Đề tài: Đo điều khiển và cảnh báo lưu lượng trên đường ống

Thành viên: 

1

1.

Nguyễn Thành Luân

2.

Thân Hồng Anh

3.

Hoàng Huỳnh Đức

4.

Phan Văn Linh

5.

Đỗ Trọng Hải


Mục Lục

2


Chương 1: Cơ sở lý thuyết

1.1 Mục đích của đề tài

Mục đích của đề tài là: “ Đo, điều khiển và cảnh báo lưu lượng trên 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 cảm biến lưu lượng trong đường ống đưa về.
1.2 Phương pháp đo lưu lượng
1.2.1

Khái quát

Lưu lượng chất lưu là lượng chất lưu chảy qua tiết diện ngang của ống 
trong một đơn vị thời gian. Tùy theo đơn vị tính lượng chất lưu (theo thể tích hoặc 
theo khối lượng) người ta phân biệt:
Lưu lượng thể tích Q tính bằng m3/s, m3/giờ,….
Lưu lượng G tính bằng kg/s, kg/giờ,…
Lưu lượng trung bình trong khoảng thời gian ∆t= t2­ t1 xác định bởi biểu thức:
Qtb=  hoặc Gtb= 
Trong đó: ∆V, ∆m: thể tích và khối lượng chất lưu chảy qua ống trong thời gian 
khảo sát.
Lưu lượng nước tức thời được tính theo công thức:
Q= hoặc G= 
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

Phương pháp đo lưu lượng

1. Đo lưu lượng theo nguyên lý chênh áp (Differential Pressure)

3


2. Đo lưu lượng theo nguyên lý Vortex
3. Đo lưu lượng theo nguyên lý từ tính
4. Đo lưu lượng theo nguyên lý chiếm chổ ( Positive Displacement Sensor)\
5. Đo lưu lượng theo nguyên lý Turbine
6. Đo lưu lượng theo nguyên lý gia nhiệt
7. Đo lưu lượng theo nguyên lý Coriolis

1.2.3

Các cảm biến đo lưu lượng

1) Công tơ thể tích

Công tơ thể tích đo thể tích chất lưu chảy qua công tắc tơ bằng cách đếm trực 
tiếp lượng thể tích đi qua buồng chứa có thể tích xác định của công tắc tơ.

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý của công cơ thể tích
Công tơ gồm hai bánh răng hình ovan 1 và 2 truyền động ăn khớp nhau. Dưới 
tác động của dòng chất lỏng, bánh răng 2 quay và truyền động tới bánh răng 1 cho 
đến lúc bánh răng 2 ở vị trí thẳng đứng, bánh răng 1 nằm ngang. Chất lỏng thể tích 

V1 được đẩy sang cửa ra và sau đó bánh răng 1 quay, quá trình tương tự lặp lại, thể 
tích chất lỏng trong buồng V2 được đẩy sang cửa ra. Trong một vòng quay của 
công tơ thể tích chất lỏng qua công tơ bằng 2 lần V1+ V2. Trục của một trong 2 
bánh răng lien kết với cơ cấu đém đặt ngoài công tơ.
Để đếm số vòng quay và chuyển thành tín hiệu điện, người ta dung 1 trong 3 cách 
sau:
­

4

Dùng một nam châm nhỏ gắn trên trục quay của công tơ. Khi nam châm đi 
qua một cuộn dây đặt cố định sẽ tạo ra xung điện. đếm số xung điện theo 
thời gian sẽ tính được tốc độ quay của trục công tơ.


­

 Dùng tốc đọ kế quang

­

Dùng mạch đo thích hợp để đo tần số hoặc điện áp

Giới hạn công tơ loại này từ 0,01­ 250 m3/h, sai số từ 0,5­ 1%, tổn thất áp suất nhỏ 
nhưng chất lỏng phải được lọc tốt và không gây ồn khi đo.

