Ứng dụng plc s7 1200 điều khiển và giám sát bơm ổn định áp suất nước

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN

i


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………

ii


MỤC LỤC
PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN .................................................................................. i
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN .................................................................ii
MỤC LỤC .......................................................................................................................... iii
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ ..........................................................................................vii
DANH SÁCH CÁC BẢNG ................................................................................................. x
CHƯƠNG 1: LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................ 1
1.1

Lý do chọn đề tài..................................................................................................... 1

1.2

Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................ 1

1.3

Phạm vi nghiên cứu................................................................................................. 1

1.4

Ý nghĩa khoa học của đề tài .................................................................................... 2

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ÁP SUẤT........................... 3

2.1

Phương thức điều khiển bơm .................................................................................. 3

2.2

Nguyên tắc điều khiển trong hệ thống ................................................................... 4

2.2.1

Mô tả hoạt động của hệ thống ................................................................................. 4

2.2.2

Những ưu điểm khi điều khiển tốc độ bơm bằng thiết bị biến tần ......................... 5

2.3

Các hệ thống điều khiển áp suất hiện nay và trên thế giới ..................................... 6

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..................................................................................... 8
3.1

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

3.1.1

Giới thiệu chung ...................................................................................................... 8

3.1.2

Cấu tạo PLC S7-1200 ............................................................................................. 9

3.1.3

Các bảng tín hiệu .................................................................................................. 11

3.1.4

Các module tín hiệu. ............................................................................................. 12

3.1.5

Các module truyền thông. ..................................................................................... 13

3.1.6

Ưu điểm PLC S7-1200 so với những dòng PLC trước......................................... 13

3.1.6.1

Về phần cứng ..................................................................................................... 13

3.1.6.2

Về kết nối, phần mềm ........................................................................................ 15

3.2

Giới thiệu biến tần Mitsubishi FR-D700 .............................................................. 16

iii


3.2.1

Khái niệm biến tần ................................................................................................ 16

3.2.2

Vai trò của biến tần ............................................................................................... 16

3.2.3

Nguyên lý hoạt động ............................................................................................. 17

3.2.4

Đấu nối thiết bị...................................................................................................... 17

3.2.5

Biến tần Mitsubishi FR-D700 ............................................................................... 22

3.2.5.1

Thông số kỹ thuật .............................................................................................. 22

3.2.5.2

Chức năng các phím .......................................................................................... 23

3.3

Tổng quan về bơm và ghép bơm........................................................................... 24

3.3.1

Khái niệm và phân loại bơm ................................................................................. 24

3.3.1.1

Khái niệm .......................................................................................................... 24

3.3.1.2

Phân loại ............................................................................................................ 24

3.3.2

Ghép bơm .............................................................................................................. 25

3.3.2.1

Ghép bơm song song ......................................................................................... 25

3.3.2.2

Ghép bơm nối tiếp ............................................................................................. 27

3.4

Tổng quan bộ điều khiển PID ............................................................................... 30

3.4.1

Tổng quan bộ điều khiển PID ............................................................................... 30

3.4.2

Tìm hiểu khối hàm PID_Compact trong Tia Portal .............................................. 32

3.5

Mạng truyền thông trong công nghiệp – mạng RS 485 ........................................ 35

3.5.1

Khái niệm và vai trị mạng truyền thơng cơng nghiệp .......................................... 35

3.5.1.1

Khái niệm .......................................................................................................... 35

3.5.1.2

Vai trị ................................................................................................................ 35

3.5.2

Chuẩn truyền thơng RS485 ................................................................................... 36

3.5.2.1

Tổng quan RS485 .............................................................................................. 36

3.5.2.2

Đặc tính kỹ thuật................................................................................................ 37

3.5.3

Board truyền thông CB 1241 RS485 .................................................................... 38

3.6

Tổng quan phần mềm Tia Portal ........................................................................... 40

3.6.1

Giới thiệu phần mềm Tia Portal ............................................................................ 40

3.6.2

Cách tạo project .................................................................................................... 41

3.6.3

Làm việc với một trạm PLC ................................................................................. 46

iv


3.6.3.1

Quy định địa chỉ IP cho Module PLC ............................................................... 46

