Mô hình ổn định áp suất dùng plc siemens s7 1200 và hệ thống giám sát bằng wincc kết hợp webserver

Lê Quang Chương
Trần Như Đức

Khóa luận tốt nghiệp

Lời mở đầu
Tồn cầu hóa đang diễn ra mạnh mẽ và là một xu thế tất yếu đối với sự phát triển
của thế giới ngày nay. Vai trị của nó đang ngày càng được khẳng định trong việc thúc
đẩy sự giao lưu kinh tế, văn hóa xã hội… và đặc biệt là trong lĩnh vực khoa học và cơng
nghệ. Trong tiến trình phát triển kinh tế thế giới, khoa học và công nghệ ln đóng một
vai trị quan trọng trong việc nâng cao năng suất lao động và hiệu quả sản xuất; hiển
nhiên trong bối cảnh tồn cầu hóa lĩnh vực này cũng chịu những ảnh hưởng không nhỏ,
nhất là ở các nước đang phát triển như Việt Nam. Trong sự phát triển của khoa học cơng
nghệ ngành tự động hóa là một trong những ngành nghề đang được ưu tiên phát triển
hàng đầu tại Việt Nam và đã đạt được nhiều thành tựu ứng dụng trong các lĩnh vực khác
nhau. Bao gồm cơ khí, thủy lực, y tế, cơng nghiệp, điện, điện tử... Chẳng hạn như điều
khiển tự động các hệ thống bơm tự động, thống xy lanh thủy lực, các dây chuyền sản
xuất, gia cơng, lắp ráp. Chính vì thế nên khơng khó để tìm thấy các thiết bị tự động hóa
như PLC, biến tần… được ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất và nhiều hệ thống
tự động khác. Bên cạnh đó, việc giá thành của các thiết bị như PLC, biến tần,…đang
ngày càng trở nên dễ tiếp cận hơn, việc áp dụng chúng vào thực tế cuộc sống là điều
hồn tồn có thể.
Từ những thực tế đó, với mong muốn được nghiên cứu và tìm hiểu mơ hình tự
động hóa đặc biệt là PLC đã thơi thúc chúng em lên dự định để thực hiện một đề tài liên
quan đến PLC. Với những kiến thức được học khi còn ngồi tại ghế nhà trường và những
hiểu biết nhất định cộng với sự đam mê nghiên cứu các thiết bị mới chúng em đã quyết
định chọn đề tài “MƠ HÌNH ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT DÙNG PLC SIEMENS S7-1200
VÀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT BẰNG WINCC KẾT HỢP WEBSERVER” làm chuyên
đề khóa luận tốt nghiệp của chúng em. Trong quá trình thực hiện khóa luận khơng tránh
khỏi những thiếu sót kính mong q thầy cơ góp ý để chúng em được hồn thiện hơn.

III


Lê Quang Chương
Trần Như Đức

Khóa luận tốt nghiệp

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1 .....................................................................................................................1
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .............................................................................................1
1.1. Đặt vấn đề ...........................................................................................................1
1.2. Lí do chọn đề tài..................................................................................................2
1.3. Mục tiêu của đề tài ..............................................................................................2
1.4. Mô tả hoạt động của hệ thống .............................................................................2
1.5. Giới hạn đề tài thực hiện. ....................................................................................3
1.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ............................................................4
1.7. Nội dung đề tài ....................................................................................................4
CHƯƠNG 2 .....................................................................................................................5
TRẠM BƠM CẤP NƯỚC ..............................................................................................5
2.1. Giới thiệu ............................................................................................................5
2.2. Thực trạng và nhu cầu .........................................................................................5
2.3. Vấn đề điều khiển lưu lượng ...............................................................................6
2.4. Điều khiển áp suất đường ống thông qua biến tần ..............................................7
2.4.1.Nguyên lý làm việc...................................................................................... 7
2.4.2.Ưu điểm của phương pháp dùng biến tần ................................................... 7
CHƯƠNG 3 .....................................................................................................................8
TÌM HIỂU PLC S7-1200 ................................................................................................8
3.1.Giới thiệu .............................................................................................................8
3.2. Quá trình phát triển của kỹ thuật điều khiển .......................................................8

3.2.1. Hệ thống điều khiển là gì? .......................................................................... 8
3.2.2. Hệ thống điều khiển dùng rơle điện .......................................................... 8
3.2.3. Hệ thống điều khiển dùng PLC .................................................................. 9
3.2.4. Điều khiển dùng PLC ................................................................................. 9
IV


Lê Quang Chương
Trần Như Đức

Khóa luận tốt nghiệp

3.3. Cấu trúc phần cứng ...........................................................................................11
3.3.1. Bộ điều khiển lập trình (PLC) .................................................................. 11
3.3.2. Các thành phần CPU ................................................................................ 12
3.3.3. Kết nối và điều khiển................................................................................ 13
3.3.4. Truyền thông của PLC ............................................................................. 16
CHƯƠNG 4 ...................................................................................................................17
CÁCH SỬ DỤNG PHẦN MỀM LẬP TRÌNH .............................................................17
4.1. Giới thiệu về các cơng cụ phần mềm lập trình .................................................17
4.2. Cách tạo một dự án đơn giản ............................................................................17
4.3. Cách download/ upload chương trình giữa PLC và thiết bị lập trình ...............21
4.3.1. Cách download chương trình từ máy tính xuống PLC............................. 21
4.3.2. Cách upload chương trình từ PLC xuống máy tính ................................. 21
4.4. Ngơn ngữ lập trình của PLC .............................................................................21
4.4.1. Các loại ngơn ngữ lập trình PLC .............................................................. 22
4.4.2. Các lệnh lập trình cho PLC S7 ................................................................. 22
4.4.4. Bộ điều khiển PID .................................................................................... 25
CHƯƠNG 5 ...................................................................................................................32
ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT BẰNG WINCC RUNTIME VÀ ỨNG DỤNG CHỨC

