Bài tập lớn ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC dùng S7 1200

BỘ CÔNG THƯƠNG

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

ĐỒ ÁN HỌC PHẦN: ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC
Số : ……01……
Họ và tên HS-SV :

Lớp :
Khoá : ……………………K10………………………… Khoa : ……Điện
Giáo viên hướng dẫn : Tống Thị Lí
NỘI DUNG
Đề tài: Ứng dụng PLC của Siemens điều khiển áp suất trên đường ống cấp nước
cho chung cư Royal City.

PHẦN THUYẾT MINH
Yêu cầu về bố cục nội dung:
1: Phân tích yêu cầu công nghệ
- Khảo sát và chọn công nghệ trong thực tiễn ứng dụng hệ thống điều
áp suất trên đường ống
- Tính chọn các thiết bị trên mô hình đã chọn (cấu tạo, nguyên lý, sơ
đồ chân..)
- Vẽ sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý mạch lực, mạch cách ly
- Xác định chu trình cần điều khiển
2: Vẽ sơ đồ ghép nối hệ thống với PLC
- Xác định các biến cần điều khiển
- Lập bảng địa chỉ

- Vẽ sơ đồ đấu dây
3: Thiết lập lưu đồ thuật toán


4: Viết chương trình điều khiển trên PLC
Yêu cầu về thời gian :
Ngày giao đề:
Trưởng bộ môn

Ngày hoàn thành
Giáo viên hướng dẫn


MỤC LỤC
Phần 1: Phân tích yêu cầu công nghệ............................................1
1.1: Khảo sát và chọn công nghệ trong thực tiễn ứng dụng hệ thống điều áp
suất trên đường ống.......................................................................................1
1.2: Tính chọn các thiết bị trên mô hình đã chọn (cấu tạo, nguyên lý, sơ đồ
chân..)............................................................................................................3
1.2.1: Chọn PLC................................................................................................3
1.2.2: Bơm nước................................................................................................4
1.2.3: Cảm biến mức:........................................................................................4
1.2.4: Cảm biến áp suất.....................................................................................5

1.3: Vẽ sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý mạch lực, mạch cách ly.................12
1.3.1: Mạch lực...............................................................................................12

1.4: Xác định chu trình cần điều khiển........................................................13

Phần 2: Vẽ sơ đồ ghép nối hệ thống với PLC..............................14

2.1: Xác định các biến cần điều khiển.........................................................14
2.2: Lập bảng địa chỉ...................................................................................14
2.3: Vẽ sơ đồ đấu dây..................................................................................15

Phần 3: Thiết lập lưu đồ thuật toán.............................................15
Phần 4: Viết chương trình điều khiển trên PLC.........................17


Phần 1: Phân tích yêu cầu công nghệ
1.1: Khảo sát và chọn công nghệ trong thực tiễn ứng dụng hệ thống điều
áp suất trên đường ống
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. 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.
*Ưu điểm của phương pháp
So với phương pháp truyền thống, phương pháp dùng biến tần cho hệ thống bơm điều
áp có những ưu điểm:
- Việc điều chỉnh áp lực trên đường ống hoàn toàn tự động, tiết kiệm được chi phí
nhân công.
- Hệ thống bơm được điều khiển hoàn toàn tự động, tốc độ bơm có thể thay đổi một
cách linh hoạt.
- Áp suất toàn hệ thống không đổi với mọi lưu lượng.
- Dòng khởi động được hạn chế sẽ không gây sụt áp khi khởi động, 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 xử dụng thay đổi nhiều.

Đề tài của bọn em là “ Ứng dụng PLC của Siemens điều khiển áp suất trên đường ống
cấp nước cho chung cư Royal City.” Vì thế trước hết bọn em sẽ tìm hiểu về khu chung
cư này.
Chung cư Royal City gồm có các tầng hầm từ B1 – B5 và 6 tòa nhà R1 – R6.

1


Trong đó:
+ Tầng hầm B1, B2 là 1 trung tâm thương mại bao gồm Công viên nước, sân
bang, rập chiếu phim, Gym, Spa, Games, ẩm thực.
+ Tầng hầm B3,B4,B5 là bãi gửi xe.
+ Tòa R1-R6 có tầng 1, tầng 2 là Trung tâm thương mại, tầng thượng là Vườn
dưỡng sinh và Ở giữa là khối căn hộ.

Tại bài tập lớn này em sẽ dung PLC để điều khiển áp suất trên đường ống cấp nước
cho tòa nhà R1 cao 36 tầng.
Tòa nhà sẽ có 2 bể chứa nước, bể 1 là ở tầng hầm, bể 2 là ở trên tầng thượng.
+ Ở bể 1 sẽ có CB1,CB2 đưa tín hiệu cho bơm 1 bơm nước từ hệ thống nước
sạch vào bể 1 khi mức nước trong bể giảm xuống mức mình đặt và sẽ ngắt khi bể đầy.