3.6.3.2

Đổ chương trình xuống CPU ............................................................................. 47

3.6.3.3

Giám sát và thực hiện chương trình .................................................................. 49

3.6.3.4

Tag của PLC ...................................................................................................... 49

3.6.3.5

Hướng dẫn tạo PLC Tag .................................................................................... 50

3.6.4

Kĩ thuật lập trình ................................................................................................... 50

3.6.4.1

Vịng qt chương trình ..................................................................................... 50

3.6.4.2

Khối Tổ Chức Ob – Oganization Blocks ........................................................... 52

3.6.4.3

Hàm chức năng – FUNCTION .......................................................................... 53

3.7

Giới thiệu tổng quan về phần mềm ứng dụng WinCC ......................................... 54

3.7.1

Khái niệm .............................................................................................................. 54

3.7.2

Chức năng ............................................................................................................. 54

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ THI CÔNG VÀ LẬP TRÌNH ................................................... 56
4.1

Mơ hình hệ thống .................................................................................................. 56

4.2

Lựa chọn thiết bị ................................................................................................... 58

4.2.1

PLC S7-1200 CPU 1212 (DC/DC/DC) ................................................................ 58

4.2.2

Bơm 1 pha ............................................................................................................. 62

4.2.3

Cảm biến áp suất nước .......................................................................................... 63

4.3

Thiết kế và lắp đặt tủ điện ..................................................................................... 64

4.4

Chương trình lập trình trên Tia Portal và cấu hình Module ................................. 70

4.4.1

Lưu đồ giải thuật ................................................................................................... 70

4.4.2

Chương trình xử lý tín hiệu Analog ...................................................................... 71

4.4.3

Chương trình truyền thơng biến tần ...................................................................... 74

4.4.3.1

Cấu hình biến tần FR-D700 ............................................................................... 75

4.4.3.2

Modbus-RTU biến tần FR-D700 ....................................................................... 75

4.4.3.3

Làm cáp truyền thơng ........................................................................................ 77

4.4.3.4

Chương trình lập trình trong tia portal .............................................................. 79

4.4.4
4.4.4.1

Chương trình lập trình PID ................................................................................... 83
Mơ hình hóa hệ thống, tính tốn các thơng số PID ........................................... 83

v


4.4.4.2

Mơ phỏng hệ thống trong Matlab ...................................................................... 84

4.4.4.3

Chương trình PLC ............................................................................................. 86

4.4.5

Tạo giao diện điều khiển Win CC và kết nối ........................................................ 94

4.4.5.1

Cấu hình và kết nối ............................................................................................ 94

4.4.5.2

Thiết kế giao diện Win CC ................................................................................ 97

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN .................................................................................................. 99
5.1

Kết quả đạt được ................................................................................................... 99

5.2

Hạn chế ................................................................................................................. 99

5.3

Hướng phát triển của đề tài ................................................................................... 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................ 100

vi


DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
Figure 2.2-1 Biểu đồ minh họa hoạt động điều khiển bơm .................................................. 5
Figure 2.3-1 Hệ thống tăng áp bằng bơm tăng áp ................................................................ 7
Figure 2.3-2 Biến tần cho bơm điều áp ................................................................................ 7
Figure 3.1-1 Thành phần của PLC ....................................................................................... 9
Figure 3.1-2 Các bảng tín hiệu của PLC S7-1200 .............................................................. 12
Figure 3.1-3 Các Module tín hiệu của PLC S7-1200 ......................................................... 12
Figure 3.1-4 Các Module truyền thông của PLC S7-1200 ................................................. 13
Figure 3.1-5 PLC S7-1200 và S7-200 ................................................................................ 14
Figure 3.2-1 Nguyên lý hoạt động của biến tần ................................................................. 17
Figure 3.2-2 Đấu nối động lực biến tần .............................................................................. 17
Figure 3.2-3 Sơ đồ đấu nối biến tần Mitshubishi FR-D700 ............................................... 18
Figure 3.2-4 Biến tàn Mitsubishi FR-D700........................................................................ 22
Figure 3.3-1 Hệ thống hai bơm (cùng đặc tính) ghép song song ....................................... 25
Figure 3.3-2 Đặc tính làm việc song song của hai bơm giống nhau .................................. 26
Figure 3.3-3 Hệ thống 2 bơm (cùng đặc tính) ghép nối tiếp .............................................. 28
Figure 3.3-4 Đặc tính làm việc của hai bơm ghép nối tiếp ................................................ 29
Figure 3.3-5 Đặc tính làm việc của hai bơm ghép nối tiếp ................................................ 29
Figure 3.4-1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vịng kín ...................................................... 30
Figure 3.4-2 Sơ đồ khối PID .............................................................................................. 31
Figure 3.4-3 Khối PID Compact trong Tia Portal .............................................................. 32
Figure 3.5-1 Board truyền thông CB 1241 RS485 ............................................................. 38
Figure 3.6-1 Kết cấu làm việc vói Tia Portal ..................................................................... 41
Figure 3.6-2 Tạo Project ..................................................................................................... 44
Figure 3.6-3 Thêm Module vào Project ............................................................................. 45