NĂNG WEBSERVER TRONG PHẦN MỀM TIAPORTAL CỦA SIEMENS HỔ TRỢ
.......................................................................................................................................32
5.1. Hệ thống điều khiển giám sát bằng WinCC......................................................32
5.1.1. Giới thiệu .................................................................................................. 32
5.1.2. Phương pháp kết nối và cách thức hoạt động, điều khiển và giám sát .... 33
5.1.3. Ứng dụng và ưu điểm của hệ thống WinCC ............................................ 35
5.2. Webserver User-defined web pages..................................................................36
5.2.1 Giới thiệu về User-defined web pages ...................................................... 36
5.2.2. Cách kết nối và đăng nhập ....................................................................... 36
V


Lê Quang Chương
Trần Như Đức

Khóa luận tốt nghiệp

5.2.3. Ngơn ngữ lập trình và tạo HTML ............................................................ 38
4.2.4. Ứng dụng và ưu điểm của Webserver ...................................................... 39
CHƯƠNG 6 ...................................................................................................................40
GIỚI THIỆU BIẾN TẦN EMERSON M200 – 012 00042 A ......................................40
6.1. Thông số kĩ thuật...............................................................................................40
6.2. Sơ đồ và chức năng các đầu nối. .......................................................................41
6.3. Cách vận hành ...................................................................................................42
6.4. Bảng các lệnh và giá trị mặc định ban đầu .......................................................43
CHƯƠNG 7 ...................................................................................................................44
THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH BƠM CẤP NƯỚC, ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT
NƯỚC VÀ GIÁM SÁT BẰNG WINCC VÀ ỨNG DỤNG WEBSERVER ...............44
7.1. Khái quát hệ thống ............................................................................................44
7.1.1. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của mơ hình .................................................. 44

7.1.2. Lưu đồ điều khiển ..................................................................................... 46
7.2. Tính tốn lựa chọn thiết bị. ...............................................................................48
7.2.1. Tính tốn chọn bơm.................................................................................. 48
7.2.2. Tính tốn chọn CB ................................................................................... 51
7.3. Thi cơng mơ hình ..............................................................................................51
7.3.1. Tính tốn khối lượng thiết bị .................................................................... 51
7.3.2. Thi cơng mơ hình...................................................................................... 53
7.3.3. Lập trình điều khiển.................................................................................. 56
7.3.4. Giám sát hệ thống bằng WinCC Runtime ................................................ 58
7.3.5. Điều khiển giám sát hệ thống bằng Webserver ........................................ 59
CHƯƠNG 8 ...................................................................................................................64
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .............................................64
8.1. Kết luận ............................................................................................................64
8.2. Hướng phát triển của đề tài ...............................................................................64
VI


Lê Quang Chương
Trần Như Đức

Khóa luận tốt nghiệp

Phụ lục

............................................................................................................ 66

Tài liệu tham khảo ............................................................................................. 67
Lời cảm ơn ........................................................................................................ 68

VII

Lê Quang Chương
Trần Như Đức

Khóa luận tốt nghiệp

Mục lục hình ảnh
Hình 2. 1 Một trạm bơm cấp nước .......................................................................5
Hình 3. 1 PLC S7-1200 1211C DCDCDC ........................................................... 9
Hình 3. 2 Sơ đồ điều khiển của PLC ................................................................. 10
Hình 3. 3 Module mở rộng SB 1232 AO ........................................................... 12
Hình 3. 4 Phương thức cấp nguồn cho PLC ....................................................... 13
Hình 3. 5 Kết nối ngõ vào cho PLC ................................................................... 14
Hình 3. 6 Các ngõ ra trên chân PLC .................................................................. 15
Hình 5. 1 Giám sát bằng Wincc Runtime ........................................................... 32
Hình 5. 2 Kết nối giữa PLC và HIM. ................................................................. 33
Hình 5. 3 Truyền thơng giữa PLC với các thiết bị ngoại vi. .............................. 34
Hình 5. 4 Tạo kết nối giữa PLC và HMI. ........................................................... 35
Hình 5. 5 Thiết kế màng hình hiển thị Screen với cơng cụ Toolbox. ................ 36
Hình 5. 6 Kết nối các trạm PLC với điện thoại thông qua cổng Ethernet. ......... 37
Hình 5. 7 Giao diện đăng nhập ban đầu. ............................................................ 38
Hình 5. 8 Giao diện User-defined pages sau khi đăng nhập. ............................. 38
Hình 5. 9 Lập trình HTML ................................................................................. 39
Hình 6. 1 Biến tần Emerson M200 ..................................................................... 40
Hình 6. 2 Mã ghi trên biến tần. ........................................................................... 40
Hình 6. 3 Sơ đồ đấu nối biến tần. ....................................................................... 41
Hình 7. 1 Sơ đồ ngun lý hoạt động của mơ hình. ........................................... 44
Hình 7. 2 Lưu đồ điều khiển ............................................................................... 47
Hình 7. 3 Bơm hãng Ebara. ................................................................................ 48

