thực) Tích hợp sẵn
Communication (truyền thông) RS485 qua cáp PC/PPI
Communication Expansion (truyền thông mở rộng) Modbus, Profibus,
Devicenet

2.2.2. Chọn cảm biến lưu lượng (Flowmeter)
Giới thiệu về cảm biến lưu lượng:
– Định nghĩa:

Bài Tập Lớn Điều Khiển Lập Trình PLC

21


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Lưu lượng kế là cảm biến đo không thể thiếu để đo lưu lượng của chất khí, chất
lòng, hay hỗn hợp khí- lỏng trong các ứng dụng công nghiệp như: Thực phẩm,
nước giải khát, dầu mỏ, khí đốt, hóa chất, dược phẩm, sản xuất giấy, điện, xi
măng…Trên thị trường, các loại lưu lượng kế rất đa dạng và luôn có sẵn cho
bất kì ứng dụng công nghiệp hay dân dụng nào.
– Việc lựa chọn cảm biến đo lưu lượng loại nào cho ứng dụng cụ thể thường dựa
vào:
 Đặc tính chất lỏng (Dòng chảy một hay hai pha, độ nhớt, độ đậm đặc…)
 Dạng dòng chảy (Chảy tầng, chuyển tiếp, chảy hỗn loạn…)
 Dãy lưu lượng và yêu cầu độ chính xác của phép đo
 Các yếu tố hạn chế về cơ khí, kết nối đầu ra mở rộng
– Ứng dụng:
Cảm biến đo lưu lượng trong công nghiệp được lắp đặt ở môi trường có độ
nhiễu cao và thường bị xung áp, điều này đòi hỏi cảm biến đo lưu lượng phải
hoạt động bình thường trong cả điều kiện xung điện áp và bù được nhiễu để
đảm bảo đưa ra tín hiệu đo với độ chính xác cao.
– Các cảm biến lưu lượng được chia thành bốn nhóm chính dựa vào nguyên lý
hoạt động của chúng:
Cảm biến lưu lượng dựa vào chênh lệch áp suất
 Hoạt động: dựa vào nguyên lý Bernoulli. Tức là sự chênh lệch áp suất
xảy ra tại chỗ thắt ngẫu nhiên nào đó trên đường chảy, dựa vào sự chênh
lệch áp suất này để tính toán ra vận tốc dòng chảy, dựa vào vận tốc dòng
chảy có thể tính ra được lưu lượng thể tích dòng chảy.
 Hình dạng: Cảm biến loại này thường có dạng lỗ orifice, ống pitot và
ống venture.
 Ưu điểm:

- Cảm biến được chế tạo dựa trên công nghệ cổ điển, hoạt động ổn định,
bền vững, dễ bảo trì, bảo dưỡng.
- Thích hợp cho dòng chảy hỗn hợp.
 Nhược điểm:
- Độ chính xác thấp ở dãy lưu lượng nhỏ.

Bài Tập Lớn Điều Khiển Lập Trình PLC

21


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
-

Sử dụng kĩ thuật đo lưu lượng chiết tách trong một đoạn ống dẫn, vì vậy

-

đòi hỏi phải tiêu hao thêm năng lượng khi chạy bơm.
Yêu cầu chính xác vị trị lắp đặt tâm lỗ orifice, điểm trích lỗ đo áp suất

đầu nguồn và điểm trích lỗ đo áp suất cuối nguồn của dòng chảy.
Cảm biến lưu lượng điện từ
 Hoạt động: dựa vào định luật Faraday và được dùng để đo dòng chảy
của chất lỏng có tính dẫn điện. Hai cuộn dây điện từ để tạo ra từ trường
đủ mạnh để cắt ngang mặt chất lỏng. Theo định luật Faraday, khi dòng
chảy qua đường ống sẽ sinh ra một điện áp cảm ứng. Điện áp này được
lấy ra bởi hai điện cực đặt ngang đường ống. Tốc độ của dòng chảy tỉ lệ
trực tiếp với biên độ điện áp cảm ứng đo được
 Ưu điểm:

- Không có tổn hao trong hệ áp suất, nên cần chú ý đến dãy đo lưu lượng
-

thấp
Rất thích hợp đo lưu lượng chất lỏng ăn mòn, dơ bẩn, đặc sệt như xi
măng, thạch cao…Vì cảm biến đo loại này không có các bộ phận lắp đặt

phía trong ống dẫn
- Độ chính xác cao, sai số ±1 dãy chỉ thị lưu lượng.
 Nhược điểm:
- Chỉ có thể đo chất lỏng có khả năng dẫn điện
- Sự lựa chọn các điện cực thay đổi tùy thuộc vào độ dẫn điện, cấu tạo
đường ống và cách lắp đặt
- Giá thành cao hơn.
Cảm biến lưu lượng Coriolis
 Hoạt động: Thực hiện đo trực tiếp lưu lượng, khối lượng của dòng chất
lỏng chảy qua ống dẫn. Việc lắp đặt có thể được thực hiện bởi ống
thẳng đơn hay ống đôi có đoạn cong. Hai ống dẫn chất lỏng chảy qua
được cho dao động ở tần số cộng hưởng đặc biệt bởi từ trường mạnh
bên ngoài, khi chất lỏng bắt đầu chảy qua các ống dẫn chất lỏng, nó sẽ
tạo ra lực coriolis. Dao động rung của các ống dẫn cùng với chuyển
động thẳng của chất lỏng tạo ra hiện tượng xoắn trên các ống dẫn này
(Do tác dụng của lực coriolic). Các senor điện cực đặt cả phía dòng

Bài Tập Lớn Điều Khiển Lập Trình PLC

21


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

chảy vào và phía dòng chảy ra trên thành ống để xác định sai lệch thời
gian về sự dịch pha của tín hiệu vào và tín hiệu ra. Sự dịch pha này
dùng để xác định trực tiếp lưu tốc khối lượng dòng chảy qua ống.
 Ưu điểm:
- Đo trực tiếp lưu tốc khối lượng, loại bỏ ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất,
-

hình dạng dòng chảy đến phép đo
Độ chính xác cao
Cảm biến đo cho phép mô phỏng quá trình đo lưu lượng và tỉ trọng bởi
vì tần số dao động cơ bản của ống phụ thuộc vào tỉ trọng chất lỏng chảy

qua ống
 Nhược điểm:
 Không đo được chất lỏng dạng đặc biệt (Chất lỏng với chất khí hay hạt
rắn, chất khí với chất lỏng có bọt…) bởi vì các hạt/vật chất đặc biệt này
làm giảm sự dao động của ống dẫn, gây ra sai số phép đo.
Cảm biến lưu lượng siêu âm
 Hoạt động: Dựa vào hiệu ứng Doppler. Cảm biến này bao gồm bộ phát
và bộ thu, bộ phát thực hiện lan truyền sóng siêu âm với tần số 0.510MHz vào trong chất lỏng với vận tốc v. Giả sử hạt vật chất hoặc các
bọt trong chất lỏng di chuyển với cùng vận tốc. Những hạt vật chất này
phản xạ với sóng lan truyền đến bộ thu với một tần số khác. Sai lệch
giữa tần số phát ra với tần số thu về của sóng siêu âm được dùng để đo
vận tốc dòng chảy.
 Ưu điểm:
- Cảm biến lưu lượng siêu âm có giá không đắt
- Cảm biến lưu lượng xuyên thẳng đưa ra kĩ thuật đo chất lỏng không dẫn
-

điện và ăn mòn

Cảm biến lưu lượng siêu âm lắp đặt gá, kẹp vào đường ống hiện tại, cho
phép không cần cắt bỏ hoặc phá hủy một phần đường ống, loại bỏ đến
tối thiểu sự tác động của con người đến chất lỏng độc hại và giảm sự bụi

-

bẩn cho hệ thống
Không có thành phần lắp đặt trong ống, không làm giảm áp lực

Bài Tập Lớn Điều Khiển Lập Trình PLC

21