2) Công tơ tốc độ

Công tơ tuabin hướng trục như trên hình dưới đây:

Hình 1.2: Công tơ tốc độ tuabin hướng trục
1: Bộ chỉnh dòng chảy 2: Tuabin hướng trục
3: Bộ truyền bánh răng­ trục vít 4: Thiết bị đếm
Bộ chỉnh dòng chảy để san phẳng dòng chảy rối và loại bỏ xoáy

5


Tốc độ quay của công tơ tỷ lệ với tốc độ dòng chảy:
N= k.W
Trong đó: 
k: Hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào cấu tạo của công tơ
W: Tốc độ dòng chảy
Lưu lượng thể tích chất lưu chảy qua công tơ:
Q= W.F= .n
Với:
F: Tiết diện dòng chảy
n: Tốc độ quay của tuabin
Nếu dung cơ cấu đếm để đếm tổng số vòng quay của công tơ trong 1 khoảng 
thời gian sẽ nhận được thể tích đong chảy qua công tơ.
Công tơ tuabin hướng trục với đường kính tuabion từ 50­300 mm có phạm vi đo 
từ 50­ 300 m3/h, cấp chính xác 1; 1,5
3) Lưu lượng kế điện từ

Nguyên lý hoạt động của lưu lượng kế điện từ dựa trên hiện tượng cảm biến 
điện từ
Khi có chất lưu dẫn điện chảy qua ống, trong chất lưu xuất hiện một sức điện 
động cảm ứng:
E= B.W.D= .Q
Trong đó: 

B: Cường độ từ trường
W: Tốc độ trung bình của dòng chảy
D: Đường kính trong của ống
Q: Lưu lượng thể tích chất lưu
Khi B= h/s thì E tỷ lệ với Q
Đặc điểm:
­

6

Đo lưu lượng chất lỏng dẫn điện không nhỏ hơn 10­5­ 10­6 simen/m


­

Đo lưu lượng không cần đo tỷ trọng của chất lỏng, các phần tử bọt khí, hạt 
nếu không làm ảnh hưởng đến độ dẫn điện thì cũng không ảnh hưởng đến 
kết quả đo

­

Với ống có đường kính từ 10­ 1000 mm có thể đo lưu lượng từ 1­ 2500 m3/h 
với vận tốc dòng chảy từ 0,6­ 10 m/s và độ chính xác 1; 2,5

Hình 1.3: Cấu tạo nguyên lý của lưu lượng kế điện từ
1,2: Điện cực 3: Ống dẫn chất lỏng 4: mV 5: Nam châm

4) Đo lưu lượng bằng sự thay đổi nhiệt độ

Nguyên tắc:

­

 Một đầu đốt nóng làm giá trị điện trở Sensor tăng và mạch cầu là cân bằng

­

 Khi có dòng chảy lưu chất, nhiệt độ trên Sensor sẽ giảm nên mạch cầu mất 
cân bằng

­

 Đo điện áp ngõ ra sẽ xác định được tốc độ của dòng chảy

Q=  = A. = A.V

Trong đó: A: Tiết diện
V: Vận tốc dòng chảy

7


Hình 1.4: Cấu tạo và nguyên lý của đo lưu lượng bằng sự thay đổ nhiệt độ
5) Đo lưu lượng dựa trên sự chênh lệch áp suất
  Ống co Venturi

Phương pháp đo lưu lượng bằng ống co dựa trên định luật lien tục và 
phương trình năng lượng của Bernoulli
Phương trình liên tục:
A1u1ρ= A2u2ρ
Phương trình Bernoulli:

p1+ ρ.g.h1+ . = p2+ ρ.g.h2+ .
áp dụng cho trường ống co venture:
p1+ . = p2+ .
Ở nơi diện tích ống bị thu nhỏ, vận tốc dòng chảy gia tăng. Với phương 
trình năng lượng của Bernoulli, năng lượng dòng chảy là tổng năng lượng áp 
suất tĩnh và động năng là một hằng số.
∆p= p1­ p2=  (
Lưu lượng tính theo thể tích và khối lượng được tính theo công thức sau:
QV= A2.u2= α.A2.. = α.k.
Qm= A2.u2.ρ= α.A2.. = α.k
→ Lưu lượng tỷ lệ với căn bậc hai của hiệu áp khi khối lượng riêng là hằng 
số.
  Pitot tube