Hình 7. 4 Hình tra đồ thị chọn bơm hãng Ebara................................................. 49
Hình 7. 5 Trạm bơm PCCC. ............................................................................... 50
Hình 7. 6 Mơ hình bơm nước khi hồn thiện hệ ống. ........................................ 53
Hình 7. 7 Đấu nối các thiết bị trong tủ. .............................................................. 54
Hình 7. 8 Sơ đồ đấu dây các thiết bị trong tủ. .................................................... 54
Hình 7. 9 Mơ hình sau khi gắn tất cả thiết bị lên................................................ 55
Hình 7. 10 Điều khiển giám sát hệ thống bằng Wincc Runtime. ....................... 59
Hình 7. 11 Điều khiển giám sát hệ thống bằng Webserver. ............................... 59

VIII


Lê Quang Chương
Trần Như Đức

Khóa luận tốt nghiệp

Mục lục bảng
Bảng 4. 1 Bảng các phần mềm lập trình hỗ trợ PLC Seimens. .......................... 17
Bảng 4. 2 Các lệnh logic thường dùng trong PLC Semeins. .............................. 22
Bảng 4. 3 Bảng các lệnh relay lập trình trong PLC. ........................................... 23
Bảng 4. 4 Bảng các lệnh điều khiển chương trình.............................................. 24
Bảng 4. 5 Bảng các lệnh lập trình tuần tự. ......................................................... 24
Bảng 4. 6 Bảng ý nghĩa các thông số PID. ......................................................... 25
Bảng 4. 7 Đáp ứng điều chỉnh khi tăng các thông số PID.................................. 29
Bảng 4. 8 Bộ thông số PID theo phương pháp Zieger- Nichols thứ nhất. ......... 30
Bảng 4. 9 Bộ thông số PID theo phương pháp Zieger- Nichols thứ hai.. .......... 30
Bảng 6. 1 Mô tả các thông số cơ bản.................................................................. 43
Bảng 7. 1 Bảng thiết bị sử dụng cho mơ hình. ................................................... 51

IX


Lê Quang Chương
Trần Như Đức

Khóa luận tốt nghiệp

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
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 hồn tồn 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; khả năng định thời, đếm;
giải quyết các vấn đề toán học và công nghệ; khả năng tạo lập, gởi đi, tiếp nhận những
tín hiệu nhằm mục đích kiểm sốt sự kích hoạt hoặc đình chỉ những chức năng của thiết
bị chấp hành hay cả một dây chuyền công nghệ.
PLC ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực tự động hóa, góp phần
quan trọng vào sự nghiệp cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Hiện nay, ở Việt Nam
tồn tại sự có mặt của hầu hết các hãng cung cấp PLC lớn như: Siemens, Rockwell
Automation, Omron, Panasonic, Mitsubisi…
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. Ngồi ý nghĩa về mặt điều khiển, nó cịn 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…Hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất
biến tần với nhiều loại khác nhau (1pha, 3 pha) có nhiều dải cơng suất khác nhau.

Ngày nay, công nghệ biến tần đã cho chúng ta rất nhiều lựa chọn về giải pháp tiết
kiệm bởi nhữngyếu tố như sau:
 Khả năng thay đổi tốc độ: Tiết kiệm rất lớn lượng điện năng tiêu thụ so với khi
chưa gắn.Hệ số công suất ngõ ra rất lớn: 0.98 so với hệ số công suất thực tế tại các nhà
máy hiện nay chỉ đạt khoảng 0.75-0.85.
 Hệ thống khởi động êm hơn, dòng khởi động nhỏ, moment khởi động lớn, bảo
vệ sụt áp, quá áp, quá dòng, quá tải, tăng moment, vượt tốc.....và đặc biệt là kéo dài tuổi
thọ động cơ và hệ thống.

1


Lê Quang Chương
Trần Như Đức

Khóa luận tốt nghiệp

Internet là một hệ thống thơng tin tồn cầu có thể được truy nhập cơng cộng gồm
các mạng máy tính được liên kết với nhau. Hệ thống này truyền thông tin theo kiểu nối
chuyển gói dữ liệu (packet switching) dựa trên một giao thức liên mạng đã được chuẩn
hóa (giao thức IP). Hệ thống này bao gồm hàng ngàn mạng máy tính nhỏ hơn của các
doanh nghiệp, của các viện nghiên cứu và các trường đại học, của người dùng cá nhân
và các chính phủ trên tồn cầu. Sự phát triển nhanh của internet và đặt biệt là điện thoại
thông minh đã cho ta thêm giải pháp điều khiển và giám sát thông minh từ xa.
Wi-Fi viết tắt từ Wireless Fidelity hay mạng 802.11 là hệ thống mạng khơng dây
sử dụng sóng vơ tuyến, giống như điện thoại di động, truyền hình và radio.
1.2. Lí 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, khách sạn và tòa nhà cao tầng, hệ thống phân
phối nước sạch trong mạng lưới cấp nước sinh hoạt, các trạm cấp nước nông thôn… 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 Y/∆ 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 sốt được áp suất trong đường ống nước.
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 sẽ tìm hiểu và ứng dụng PLC S7-1200, Win
CC, hệ thống điều khiển không dây và biến tần trong điều khiển và giám sát tốc độ động
cơ tiết kiệm năng lượng cho các máy bơm nước và ổn định áp suất trong đường ống cấp
nước.
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.
Sử dụng ứng dụng WinCC của siemens hỗ trợ để điều khiển giám sát quá trình
hoạt động của hệ thống bằng máy tính.
Ứng dụng mạng khơng dây Wifi và internet để điều khiển và giám sát hệ thống
bằng điện thoại.
1.4. Mô tả hoạt động của hệ thống

2


Lê Quang Chương
Trần Như Đức

Khóa luận tốt nghiệp

Trong hệ thống có tất cả là 2 máy bơm: một máy bơm 1 pha và một máy bơm 3
pha. Biến tần sẽ điều khiển trực tiếp máy bơm 3 pha, một máy bơm 1 pha sẽ được điều
khiển trực tiếp bằng điện lưới 220V để duy trì áp suất trong đường ống..