2


+ Ở bể 2 sẽ có CB3,CB4 đưa tín hiệu cho bơm 2 bơm nước từ bể 1 lên bể 2 khi
mức nước trong bể 2 giảm xuống mức mình đặt và sẽ ngắt khi bể đầy.
****Mục đích chính của đề bài là điều khiển áp suất trên đường ống cấp nước, vì thế
ở trên tầng thượng chúng ta sẽ đặt 2 bơm li tâm với yêu cầu duy trì áp suất và lưu
lượng không đổi

1.2: Tính chọn các thiết bị trên mô hình đã chọn (cấu tạo, nguyên lý, sơ
đồ chân..)
1.2.1: Chọn PLC
•

Ở bài này nhóm em sẽ dùng PLC S7-1200 1214DC/DC/DC

Sơ đồ chân PLC S7 1200 1214C DC/DC/DC

3


1.2.2: Bơm nước
Vì đây là tòa nhà cao tầng, đông dân cư nên ta sẽ sử dụng loại bơm có công suất
lớn, lưu lượng cao, áp suất tốt, vì thế chúng ta sẽ sử dụng bơm ly tâm.
1.2.3: Cảm biến mức:

4


Cả 4 cảm biến ở bể 1, bể 2 chúng ta sẽ sử dụng cảm biến mức.
Cảm biến báo mức dạng điện dung.
Sử dụng trong báo mức nước, các loại dung môi dẫn diện, có thể báo mức chất
rắn như bột, kim loại, hạt nhựa, báo mức xi măng, đo mức muối, vật phi kim, vỏ trấu,
bã mía, giấy… Cảm biến điện dung thân teflon thích hợp cho việc báo mức axit rất
tốt.
Độ nhạy có thể điều chỉnh tùy vào loại cần báo, có thể phân biệt được đâu là vật cần
báo thông qua chức năng này, chẳng hạng như nước trong đường ống có thể đặt bên
ngoài cũng có thể báo được.

Cảm biến báo mức chất rắn điện dung.
Cảm biến điện dung có ngõ ra NPN hoặc PNP, ngoài ra còn có loại hai dây mắc nối
tiếp qua tải với điện áp 24-220VAC hoặc 24vdc.
Loại này có thể thay thế các dạng cảm biến báo mức dạng xoay rất tốt.

1.2.4: Cảm biến áp suất
Cảm biến áp suất, cảm biến đo áp suất, cảm biến áp suất xuất xứ Châu
Âu, cảm biến áp suất 1 bar, 2 bar, 3 bar, 4bar, 6bar, 10 bar, 16bar, 25 bar, 40bar, 60
bar, 100 bar, 400 bar…

5


Cảm biến áp suất với kết cấu cảm biến dạng Ceramic sử dụng trong việc đo áp
suất không khí, áp suất ga, áp suất nước và áp suất dầu, đo áp suất hơi, lò hơi. Được
thiết kế trong hệ thống phân phối ga, trong các chai, tủ lạnh, máy nén khí, máy bơm
chân không và hệ thống thủy lực, hệ thống bơm nước với áp suất cao.
Cảm biến đo áp suất sử dụng trong đo và điều khiển áp suất trong đường ống,
lò hơi thông qua van điều khiển tuyến tính. Đo mức nước, báo mức dầu, báo mức chất
lỏng thông qua sự thay đổi áp suất.
Áp suất là gì?
Áp suất được định nghĩa là lực tác động của chất lỏng hay khí tác động trên
một đơn vị diện tích, với công thức:
P=F/A, trong đó F là lực tác động với đơn vi là Newton (N), A là điện tích với
đơn vị là m2. Vây P sẽ có đơn vị là N/m2 hay còn gọi là đơn vị Pascal.
Trong thực tế thì áp suất thường dùng các đơn vị áp suất là Bars (Kg/cm2), PSI
(P/inch2), mm Hg, In.Hg…
Cảm biến áp suất hoạt động như thế nào?
Các điều kiện khác nhau, phạm vi đo, và vật liệu sử dụng trong cấu trúc cảm
biến sẽ có nhiều kiểu thiết kế cảm biến khác nhau, thường thì chúng ta có thể chuyển

đổi tín hiệu áp suất sang các dạng trung gian, chẳng hạng như sự dịch chuyển của
màng áp sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu dạng áp hay dòng, từ diện tích mặt màng
áp có thể tính ra áp lực.