8


Nguyên tắc hoạt động:
p1+ . = p2+ .
trong đó: 
p1: Áp suất tĩnh trong dòng chảy của lưu chất ống dẫn
p2: Áp suất dẫn trong pitot tube
v1: Vận tốc dòng chảy
v2: Vận tốc dòng chảy ở vị trí động
ρ: Khối lượng riêng của lưu chất
Lưu lượng được tính theo thể tích và khối lượng như sau:
Qv= A.v1= A.
Trong thực tế pitot tube có thể được tích hợp trong cùng một khối, bộ phận 
đo tổng áp suất tĩnh và động năng với bộ phận đo áp suất tĩnh được đặt trong 
cùng một thiết bị.

6) Đo lưu lượng bằng phương pháp siêu âm

Sensor siêu âm được dùng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và sinh 
học để đo dòng chảy. Các cảm biến loại này là thiết bị đo áp điện phát ra các 
xung ngắn của song âm để xác định tần số âm thanh của dòng trong khoảng 
nghe được.
Nguyên lý hoạt động dựa trên truyền song siêu âm giữa 2 điểm. Thời gian 
truyền song giữa 2 điểm sẽ thay đổi ứng với tốc độ trung bình của dòng chảy. 
Hay nói cách độ chênh lệch về thời gian truyền xuôi và truyền ngược tỷ lệ 
trực tiếp với tốc độ dòng chảy.
Sử dụng phương pháp siêu âm có ưu điểm là đo được cả chất lỏng và chất 
khí, tuy nhiên phương pháp này bị hạn chế khi chất lỏng có lẫn tạp chất rắn 
và không đo được khi có các bọt khí.
→ Từ những phương pháp đo lưu lượng trên, ta chọn phương pháp đo lưu 
lượng bằng cảm ứng điện từ vì phương pháp này có những ưu điểm sau:
­

Khoảng đo rộng và độ chính xác cao

­

Có thể đo được chất lỏng dơ bẩn, môi trường độc hại dơ bẩn cao

­

Mặt cắt của dòng chảy không bị thu hẹp bởi các ống blende hay ống phun

1.3 Tìm hiểu về PLC­ S7­200

9

1.3.1

Khái quát về PLC

PLC là các bộ điều khiển logic khả trình, tiếng anh là: "Programmable Logic 
Controller", PLC được xếp vào trong họ máy tính, được sử dụng trong các ứng 
dụng công nghiệp và thương mại.
PLC đặc biệt sử dụng trong các ứng dụng hoạt động logic điều khiển chuỗi 
sự kiện, duy trì biến số theo giá trị không đổi hoặc hàm cho trước.
PLC có đầy đủ chức năng và tính toán như vi xử lý, ngoài ra PLC có tích hợp 
thêm một 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 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 chóng thay đổi cấu trúc của mạch điều khiển

­

PLC có chức năng kiểm tra lỗi, chẩn đoán lỗi

­

Có thể nhân đôi các ứng dụng nhanh và ít tốn kém

Một PLC cơ bản gồm:
1. Bộ nguồn: cung cấp thiết bị và các module mở rộng được kết nối vào.
2. CPU: thực hiện chương trình và dữ liệu để điều khiển tự động tác vụ hoặc 

quá trình.
3. Vùng nhớ
4. Các ngõ vào, ra: gồm các ngõ vào, ra số, ngõ vào ra tương tự. các ngõ dung 

để quan sát tín hiệu từ bên ngoài đưa vào. Ngõ ra dung để điều khiển các 
thiết bị ngoại vi trong quá trình.