Khi khởi động hệ thống lên thì máy bơm 3 pha được 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 nhanh 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 3 pha) 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.
Hệ thống cứ hoạt động liên tục như vậy, áp suất trong đường ống luôn luôn ổn
định tránh tình trạng áp suất tăng quá cao sẽ gây vỡ đường ống cấp nước.
Trường hợp bị hết nước đột ngột thì bộ điều khiển có nhiệm vụ ngắt các máy
bơm bảo vệ hệ thống không bị hỏng.
1.5. Giới hạn đề tài thực hiện.
Do kiến thức có hạn, kinh nghiệm thực tế cũng như chi phí cịn hạn chế nên đề
tài chỉ được thực hiện dưới dạng một mơ hình thí nghiệm với 2 bơm có cơng suất nhỏ,
áp suất đặt trong đường ống không lớn (0 – 1 par). Một số cơng việc thực hiện trong đồ
án:
 Tìm hiểu mơ hình bơm cấp nước hoạt động trong thực tế.
 Tìm hiểu và nghiên cứu PLC S7 –1200 cùng một số module xử lý tín hiệu analog.
 Lựa chọn máy bơm và biến tần có cơng suất hợp lý.
 Tìm hiểu về biến tần sử dụng.
 Nắm rõ trình tự điều khiển từng máy bơm.
 Tìm hiểu về giao tiếp PLC với biến tần.


Lập trình PLC.

 Tìm hiểu về khối chức năng và hệ thống giám sát thông qua WinCC.

 Lập trình Webserver để điều khiển từ xa thơng qua mạng Wifi.

3


Lê Quang Chương
Trần Như Đức

Khóa luận tốt nghiệp

1.6. Ý nghĩa khoa học và 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 mơ vừa và lớn thì PLC được sử dụng làm thiết bị điều khiển cho toàn hệ
thống. Thiết bị điện tử công suất ngày càng được quan tâm nhờ khả năng linh hoạt trong
điều khiển, hiệu suất làm việc cao, công suất tiêu thụ thấp… Hiện nay, công nghệ biến
tần được sử dụng nhiều trong công nghiệp, trong các hệ thống làm lạnh thế hệ mới…
Kết hợp xây dựng một hệ thống điều khiển tự động với các thiết bị điện tử cơng 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 cho các hệ
thống cung cấp nước cho các tòa nhà, khu dân cư, trạm tưới phục vụ nông nghiệp…,
khắc phục được các nhược điểm trong hệ thống cung cấp nước cũ.
1.7. Nội dung đề tài
Phần còn lại của đề tài bao gồm các chương sau:
 Chương 2: Trạm bơm cấp nước, chương này giới thiệu về hệ thống trạm bơm cấp
nước ổn định áp suất sử dụng trên thực tế cho các tịa nhà, xí nghiệp, nhà máy sản xuất.
 Chương 3: Tìm hiểu về PLC S7-1200 và một số module analog. Chương này em
sẽ tìm hiểu về cách kết nối phần cứng PLC với các thiết bị output, input; tập lệnh cơ bản
để viết chương trinh; một số chức năng nâng cao của PLC S7-1200 như hàm phát xung
tốc độ cao, High Speed Counter (HSC); các module xử lý tín hiệu analog cùng với một

số cách thiết lặp của nó.
 Chương 4: Cách sử dụng phần mềm lập trình TIAPortal V14 và các tập lệnh.
 Chương 5: Hê thống giám bằng WinCC và ứng dụng điều khiển từ xa bằng khối
chức năng Webserver do Siemens hỗ trợ.
 Chương 6: Tìm hiểu về biến tần Emerson M200. Chương này em chỉ tìm hiểu cơ
bản sơ đồ đấu nối dây, các chú ý sử dụng, tập lệnh cơ bản để biết cách cài đặt khi sử
dụng vào đề tài.
 Chương 7: Thiết kế và thi cơng mơ hình trạm bơm cấp nước ổn định áp suất. Ở
phần này em sẽ phân tích ngun lý hoạt động của mơ hình, phân chia thành các khối
cụ thể, sau đó là đưa ra sơ đồ giải thuật, viết chương trình điều khiển.
Chương 8: Đưa ra kết luận và hướng phát triển của đề tài.

4


Lê Quang Chương
Trần Như Đức

Khóa luận tốt nghiệp

CHƯƠNG 2
TRẠM BƠM CẤP NƯỚC
2.1. Giới thiệu
Chúng ta luôn bắt gặp những hệ thống bơm nước tuần hoàn trong các nhà máy
sản xuất công nghiệp hay các hệ thống cung cấp nước sinh hoạt trong các cao ốc chức
năng như khách sạn, văn phòng, căn hộ cao cấp,… nơi cần thiết lượng nước sinh hoạt
lớn với nhu cầu (lưu lượng) luôn thay đổi thường xuyên.