Figure 3.6-4 Xóa Module ................................................................................................... 46
Figure 3.6-5 Địa chỉ IP của PLC ........................................................................................ 47
Figure 3.6-6 Bảng Tag ........................................................................................................ 50
Figure 3.6-7 Cấu trúc lập trình ........................................................................................... 51
Figure 3.6-8 Tạo khối mới trong Tia Portal ....................................................................... 52
Figure 3.6-9 Chèn các OB vào chương trình...................................................................... 52

vii


Figure 4.1-1 Thiết kế mơ hình 3D ...................................................................................... 57
Figure 4.1-2 Mơ hình hệ thống thực tế ............................................................................... 58
Figure 4.2-1 CPU 1212C DC/DC/DC 6ES7212-1AE31-0XB0 ......................................... 59
Figure 4.2-2 Sơ đồ kết nối .................................................................................................. 59
Figure 4.2-3 Bơm 1 pha ...................................................................................................... 62
Figure 4.2-4 Cảm biến áp suất ............................................................................................ 63
Figure 4.3-1 Bản vẽ bên trong tủ ........................................................................................ 65
Figure 4.3-2 Mặt trước và mặt bên tủ ................................................................................. 66
Figure 4.3-3 Mặt trong tủ và thiết bị khi hoàn thành ......................................................... 67
Figure 4.3-4 Mặt trong cửa tủ khi hoàn thành .................................................................... 67
Figure 4.3-5 Mặt trước của tủ khi hoàn thành .................................................................... 68
Figure 4.3-6 Sơ đồ đấu dây ngõ vào PLC .......................................................................... 69
Figure 4.3-7 Sơ đồ đấu dây ngõ ra PLC ............................................................................. 69
Figure 4.4-1 SCALE_X ...................................................................................................... 71
Figure 4.4-2 NORM_X ...................................................................................................... 71
Figure 4.4-3 Cấu hình phần cứng PLC 1212 DC/DC/DC .................................................. 72
Figure 4.4-4 Cấu hình đầu vào analog................................................................................ 73
Figure 4.4-5 Xử lí Analog .................................................................................................. 74
Figure 4.4-6 Jack RJ-45 ...................................................................................................... 77
Figure 4.4-7 Cấu hình truyền thơng ................................................................................... 79

Figure 4.4-8 Tạo chu kỳ quét, xử lý truyền thông .............................................................. 81
Figure 4.4-9 Khai báo truyền thông ................................................................................... 81
Figure 4.4-10 Start, stop biến tần ....................................................................................... 82
Figure 4.4-11 Truyền tần số cho biến tần ........................................................................... 82
Figure 4.4-12 Đặc tính của động cơ ................................................................................... 83
Figure 4.4-13 Mơ hình Simulink-Matlab ........................................................................... 85
Figure 4.4-14 Thơng số PID ............................................................................................... 85
Figure 4.4-15 Kết quả mô phỏng PID ................................................................................ 86
Figure 4.4-16 Tạo chương trình ngắt trong PLC ................................................................ 87
Figure 4.4-17 Chọn loại điều khiển PID trong PID compact ............................................. 88
Figure 4.4-18 Chọn parameters ngõ vào, ngõ ra ................................................................ 88
Figure 4.4-19 PID Parameter .............................................................................................. 89