6


Cấu tạo bên trong của cảm biến đo áp suất.
Có ba loại cảm biến áp suất phổ biến nhất là dạng cầu (strain gage based), biến
dung (variable capacitance), và áp biến (piezoelectric). Trong đó dạng cầu là phổ biến
nhất (cầu Wheatstone) vì có độ chính xác, tổi thọ cao và chi phí thấp, dựa trên nguyên
lý này ta có thể đo áp suất tuyệt đối, áp suất tương đối và chênh áp. Khi có áp lực tác
động lên cầu Wheatstone, làm thay đổi điện trở dẫn đến điện áp thay đổi dạng mV, có
nhiều loại cảm biến sẽ đưa ra tín hiệu mV này để sử dụng, có loại sẽ chuyển đổi tín
hiệu này sang 4-20mA hoặc 0-10VDC thông qua bộ khuếch đại tích hợp.
Để hiểu rỏ thêm về cầu Wheatstone ta xem hình sau.

7


Sự thay đổi điện trở do lực tác động trên cầu Wheatstone.
Khi có áp suất tác động lên màn áp, sự biến dạng làm thay đổi chiều dài, khi chiều
dài thay đổi điện trở sẽ thay đổi theo. Nguyên lý này được dựa trên công thức:
R = p x l/s
Trong đó p là hằng số biến trở tùy thuộc vật liệu, S là tiết diện, l là chiều dài.
Thông thường cảm biến áp suất có ngõ ra là 4-20mA thì có hai dây ra, phải mắc nối
tiếp với bộ nguồn qua thiết bị đo mới sử dụng được, tham khảo sơ đồ đấu nối ở phần
2.
Cảm biến áp suất được thiết kế theo tiêu chuẩn Châu Âu, thương hiệu tốt, độ chính
xác và tuổi thọ cao, hoạt động ổn định, giá thành cạnh tranh, đó là những tiêu chí mà

cảm biến có thể đạt được.

8


Cảm biến đo áp suất hơi, áp suất nước, áp suất dầu.

1. Thông số kỹ thuật cảm biến đo áp suất.

– Phạm vi lựa chọn: Áp suất âm (-1~1 bar), áp suất thường bao gồm nhiều phạm vi từ
0-600bar.
– Sai số chính xác: 1% F.S.
– Thời gian đáp ứng: <4ms.
– Nhiệt độ hoạt động: -20~80 độ C.
– Sensor element: Ceramic in AL2O3.
– Ngõ ra: hai dây 4-20mA, ba dây 0-10VDC, 0-5VDC, 1-5VDC.

9


– Nguồn cấp cho cảm biến: 8-30VDC.
– Vật liệu thân của cảm biến: inox 316 chịu áp lực 16 bar.
– Cấp độ bảo vệ chống kín nước và bụi: IP65
– Khối lượng cảm biến: 0.12kg.
– Kết nối cảm biến với ống: ren 1/4 hoặc ren 1/2 (NPT male).
Có sẵn cảm biến áp suất âm và các áp suất cao lên đến 600 bar. Ren kết nối với ống
là 1/2” – 21mm.
Nếu có sẵn lỗ ren nhỏ hơn hoặc thấp hơn thì ta có thể mua bộ chuyển ren, hiện nay
trên thị trường có rất nhiều và dễ dàng tìm mua tại các tiệm ống nước.

Bảng lựa chọn phạm vi hoạt động.

10


Thông qua bộ điều khiển và hiển thị Shihlin mà chúng tôi đang cung cấp, chúng ta có
thể điều khiển áp suất một cách chính xác thông qua chế độ PID, với chế độ On Off và
HYS, chúng ta có thể cài đặt điều khiển máy nén khí tự động bật khi áp suất thiếu và
tự ngắt khi áp suất đủ.
Dễ dàng thay đổi các thông số qua các phím chức năng, tích hợp lên đến 2 alarm để
cảnh báo và ngắt hệ thống khi áp suất quá cao hoặc quá thấp.
2. Sơ đồ kết nối cảm biến áp suất, cảm biến đo áp suất.

Cảm biến áp suất với hai loại ngõ ra analog áp Vdc và dòng mA.
Ngõ ra dòng 4-20mA (hai dây) hoặc ngõ ra áp (ba dây) 0-10VDC, 0-5vdc, 1-5vdc.
Nguồn cấp cực kỳ rộng và phổ thông: 8 đến 30VDC.

11


Hai dạng sơ đồ đấu nối với ngõ ra 0-10vdc hoặc 4-20mA.
Theo tìm hiểu về cảm biến áp suất, chúng em sẽ chọn loại cảm biến có dải đo 0 –
25bar để phù hợp với toàn nhà chung cư, độ chính xác cũng sẽ cao.