Hình 2. 1 Một trạm bơm cấp nước

Việc nghiên cứu sử dụng hiểu quả nguồn điện năng cung cấp cho một nhóm phụ
tải cơng suất lớn và có đặc tính dao động như vậy được quan tâm rất nhiều, nhất là trong
bối cảnh hiện nay khi tiêu chí tiết kiệm điện năng luôn được đề cập đến trong các dự án
lớn.
2.2. Thực trạng và nhu cầu
Do nhu cầu sử dụng nước của các hộ tiêu thụ nước (cơ quan, gia đình, nhà hàng,
khách sạn,…) rất khác nhau trong những thời điểm của ngày (cao điểm và thấp điểm
tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng nước của hộ tiêu thụ), yêu cầu đặt ra là phải giải quyết
được việc tự động ổn định áp suất trên đường ống cấp nước và tiết kiệm năng lượng cho
hệ thống.

5


Lê Quang Chương
Trần Như Đức

Khóa luận tốt nghiệp

Để đáp ứng nhu cầu áp lực nước trong hệ thống luôn đủ khi nhu cầu sử dụng
nước thay đổi bất thường, các bơm trong hệ thống luôn làm việc liên tục ở chế độ đầy
tải. Tuy nhiên điều này dẫn đến một số bất lợi sau:
 Áp lực nước trong hệ thống đôi khi tăng quá cao không cần thiết, một số thời
điểm nhu cầu sử dụng nước giảm xuống nhưng hệ thống bơm vẫn chạy đầy tải. Điều
này gây lãng phí năng lượng rất lớn.
 Các bơm phải chạy liên tục dẫn đến giảm tuổi thọ cơ khí.
2.3. Vấn đề điều khiển lưu lượng
Các trạm bơm nước phổ biến hiện nay đều được thiết kế theo phương pháp truyền
thống với những đặc điểm chính:
 Trạm thường có tối thiểu 2 bơm, cùng cấp nước vào một đường ống chính.

 Các bơm được khởi động trực tiếp hoặc sao/tam giác và tất cả các động cơ đều
hoạt động ở tốc độ định mức.
 Trong q trình trạm bơm hoạt động, thường ln ln để một bơm ở chế độ
dừng (mang tính dự phịng).
 Thay đổi góc mở các van (van tay hoặc van điện) trong trường hợp sự thay đổi
áp lực ở khoảng cho phép.
 Trường hợp áp lực vẫn thiếu hoặc thừa ta có thể ngắt hoặc đóng thêm bơm (có
thể là một hoặc nhiều bơm).
Việc thay đổi áp suất trên đường ống bằng valve hay tắt/mở các bơm có các nhược
điểm:
 Các bơm vẫn chạy đầy tải và liên tục, điều này gây lãng phí năng lượng điện vì
có những thời điểm nhu cầu sử dụng nước giảm xuống thì bơm chỉ cần chạy 50 ÷ 60 %
cơng suất là đã đáp ứng được.
 Việc vận hành khó khăn và tốn chi phí nhân cơng vì phải cần cơng nhân vận hành
trực tiếp điều khiển góc mở valve hoặc tắt mở bơm.
 Các bơm phải chạy liên tục dẫn đến giảm tuổi thọ phần cơ khí.
 Khi thay đổi hệ thống hoặc nhu cầu sử dụng nước tăng lên, chi phí đầu tư sẽ tăng
lên do phải tăng số lượng bơm.
 Khó kiểm sốt áp lực nước làm ảnh hưởng tuổi thọ của đường ống, ảnh hưởng
tuổi thọ các mối nối.

6


Lê Quang Chương
Trần Như Đức

Khóa luận tốt nghiệp

2.4. Điều khiển áp suất đường ống thông qua biến tần

Để đáp ứng được những yêu cầu về cấp nước với áp suất không đổi trong công
nghiệp cũng như trong dân dụng, hiện nay trên thị trường xuất hiện một số dòng biến
tần được thiết kế đặc biệt như CHV 160 (hãng INVT), AVT61 (hãng Altivar), Emerson
…
2.4.1.Nguyên lý làm việc
 Quá trình điều khiển chủ yếu được thực hiện từ PLC, PLC nhận tín hiệu analog
(dạng điện áp 0 – 10V) từ cảm biến áp suất (được gắn trên đường ống chính) đưa về,
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.
 Khi nhu cầu sử dụng nước cao, thì biến tần sẽ tự động điều khiển động cơ quay
ở tốc độ cao để duy trì áp suất. Ngược lại khi nhu cầu sử dụng nước thấp, cần áp lực
thấp, biến tần sẽ điều khiển động cơ giảm tốc độ xuống hoặc dừng hẳn. Khi đó năng
lượng điện được tiết kiệm.
2.4.2.Ưu điểm của phương pháp dùng biến tần
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 cơng.
 Hệ thống bơm được điều khiển hồn tồn tự động, tốc độ bơm có thể thay đổi
một cách linh hoạt.
 Áp suất tồn hệ thống khơng 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 sử dụng thay đổi nhiều.