viii


Figure 4.4-20 Chương trình PID Compact ......................................................................... 89
Figure 4.4-21 Chương trình sửa lỗi PID và Auto run ........................................................ 90
Figure 4.4-22 Tinh chỉnh PID ............................................................................................ 93
Figure 4.4-23 Start, stop lamp, RS-485 .............................................................................. 93
Figure 4.4-24 Kiểm tra setpoint run PID và RS-485 .......................................................... 94
Figure 4.4-25 Tạo WinCC RT ............................................................................................ 94
Figure 4.4-26 CP IE ( IE general) ...................................................................................... 95
Figure 4.4-27 Kiểm tra connect .......................................................................................... 95
Figure 4.4-28 Set PG/PC interface ..................................................................................... 96
Figure 4.4-29 IP của WinCC và PLC ................................................................................. 96
Figure 4.4-30 Giao diện trang Home .................................................................................. 97
Figure 4.4-31 Giao diện trang điều khiển ........................................................................... 97
Figure 4.4-32 Giao diện PID .............................................................................................. 98

ix


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Table 3.1-1 Thông số kĩ thuật PLC S7-1200...................................................................... 10
Table 3.1-2 Các Module mở rộng ...................................................................................... 11
Table 3.1-3 Bảng I/O trên PLC .......................................................................................... 14
Table 3.2-1 Cài đặt thông số biến tần ................................................................................. 21
Table 3.2-2 Chức năng các phím trên biến tần ................................................................... 23
Table 3.4-1 Ảnh hưởng của các thành phần Kp, Ki, Kd với hệ kín ................................... 31
Table 3.4-2 Thơng số bộ PID_Compact ............................................................................. 34
Table 3.5-1 Đặc tính kỹ thuật chuẩn truyền RS485 ........................................................... 37
Table 3.5-2 Thông số kỹ thuật Board truyền thông CB 1241 RS485 ................................ 40
Table 4.2-1 Vị trí chân kết nối của CPU 1212 DC/DC/DC ............................................... 60
Table 4.2-2 Thông số kĩ thuật PLC 1212 DC/DC/DC ...................................................... 61
Table 4.2-3 Thông số kĩ thuật bơm 1 pha........................................................................... 63
Table 4.2-4 Thông số kĩ thuật cảm biến áp suất ................................................................. 64
Table 4.4-1 Cài đặt chung thông số biến tần để truyền thơng ............................................ 74
Table 4.4-2 Cấu hình thơng số biến tần .............................................................................. 75
Table 4.4-3 Bảng địa chỉ Modbus ...................................................................................... 77
Table 4.4-4 Sơ đồ chân vào biến tần .................................................................................. 78
Table 4.4-5 Sơ đồ chân vào board truyền thông ................................................................ 78