1.3: Vẽ sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý mạch lực, mạch cách ly
1.3.1: Mạch lực

+ Nguyên lý làm việc
- Hệ thống biến tần áp dụng nguyên lý điều khiển vòng kín
- Tín hiệu áp lực từ mạng lưới cấp nước được đưa về bộ xử lý, so sánh với tín

hiệu áp lực được cài đặt theo yêu cầu.
sai lệch giữa 2 trị số này sẽ được một chương trình cài đặt riêng cho hệ thống
xử lý để đưa ra tín hiệu điều khiển tối ưu đến bộ biến tần.
- Bộ biến tần được lập trình xử lý tín hiệu đó và đưa ra tần số thích hợp cho
dòng điện vào động cơ. Số vòng quay trên trục bơm được thay đổi và đáp ứng
vừa lưu lượng, áp lực yêu cầu trên mạng lưới đường ống.
+ Nguyên tắc điều chỉnh hệ thống như sau:
- Khi nhu cầu dùng nước thấp hơn hoặc bằng khả năng cung cấp của một bơm
thì máy bơm nước có lắp biến tần hoạt động.

12


- Khi nhu cầu dùng nước tăng lên lớn hơn khả năng cung cấp của một máy
bơm nước và nhỏ hơn hoặc bằng khả năng cung cấp của hai bơm thì một bơm
sẽ chạy tối đa với số vòng quay định mức, bơm biến tần bổ sung đầy đủ lưu
lượng theo yêu cầu.
- Khi yêu cầu lưu lượng tăng lên hơn nữa hoặc giảm đi thì việc điều chỉnh cũng
diễn ra tương tự.

1.4: Xác định chu trình cần điều khiển
……..
Tại thời điểm ban đầu khi ấn nút Start, hệ thống sẽ bắt đầu hoạt động. Trạng thái của
các cảm biến áp suất, lưu lượng sẽ được đọc về và xử lí theo thuật toán sau:
- Biến tần cấp nguồn, khởi động bơm 3với công suất định mức.
- Cảm biến áp suất, lưu lượng cuối đường ống đo giá trị áp suất, lưu lượng và
gửi về trạm điều khiển.
- Trạm điều khiển tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến và so sánh với giá trị đặt.
- Nếu tín hiệu từ cảm biến lớn hơn giá trị đặt, mạch điều khiến sẽ tính toán sự
chênh lệch với tín hiệu đặt và đưa tín hiệu điều khiển xuống biến tần. Biến tần sẽ điều

khiển bơm 3 giảm công suất theo tín hiệu từ trạm điều khiển đưa xuống
- Nếu tín hiệu từ cảm biến nhỏ hơn giá trị đặt, mạch điều khiển sẽ đưa tín hiệu
cho biến tần khởi động bơm 3, bơm 4 ở chế độ chờ. Khi bơm 3 đạt tới tốc độ tối đa,
bơm 4 bắt đầu hoạt động tới khi bể đầy
- Nếu tín hiệu từ cảm biến bằng giá trị đặt, 2 bơm ngưng hoạt động
- Lúc này bơm 3 hoạt động với công suất định mức và bơm 4 hoạt động với
công suất do biến tần điều khiển
- Cảm biến tại cuối đường ống liên tục đo tín hiệu và gửi về trạm điều khiển.
Trạm điều khiển tiếp tục tính toán và gửi tín hiệu điều khiển xuống biến tần để điều
khiển bơm.

13


Phần 2: Vẽ sơ đồ ghép nối hệ thống với PLC
2.1: Xác định các biến cần điều khiển
Biến vào
Start
Stop
CB1(mức)
CB2(mức)
CB3(mức)
CB4(mức)
CB5(áp suất)

Biến ra
Bom1
Bom2
Bom3
Bom4

2.2: Lập bảng địa chỉ
INPUT
Start
Stop
CB1
CB2
CB3
CB4
CB5

OUTPUT
I0.0
I0.5
I0.1
I0.2
I0.3
I0.4
I0.5

Bom1
Bom2
Bom3
Bom4

14

Q0.1
Q0.2
Q0.3

Q0.4


2.3: Vẽ sơ đồ đấu dây

Phần 3: Thiết lập lưu đồ thuật toán
CB1 tắt  Chạy bơm 1
CB2 bật  Dừng bơm 1
CB3 tắt  Chạy bơm 2
CB4 bật  Dừng bơm 2

15


2
Begin
CB5<20
ON=1,OFF=0
&
CB1=0
CB2=0

S

S

Đ
Bom4=1

Đ

Bom1=1

CB1=1&
CB2=1
Đ

CB5=50

S

Đ

S

Bom3=0
Bom4=0

Bom1=0
OFF=1
CB3=0&
CB4=0
Đ

S

Đ
Bom1=0,Bom2=0
Bom3=0,Bom4=0

Bom2=1

End
CB1=1&
CB2=1

S

Đ
Bom2=0

CB5<50

S

Đ
Bom3=1
2

16

S


Phần 4: Viết chương trình điều khiển trên PLC

17


Biến đổi tín hiệu từ cảm biến từ Int sang Real

18