5. Các cổng, module truyền thông: dung để nối CPU với các thiết bị khác để 

kết nối thành mạng, xử lý thực hiện truyền thông giữa các trạm trong mạng

6. Các loại module chức năng:

Phân loại PLC
PLC được phân làm 2 loại theo phần cứng:
 PLC kiểu hộp đơn ( thường sử dụng trong các thiết bị lập trình cỡ nhỏ)
 PLC kiểu module ( gồm các module riêng cho bộ nguồn, bộ xử lý…)

10

CPU thường có:
­

Bộ thuật toán logic

­

Bộ nhớ

­

Bộ điều khiển

Cấu trúc bên trong của PLC

Hình 1.5: Cấu trúc bên trong của PLC
Một hệ thống lập trình cơ bản phải gồm có 2 phần:
 Khối xử lý trung tâm CPU
 Hệ thống giao tiếp vào ra

Trong đó: 
  Thiết bị đầu vào gồm các thiết bị tạo ra tín hiệu điều khiển

11


 Input, Output các cổng nối vào ra của PLC hay các module mở rộng
 Cơ cấu chấp hành gồm các thiết bị điều khiển 
 Chương trình điều khiển

 Khối điều khiển trung tâm gồm 3 phần: bộ xử lý, hệ thống bộ nhớ và hệ 

thống cung cấp nguồn

Hình 1.6: Sơ đồ khối tổng quát CPU
Có nhiều loại bộ nhớ để người dung lựa chọn theo mục đích hay yêu cầu sử 
dụng:
1. ROM: Bộ nhớ chỉ đọc không nhớ, dung lưu trữ chương trình cố định, 

không thay đổi thường dung cho nhà sản xuất PLC

2. RAM: Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên dung để lưu dữ liệu và chương trình 

cho người sử dụng

3. EPROM: ROM lập trình có thể xóa được
4. EEPROM: electrically EPROM
 PLC S7­200 CPU­ 224 AC/ DC/ RELAY

12


Hình 1.7: S7­200 CPU­ 224
CPU được cấp nguồn 220V AC. Tích hợp 14 ngõ vào số ( mức 1 là 24V DC­ mức 0 
là 0V DC) và 10 ngõ ra dạng rơ­le
 Mô tả đèn báo trên S7­ 200

SF (đèn đỏ): báo hiệu khi PLC bị hỏng hóc
RUN (đèn xanh): báo hiệu PLC đang ở chế độ làm việc thực hiện 
chương trình nạp ở trong máy

STOP (đèn vàng): báo hiệu PLC 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 
Qx.x (đèn xanh): chỉ trạng thái logic tức thời của cổng Qx.x 
 Cách đấu nối ngõ vào ra của PLC

13


Hình 1.8: Cách đấu nối S7­ 200 và các module mở rộng
S7­ 200 và các module vào ra được nối với nhau bằng dây nối. Hai đầu dây 
nối được bảo vệ bên trong PLC và module. Chúng ta có thể kế nối PLC và 
module sát nhau để bảo vệ hoàn toàn dây nối. CPU­ 224 cho phép mở rộng tối 
đa 7 module.

14


1.3.2

Giới thiệu về các module mở rộng

1) .Module EM223 16I/ 16Q DC/ RELAY

Hình 1.9: Hình ảnh Module EM223 16I/ 16Q DC/ RELAY
Module này được gắn thông qua cáp tới CPU­ 224 và sử dụng nguồn trực tiếp 
của CPU
Module có 16 ngõ vào dạng số và 16 ngõ ra dạng rơ­le
Địa chỉ bắt đầu từ I2.0 cho ngõ vào và Q2.0 cho ngõ ra
2) Module EM223 4I/ 4Q DC/ RELAY

15


Hình 1.10: Hình ảnh Module EM223 4I/ 4Q DC/ RELAY
Module này tích hợp 4 ngõ vào dạng số và 4 ngõ ra dạng rơ­le
Địa chỉ bắt đầu I0.4 ở ngõ vào và Q0.4 ngõ ra

3) Module analog EM235

Hình 1.11: Hình ảnh Module analog EM235

 Đặc tính kỹ thuật.