x


Trần Việt Hưng Đặng Huy Hồng Thái Bá Hồng

Khóa luận tốt nghiệp

CHƯƠNG 1: LỜI MỞ ĐẦU
1.1 Lý do chọn đề tài
Nước có một vai trị hết sức quan trọng trong hoạt động sinh hoạt hàng ngày của
chúng ta. Trong hệ thống cung cấp nước cho thành phố, khu đô thị, khu dân cư, nhà cao
tầng,…nhu cầu sử dụng nước luôn thay đổi theo từng thời điểm dẫn đến áp lực trên đường
ống thay đổi. Trong giờ thấp điểm nhu cầu sử dụng nước ít, áp lực trên đường ống tăng có
thể phá vỡ đường ống, ngược lại trong giờ cao điểm nhu cầu sử dụng nước nhiều làm áp
lực của hệ thống giảm dẫn đến ảnh hưởng đến lưu lượng của các hộ tiêu thụ và đặc biệt
những hộ ở cuối nguồn có thể khơng có nước để sử dụng. Để giải quyết vấn đề này, phương
pháp cổ điển để thay đổi áp suất đó là đóng mở các bơm cấp nước bằng tay. Phương pháp
này đơn giản, dễ thực hiện và thiết bị đơn giản. Nhưng nhược điểm rất lớn đó là tiêu hao
khá nhiều điện năng, tuổi thọ động cơ giảm và áp lực nước không ổn định. Để khắc phục
nhược điểm của phương pháp cũ cũng như giải quyết vấn đề trên, nhóm chúng em đã nghiên
cứu và xây dựng mơ hình Điều khiển và giám sát hệ thống ổn định áp suất nước sử
dụng biến tần kết hợp thuật toán PID và điều khiển bằng PLC S7-1200.
1.2 Phương pháp nghiên cứu
Đối với các hệ thống bơm cấp nước trong thực tế, người ta sử dụng máy bơm công
suất lớn, biến tần công suất lớn để bơm cấp nước cho cả khu dân cư, thành phố, cho cả khu
công nghiệp. Với đề tài này, chúng em Mô hình hóa hệ thống nên chỉ sử dụng biến tần
cơng suất nhỏ, bơm công suất nhỏ, PLC Siemens S7-1200 kết hợp thuật tốn điều khiển
PID để mơ tả hoạt động của hệ thống. Một phần vì máy bơm ba pha thường rất to và nặng
kéo theo hệ thống sẽ không đơn giản, lý do nữa là chi phí cho một đồ án như vậy là quá lớn
với khả năng của chúng em.
1.3 Phạm vi nghiên cứu
Từ những kiến thức cơ sở học được tại trường và ngoài thực tế, do còn hạn chế về
kiến thức cũng như về khả năng kinh tế và thời gian có hạn nên chúng em chỉ có thể xây

1

Khóa luận tốt nghiệp

Trần Việt Hưng Đặng Huy Hồng Thái Bá Hồng

dựng mơ hình mang tính chất mơ phỏng để thể hiện quy trình hoạt động của hệ thống cấp
nước trong thực tế. Trong đó, chúng em đã thực hiện một số cơng việc:
-

Lập trình PID bằng PLC cho động cơ hoạt động theo giá trị áp suất yêu cầu.

-

Giao tiếp PLC với WinCC giám sát và điều khiển hệ thống.

-

Giao tiếp truyền thông PLC với biến tần.

-

Thiết kế giao diện điều khiển tự động với WinCC.

1.4 Ý nghĩa khoa học của đề tài
Đề tài cho thấy việc ứng dụng của tự động hóa vào cuộc sống là rất cần thiết, nó giúp
ta tiết kiệm được thời gian, cơng sức, tiền bạc nhưng vẫn mang lại hiệu quả kinh tế cao và
hoạt động rất ổn định. Từ đề tài nghiên cứu về Điều khiển và giám sát ổn định áp suất nước
bằng PID cho đường ống nước, chúng ta có thể mở rộng cho hệ thống điều khiển ổn định
nhiệt độ trong lị nhiệt, hệ thống điều hịa khơng khí,…

2

Khóa luận tốt nghiệp

Trần Việt Hưng Đặng Huy Hồng Thái Bá Hồng

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ÁP SUẤT
Mỗi trạm bơm thường có nhiều máy bơm cùng cấp nước vào cùng một đường ống.
Áp lực và lưu lượng của đường ống thay đổi hàng giờ theo nhu cầu sử dụng. Bơm và các
thiết bị đi kèm như đường ống, van, đài nước được thiết kế với lưu lượng nước bơm rất lớn.
Vì thế điều chỉnh lưu lượng nước bơm được thực hiện bằng các phương pháp sau:
-

Điều chỉnh bằng cách khép van trên ống đẩy của bơm

-

Điều chỉnh bằng cách đóng mở các máy bơm hoạt động đồng thời

-

Điều khiển thay đổi tốc độ quay bằng khớp nối

Điều khiển theo những phương pháp trên không những không tiết kiệm được năng
lượng điện tiêu thụ mà còn gây nên hỏng hóc thiết bị và đường ống do chấn động khi đóng
mở van gây nên, đồng thời các máy bơm cung cấp không bám sát được chế độ tiêu thụ trên
mạng lưới.
Để giải quyết các vấn đề kể trên chỉ có thể sử dụng phương pháp điều khiển truyền
động biến đổi tốc độ bằng biến tần kết hợp với thuật toán điều khiển PID. Thiết bị biến tần
là thiết bị điều chỉnh biến đổi tốc độ quay của động cơ bằng cách thay đổi tần số của dòng