7


Lê Quang Chương

Trần Như Đức

Khóa luận tốt nghiệp

CHƯƠNG 3
TÌM HIỂU PLC S7-1200
3.1.Giới thiệu
Bộ điều khiển lập trình PLC (Programmable Logic Controller) là loại thiết bị cho
phép thực hiện linh hoạt các thuật tốn điều khiển số thơng qua một ngơn ngữ lập trình,
thay cho việc phải thể hiện thể hiện thuật tốn đó bằng mạch số. Như vậy với chương
trình điều khiển trong mình PLC trở thành bộ điều khiển nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán
và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh (với các PLC khác hoặc
máy tính).
Được sáng tạo từ những ý tưởng ban đầu của một nhóm kỹ sư thuộc hãng
General Motor vào năm 1968. Trong những năm gần đây, bộ điều khiển lập trình được
sử dụng ngày càng rộng rãi trong công nghiệp của nước ta như là một giải pháp lý tưởng
cho việc tự động tự động hóa các q trình sản xuất. Cùng với sự phát triển cơng nghệ
máy tính hiện nay, bộ điều khiển lập trình đạt được những ưu thế cơ bản trong ứng dụng
điều khiển cơng nghiệp.
Như vậy, PLC là một máy tính thu nhỏ nhưng với các tiêu chuẩn công nghiệp cao
và khả năng lập trình logic mạnh. PLC là đầu não quan trọng và linh hoạt trong điều
khiển tự động hóa.
3.2. Q trình phát triển của kỹ thuật điều khiển
3.2.1. Hệ thống điều khiển là gì?
Hệ thống điều khiển là tập hợp các thiết bị và dụng cụ điện tử. Nó dùng để vận
hành một q trình một cách ổn định, chính xác và thông suốt.
3.2.2. Hệ thống điều khiển dùng rơle điện
Sự bắt đầu về cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật đặc biệt vào những năm 60 và
70, những máy móc tự động được điều khiển bằng những rơle điện từ như các bộ định
thời, tiếp điểm, bộ đếm, relay điện từ. Những thiết bị này được liên kết với nhau để trở

thành một hệ thống hồn chỉnh bằng vơ số các dây điện bố trí chằng chịt bên trong panel
điện ( tủ điều khiển).
Như vậy, với 1 hệ thống có nhiều trạm làm việc và nhiều tín hiệu vào/ra thì tủ
điều khiển rất lớn. Điều đó dẫn đến hệ thống cồng kềnh, sửa chữa khi hư hỏng rất phức

8


Lê Quang Chương
Trần Như Đức

Khóa luận tốt nghiệp

tạp và khó khăn. Hơn nữa, các rơle tiếp điểm nếu có sự thay đổi yêu cầu điều khiển thì
bắt buộc thiết kế lại từ đầu.
3.2.3. Hệ thống điều khiển dùng PLC
Với những khó khăn và phức tạp khi thiết kế hệ thống dùng rơle điện. Những
năm 80, người ta chế tạo ra các bộ điều khiển có lập trình nhằm nâng cao độ tin cậy, ổn
định, đáp ứng hệ thống làm việc trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt đem lại hiệu
quả kinh tế cao. Đó là bộ điều khiển lập trình được, được chuẩn hóa theo ngơn ngữ Anh
Quốc là Programmable Logic Controller (viết tắt là PLC).
3.2.4. Điều khiển dùng PLC

Hình 3. 1 PLC S7-1200 1211C DCDCDC

*Các khối chức năng
Một PLC có khối Module Input, khối CPU (Central Processing Unit) và khối
Module Output. Khối Module Input có chức năng thu nhận các dữ liệu digital, analog
và chuyển thành các tín hiệu cấp vào CPU. Khối CPU quyết định và thực hiện chương
trình điều khiển thơng qua chương trình chứa trong bộ nhớ. Khối Module Output chuyển

các tín hiệu điều khiển từ CPU thành dữ liệu analog, digital thực hiện điều khiển các đối
tượng.

9


Lê Quang Chương
Trần Như Đức

Khóa luận tốt nghiệp

Hình 3. 2 Sơ đồ điều khiển của PLC

*Các chủng loại PLC
Hiện nay, một số PLC được sử dụng trên thịt rường Việt Nam:
 Mỹ:Allen Bradley, General Electric, Square D, Texas Instruments, Cutter
Hammer,…
 Đức: Siemens, Boost, Festo…
 Hàn Quốc: LG
 Nhật: Mitsubishi, Omron, Panasonci, Fanuc, Mashushita,Fuzi, Koyo,… Và nhiều
chủng loại khác. Các sản phẩm như: Logo!, Easy, Zen, … cũng được chế tạo ra để đáp
ứng những yêu cầu điều khiển đơn giản.
*Ưu thế của hệ thống điều khiển dùng PLC
 Nhỏ gọn, tích hợp nhiều chức năng của các thiết bị rời dưới dạng ngơn ngữ lập
trình.
 Khả năng điều khiển các hệ thống từ đơn giản đến phức tạp trong công nghiệp.
 Khả năng hoạt động ổn định, nhanh nhạy, chính xác, ổn định.
 Dễ dàng thay đổi thuật toán điều khiển theo yêu cầu công nghệ.
 Dễ dàng nâng cấp, mở rộng dự án.
 Khả năng giám sát, điều khiển trong mạng truyền thông.