Số lượng ngõ vào: 3
16


Số lượng ngõ ra   : 1
Thông số ngõ ra:
­ Điện áp:10V, độ phân giải 12 bits
­ Dòng điện: 0 – 20mA, độ phân giải 11bits
Thông số ngõ vào:
­Điện áp tối đa 30V, độ phân giải 12 bits
­Dòng điện tối đa 32mA, độ phân giải 12bits
Giá trị số: ­32000 đến 32000 : có dấu
0 đến 32000
: không dấu
 Nguyên tắc đầu vào của MODULE ANALOG

Hình 1.12: Nguyên tắc đầu vào của MODULE ANALOG

17


 Nguyên lý đầu ra của MODULE ANALOG:

Hình 1.13: Nguyên lý đầu ra của MODULE ANALOG
Định dạng dữ liệu đầu vào.
 Dữ liệu đầu vào:
 Đối với dải tín hiệu đo không đối xứng (0­10V, 0­20mA):

MSD
15
0

LSB
14

Dữ liệu 12 bits

3
0

2
0

1

0

0

Modul Analog Input của S7­200 chuyển dải tín hiệu đo đầu vào (áp, dòng) 
thành giá trị số từ 0­ 32000
 Đối với dải tín hiệu đo đối xứng(Ví dụ ±10V, ±10mA):

MSB

18

LSB


Dữ liệu 12 bit

0

0

0

0

Modul Analog Input của S7­200 chuyển dải tín hiệu đo đầu vào áp, dòng 
thành giá trị số từ 0 ­32000/32000
 Cài đặt tầm hoạt động:

 Cài đặt các switch 1, 3, 5, 7, 9 cho phép thay đổi giới hạn đo của chuyển đổi.

 Điều chỉnh độ lợi và offset

19


1. Tắt nguồn của Modul, chọn tầm ngõ và thích hợp.
2. Cấp nguồn cho CPU vàModul. Để cho modul ổn định trong vòng 15 phút.
3. Sử dụng máy phát tín hiệu, nguồn áp hoặc nguồn dòng đặt tín hiệu có giá trị 

bằng 0 tới một trong những đầu nối của ngõ vào.
4. Đọc giá trị thu được cho CPU bằng kênh ngõ vào thích hợp.
5. Điều chỉnh OFFSET của máy đo điện thế cho đến khi băng 0, hoặc giá trị dữ 

liệu dạng số mong muốn.
6. Kết nối một giá trị toàn thang tới một trong những đầu nối của ngõ vào. Đọc 

dữ liệu thu được cho CPU.
7. Điều chỉnh GAINcủa máy đo điện thế cho đến khi bằng 32000, hoặc giá trị 

dữ liệu dạng số mong muốn.
8. Lặp lại sự chỉnh định OFFSET và GAIN theo yêu cầu.

20


Chương 2: Thiết kế hệ thống
 Trong đề tài ứng dụng PLC đo, điều khiển và cảnh báo lưu lượng trên đường ống, 
chúng em áp dụng đề tài này vào trạm cấp nước của trường Đại Học Công Nghiệp 
Hà Nội.