điện cung cấp cho động cơ.
2.1 Phương thức điều khiển bơm
Có 3 phương thức điều khiển các máy bơm:
-

Điều khiển theo mực nước:

Trên cơ sở tín hiệu mực chất lỏng trong bể hút hồi tiếp về PLC. CPU sẽ so sánh tín
hiệu hồi tiếp với mực chất lỏng được cài đặt. Trên cơ sở kết quả so sánh, PLC sẽ điều khiển
đóng mở các máy bơm sao cho phù hợp để mực chất lỏng trong bể luôn bằng giá trị cài đặt.
Ngược lại khi tín hiệu hồi tiếp lớn hơn giá trị cài đặt, biến tần sẽ điều khiển các bơm để
mực chất lỏng ln đạt giá trị đặt.
-

Điều khiển theo hình thức chủ động thụ động:

Mỗi một máy bơm được nối với một bộ biến tần trong đó có một biến tần là chủ
động, các biến tần khác là thụ động. Khi tín hiệu hồi tiếp về biến tần chủ động thì bộ vi xử

3


Khóa luận tốt nghiệp

Trần Việt Hưng Đặng Huy Hồng Thái Bá Hồng

lý của biến tần này sẽ so sánh với tín hiệu được đặt để từ đó tác động đến các biến tần thụ
động điều chỉnh tốc độ quay của các máy bơm cho phù hợp và không gây ra hiện tượng đập
thủy lực phản hồi từ hệ thống. Phương thức điều khiển này là linh hoạt nhất khắc phục
những khó khăn trong q trình vận hành bơm khác với thiết kế. Phương thức này được sử

dụng cho trường hợp thay đổi cả về lưu lượng và áp suất trên mạng lưới.
-

Điều khiển theo hình thức biến tần điều khiển một bơm:

Một máy bơm chính đóng mở bằng contactor, một máy bơm phụ thông qua thiết bị
biến tần. Đây cũng chính là cách mà nhóm em đã tiến hành làm. Khi khởi động hệ thống,
bơm chính được khởi động bằng contactor. Khi tín hiệu áp lực và lưu lượng trên mạng lưới
hồi tiếp về biến tần, bộ vi xử lý sẽ so sánh với giá trị cài đặt. Khi bơm chính hoạt động ở
chế độ định mức mà vẫn chưa đáp ứng được áp suất trên đường ống thì biến tần tăng tần số
để bơm phụ chạy để phù hợp với nhu cầu phụ tải. Phương thức điều khiển này được áp
dụng cho trường hợp áp lực của máy bơm đúng với thiết kế nhưng áp lực phụ tải thay đổi.
2.2 Nguyên tắc điều khiển trong hệ thống
2.2.1 Mô tả hoạt động của hệ thống
Một cảm biến áp suất được lắp vào đường ống ngay sau đầu ra của bơm. Một máy
bơm chính đóng mở bằng contactor, một máy bơm phụ thông qua biến tần. Khi khởi động
hệ thống, bơm chính chạy trước được khởi động bằng contactor. Cảm biến áp suất sẽ chuyển
đổi tín hiệu áp lực nhận được thành tín hiệu điện hồi tiếp về PLC, bộ vi xử lý của PLC sẽ
so sánh với giá trị cài đặt. Khi bơm chính hoạt động ở chế độ định mức mà vẫn chưa đáp
ứng được áp suất trên đường ống thì PLC sẽ ra lệnh, điều khiển biến tần tăng tần số để bơm
phụ (bơm biến tần) chạy. Nếu áp suất trong đường ống thấp hơn hoặc cao hơn áp suất đặt
thì PLC sẽ ra lệnh điều khiển biến tần tăng hoặc giảm tần số tương ứng để đảm bảo áp suất
ln ln duy trì bằng áp suất đặt. Nếu lúc tải giảm mạnh nhất (áp suất tăng lên cao) thì
bơm biến tần sẽ tự động dừng chỉ cịn bơm 1 pha hoạt động. Hệ thống cứ hoạt động liên
tục như vậy, áp suất trong đường ống luôn luôn giữ ổn định tránh tình trạng áp suất tăng
quá cao sẽ gây vỡ đường ống.