*Hạn chế
 Giá thành cao (tùy theo yêu cầu máy).
 Cần một chuyên viên để thiết kế chương trình cho PLC hoạt động.
10


Lê Quang Chương
Trần Như Đức

Khóa luận tốt nghiệp

 Các yêu cầu cố định, đơn giản thì khơng cần dùng PLC.
 PLC sẽ bị ảnh hưởng khi hoạt động ở môi trường có nhiệt độ cao, độ rung mạnh.
*Các ứng dụng của PLC
Trong lĩnh vực công nghiệp và nông nghiệp hiện nay, ứng dụng của PLC vào
các hệ thống máy móc là vô cùng cần thiết và đã trở nên ngày càng phổ biến. Hầu hết
các máy móc thiết bị, các dây chuyền sản xuất đều có ứng dụng của PLC cụ thể như:
 Điều khiển các quá trình sản xuất: giấy, ximăng, nước giải khát, linh kiện điện
tử, xe hơi, bao bì, đóng gói,…
 Rửa xe ơtơ tự động.
 Thiết bị khai thác.
 Giám sát hệ thống, an toàn nhà xưởng.
 Hệ thống báo động.
 Điều khiển thang máy.
 Điều khiển động cơ.
 Chiếu sang.
 Cửa công nghiệp, tự động.
 Bơm nước.
 Tưới cây.
 Báo giờ trường học, công sở,…

 Máy cắt sản phẩm, vơ chai,…
 Và cịn nhiều hệ thống điều khiển tự động khác…
3.3. Cấu trúc phần cứng
3.3.1. Bộ điều khiển lập trình (PLC)
 PLC là bộ điều khiển lập trình và được xem là máy tính cơng nghiệp. Do cơng
nghệ ngày càng cao vì vậy lập trình PLC cũng ngày càng thay đổi, chủ yếu là sự thay
đổi về cấu hình hệ thống mà quan trọng là bộ xử lý trung tâm (CPU). Sự thay đổi này
nhằm cải thiện 1 số tính năng, số lệnh, bộ nhớ, số đầu vào/ ra(I/O), tốc độ quét, … vì
vậy xuất hiện rất nhiều loại PLC.
 PLC của Siemens hiện có các loại sau: S7- 200, S7- 300, S7- 400, S7 – 1500, S7
-1500. Riêng S7- 1200 có các loại CPU sau: CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C,
CPU 1215C, CPU 1217C …. Ngồi ra cịn có các board tín hiệu và truyền thông như:

11


Lê Quang Chương
Trần Như Đức

Khóa luận tốt nghiệp

SB 1221 DC 200 kHz, SB 1222 DC 200 kHz, SB 1223 DC/DC, SB 1231 AI, SB 1232
AO…Cịn có các dịng modules tín hiệu, module truyền thơng…
Trong đề tài này em trình bày cấu trúc chung họ S7 – 1200, CPU 1211C.
3.3.2. Các thành phần CPU
*Đặc điểm của CPU S7-1200 1211C
 Kích thước: 90mm x 100mm x 75mm.
 Dung lượng bộ nhớ chương trình: 50 Kbytes.
 Dung lượng bộ nhớ dữ liệu: 1 Mbytes.
 Có 6 ngõ vào DI, 2 ngõ vào AI và 4 ngõ ra DO.

 Có thể thêm vào modul mở rộng kể cả modul Analog.
 Tốc độ xử lý một lệnh logic Boolean 0.08 µs.
 Tốc độ xử lý phép tốn thực 2.3 µs.
 Có 256 timer , 256 counter, các hàm số học trên số nguyên và số thực.
 Có 6 bộ đếm tốc độ cao, tần số đếm 100 KHz.
 Tích hợp 1 cổng Profinet.
 Các ngắt: phần cứng, theo thời gian, truyền thông,…
 Đồng hồ lưu trữ thời gian thực 20 ngày/ nhỏ nhất 12 ngày tại 40 độ C.
 Chương trình được bảo vệ bằng Password.
*Các đèn báo trên CPU S7-1200 1211C
 ERROR: đèn báo hiệu hệ thống bị hỏng (đèn đỏ).
 RUN: PLC đang ở chế độ làm việc (đèn xanh).
 STOP: PLC đang ở chế độ dừng (đèn vàng).
 I x.x, Q x.x: chỉ định trạng thái tức thời cổng (đèn xanh).*Module mở rộng

Hình 3. 3 Module mở rộng SB 1232 AO.

12


Lê Quang Chương
Trần Như Đức

Khóa luận tốt nghiệp

Đặc điểm:
 1 ngõ vào AO 1 x 12 bits ±10VDC hay 0 – 20 mA.
 Mã 6ES7 232-4HA30-0XB0.
3.3.3. Kết nối và điều khiển
*Xác định các đặc điểm của PLC seimens thông qua mã CPU.

Ví dụ: CPU 1211C DC/DC/DC
 1211C là mã dịng CPU của PLC s7-1200. Các CPU của PLC s7-1200 có các loại
như 1211C, 1212C, 1214C, 1215C, 1217C.
 Trong từng dòng CPU chia ra làm nhiều loại khác nhau ở nguồn cấp cho CPU
hoạt động, tín hiệu ngõ vào inputs, tín hiệu ngõ ra outputs.
 Với CPU 1211C DC/DC/DC thì tương ứng với DC đầu tiên là nguồn DC cấp vào
cho CPU hoạt động. Tín hiệu ngõ vào sử dụng nguồn DC tương ứng với DC thứ hai và
tín hiệu ngõ ra là nguồn DC thứ ba.
 Ngồi ra cịn có các CPU sử dụng nguồn cấp AC, tín hiệu ngõ ra là RLY.