Hình 2.1: Sơ đồ khối cấp nước của toàn trường ĐHCNHN

21


Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống
 Nguyên tắc điều khiển trong hệ thống

Đầu ra của PLC được nối với biến tần để điều khiển biến tần và từ đây 
biến tần điều khiển tốc độ động cơ.
Khi sử dụng thiết bị biến tần cho phép điều khiển một cách linh hoạt lưu 
lượng và áp lực cấp vào mạng lưới theo yêu cầu tiêu thụ.
Với tín hiệu từ cảm biến lưu lượng truyền vể PLC, PLC sẽ so sánh giá trị 
truyền về này với giá trị đặt để từ đó ra lệnh cho biến tần giúp thay đổi tốc độ 
động cơ bằng các thay đổi tần số dòng điện đưa vào động cơ để đảm bảo lưu 
lượng trong đường ống là luôn ổn định.
 Mô tả công nghệ:

Trong hệ thống ta sử dụng 1 máy bơm ba pha. Biến tần sẽ điều khiển trực 
tiếp  máy bơm ba pha.
Khi khởi động hệ thống nên thì máy bơm ba pha được điều khiển trực tiếp 
từ biến tần sẽ khởi động chạy cho đến khi đạt được lưu lượng đặt. khi lưu 
lượng trên đường ống bằng lưu lượng đặt thì biến tần sẽ giữ ổn định tốc độ 
động cơ của máy bơm chính.

22


Khi tải thay đổi:
TH1: Tải tăng lên (lưu lượng trên đường ống sẽ giảm) → Muốn ổn định lưu 
lượng thì biến tần sẽ điều chỉnh máy bơm ba pha chạy nhanh lên cho đến 

khi bằng với lưu lượng đặt.
TH2: Tải giảm đi (lưu lượng trên đường ống tăng lên) → Muốn ổn định lưu 
lượng thì biến tần sẽ điều chỉnh tốc độ động cơ của máy bơm ba pha chạy 
chậm lại cho đến khi lưu lượng trên đường ống bằng với lưu lượng đặt.
Hệ thống cứ hoạt động liên tục như vậy, tránh tình trạng lưu lương trên đường 
ống tăng lên quá cao gây vỡ đường ống. 
2.1 Lựa chọn thiết bị và giới hạn tham số
2.1.1 Cảm biến lưu lượng kế điện từ ADMAG AE
 Nguyên lý làm việc dựa trên định luật cảm ứng điện từ FARADAY
Dùng một chất lỏng dẫn điện chạy qua giữa hai cực từ của một nam châm và 
đo sức điện động sinh ra trong chất lỏng thì có thể xác định được tốc độ của dòng 
chảy hay lưu lượng.

Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động của cảm biến lưu lượng
Nhiễu và chống nhiễu: Khi đo các chất lỏng bằng lưu lượng kế điện từ, độ 
chính xác của lưu lượng kế có thể thay đổi phụ thuộc vào độ dẫn điện. Mối quan 
hệ giữa độ chính xác và độ dẫn điện được miêu tả như hình dưới đây:
( Độ dẫn điện của chất lỏng phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ)

23


Hình 2.3: Mối quan hệ giữa độ chính xác và độ dẫn điện
Một nguyên nhân khác cũng dẫn đến sai lệch về độ chính xác của phép đo là 
ảnh hưởng của các chất ăn mòn do trong quá trình hoạt động lâu ngày bám lên điện 
cực.
 Ta chọn loại cảm biến lưu lượng kế điện từ:

Hình 2.4: Lưu lượng kế điện từ
Thông số:

Nhà sản xuất: Flowtech (công nghệ Mỹ, SX Chinna)
Mô hình: KF700
Loại: Compact
Liệu nút điện: SS316L
Liệu lót: cao su cloropren
Lớp bảo vệ: IP65
Nhiệt độ làm việc: 65 ° C
Áp suất làm việc: 1MPa
24


Nguồn cung cấp: DC24V
Output: 4 ­ 20mA + Pulse
Input: 0­600l/p
Chất lỏng: nước, nước thải
 Cách lắp đặt:

Hình 2.5: Khoảng cách hợp lý khi đặt lưu lượng kế điện từ

Hình 2.6: Vị trí lắp đặt hợp lí cho lưu lượng kế điện từ

25