Hình 3. 4 Phương thức cấp nguồn cho PLC.

*Cấp nguồn cho PLC hoạt động.
Chú ý phân biệt loại cấp nguồn ni cho PLC:
 Loại DC nguồn ni có kí hiệu là M, L+
 Loại AC nguồn ni có kí hiệu là N, L1.
* Kết nối các ngõ vào, ra cho PLC
 Kết nối ngõ vào:

13


Lê Quang Chương
Trần Như Đức

Khóa luận tốt nghiệp

Hình 3. 5 Kết nối ngõ vào cho PLC.

Giả sử cần kết nối 1 công tắc, hoặc 1 nút nhấn cho ngỏ vào PLC.

 Chân 1M, 2M nối chung với chân M.
 Chân L+ nối vào 1 đầu của tiếp điểm, đầu còn lại của tiếp điểm nối vào các ngỏ
vào I trên PLC.
 Kết nối ngõ ra:
 Kết nối PLC điều khiển đèn Light, điều khiển Relay, các cơ cấu chấp hành
khác,…
 Chân 1L, 2L nối vào nguồn dương.
 Từng ngõ ra từ PLC nối vào 1 đầu của tải, đầu còn lại của tải nối vào nguồn âm.

14


Lê Quang Chương
Trần Như Đức

Khóa luận tốt nghiệp

Hình 3. 6 Các ngõ ra trên chân PLC

Các ngõ vào thường dùng là:
 Nút nhấn, công tắc gạt, ba chấu,…
 Các loại cảm biến: quang điện, tiệm cận, điện dung, từ, kim loại, siêu âm, phân
biệt màu sắc, cảm biến áp suất, …
 Cơng tắc hành trình, cơng tắc thường.
 Rorary Encoder.
 Rơle điện từ.
 Sensor nhiệt độ.
 Bộ kiểm tra mức…
 Các thiết bị được điều khiển ở ngỏ ra:
 Động cơ DC .

 Động cơ AC 1 pha và 3 pha.
 Van khí nén.
 Van thuỷ lực.
 Van solenoid.
 Đèn báo, đèn chiếu sáng.
 Chuông báo giờ.
 Động cơ Step Servo.
 Biến tần.
 Quạt thơng gió.
 Máy lạnh.
15


Lê Quang Chương
Trần Như Đức

Khóa luận tốt nghiệp

 Động cơ phát điện.
3.3.4. Truyền thơng của PLC
Bộ điều khiển tích hợp với giao diện PROFINET I/O điều khiển để giao tiếp giữa
bộ điều khiển SIMATIC , HMI , thiết bị lập trình hoặc các thành phần tự động hóa khác.
Các dịng sản phẩm CPU 1211C, 1212C,1214C chỉ có một cổng mạng, cho nên
chỉ có thể kết nối được với từng máy tính lập trình, HIM, CPU khác tại một thời điểm.
Để có thể kết nối cùng lúc nhiều thiết bị người dùng phải sử dụng Ethernet switching (
Hub mạng).

16

Lê Quang Chương
Trần Như Đức

Khóa luận tốt nghiệp

CHƯƠNG 4
CÁCH SỬ DỤNG PHẦN MỀM LẬP TRÌNH
4.1. Giới thiệu về các cơng cụ phần mềm lập trình
Ngày nay với hàng loạt các dịng PLC ra đời thì các cơng cụ kèm theo cũng vơ
cùng phong phú. Ứng với mỗi loại PLC thì sẽ có những phần mềm đi kèm. Các phần
mềm ngày càng mạnh và hỗ trợ người sử dụng một cách tốt nhất. Seimens là một trong
những hãng đi đầu về việc sử dụng các phần mềm của mình. Hiện nay có rất nhiều phần
mềm hỗ trợ lập trình cho PLC Seimens cụ thể như:
Bảng 4. 1 Bảng các phần mềm lập trình hỗ trợ PLC Seimens.
STT

Loại PLC

Phần mềm sử dụng

1

S7 200

STEP 7- MicroWin V4.0

2

S7 300, S7 400

Simatic Manager V5.4

3

S7 300, S7 400, S7 1200, S7

TIA Portal V13, V14

1500

Hiện nay công cụ hỗ trợ mạnh mẽ nhất đó là phần mềm TIA Portal V14 với khả
năng lập trình được hầu hết các loại PLC Seimens và tích hợp thêm các phần mềm thiết
kế giao diện điều khiển giám sát WebServer, lập trình điều khiển cho biến tần. Vì vậy
TIA Portal V14 là một thành công của hãng. Tuy nhiên phần mềm với dung lượng khá
lớn yêu cầu các máy có cấu hình tương đối mạnh và sử dụng Win 32 bits trở lên.
4.2. Cách tạo một dự án đơn giản
Mỗi người lập trình sẽ có những cách tạo và cấu hình phần mềm khác nhau, do
đó sẽ có những cách cấu hình khác nhau tùy thuộc vào hệ thống mà chúng ta đang làm.
Để tạo một dự án đơn giản ta sẽ tiến hành thực hiện các bước như trong hình.

17


Lê Quang Chương
Trần Như Đức

Khóa luận tốt nghiệp

 Khởi động phầm mềm.

Hình 4. 1 Giao diện sau khi khởi tạo chương trình TIA Portal V14.

 Chọn Create new project để bắt đầu một dự án mới.

Hình 4. 2 Tạo project mới.

18