4

Trần Việt Hưng Đặng Huy Hồng Thái Bá Hồng

Khóa luận tốt nghiệp

Hệ thống sẽ tự động giám sát áp suất nước trên đường ống và điều khiển ngược lại
để đảm bảo giữ đúng áp suất theo yêu cầu. Hệ thống điều khiển áp suất nước trên đường
ống theo đồ thị phụ tải hàng ngày, tức là hệ thống sẽ điều khiển áp suất theo thời gian thực.
Hệ thống điều khiển tự động này thực hiện một số chức năng chính sau:
 Đo lường: do đầu đo áp suất đo lường và chuyển đổi để đưa về CPU của S71200.
 Xử lý thông tin: bộ điều khiển trung tâm sẽ đảm nhiệm vấn đề này.
 Điều khiển: S7-1200 sẽ phối hợp với biến tần làm việc này theo yêu cầu.
 Giám sát: S7-1200 sẽ kết nối đầu đo áp suất đưa về giao diện WinCC để giám
sát hệ thống hoạt động.

Figure 2.2-1 Biểu đồ minh họa hoạt động điều khiển bơm

2.2.2 Những ưu điểm khi điều khiển tốc độ bơm bằng thiết bị biến tần
-

Hạn chế dòng khởi động cao

-

Tiết kiệm năng lượng

-

Điều khiển linh hoạt các máy bơm

-

Dãy công suất rộng từ 1,1 – 400KW

-

Tự động ngừng khi đạt tới điểm cài đặt

5


Khóa luận tốt nghiệp

Trần Việt Hưng Đặng Huy Hồng Thái Bá Hồng

-

Tăng tốc nhanh giúp biến tần bắt kịp tốc độ hiện thời của động cơ

-

Tự động tăng tốc giảm tốc tránh quá tải hoặc quá điện áp khi khởi động

-

Bảo vệ được động cơ khi: ngắn mạch, mất pha, lệch pha, quá tải, quá dòng,
quá nhiệt,…

-

Kết nối được với máy tính chạy trên hệ điều hành Window

-

Kích thước nhỏ gọn, khơng chiếm diện tích trong nhà trạm

-

Mơ-men khởi động cao với chế độ tiết kiệm năng lượng

-

Dễ dàng lắp đặt vận hành

-

Hiển thị các thông số của động cơ và biến tần

Như vậy với việc đưa biến tần vào hệ thống sẽ hoạt động bám sát theo đúng thực tế
lưu lượng phụ tải, do vậy sẽ giảm đáng kể năng lượng tiêu hao không cần thiết vào các giờ
phụ tải thấp điểm.
2.3 Các hệ thống điều khiển áp suất hiện nay và trên thế giới
Đối với nước ta nói chung và trên thế giới nói riêng hiện nay, hệ thống điều khiển
áp suất dần được ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Từ ngày xa xưa, để tạo áp lực nước đến
các phụ tải, người ta thường xây dựng các tháp nước trên cao hoặc đối với nhà cao tầng sử
dụng các bể chứa nước trên tầng thượng. Hiện nay có nhiều hệ thống điều khiển ổn định áp
lực nước, gồm có các hệ thống sử dụng biến tần điều khiển một bơm kết hợp thuật toán
PID, hệ thống sử dụng 2 hay nhiều bơm ghép song song, hệ thống biến tần điều khiển 1
bơm và các bơm còn lại ghép song song được chạy bằng cách đóng mở bằng tay, hệ thống
bơm kết hợp biến tần và PLC để tăng tính tự động hóa cho hệ thống.

6


Khóa luận tốt nghiệp

Trần Việt Hưng Đặng Huy Hồng Thái Bá Hồng

Figure 2.3-1 Hệ thống tăng áp bằng bơm tăng áp

Figure 2.3-2 Biến tần cho bơm điều áp

7


Trần Việt Hưng Đặng Huy Hồng Thái Bá Hồng

Khóa luận tốt nghiệp

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

3.1 Tổng quan về PLC S7-1200
3.1.1 Giới thiệu chung
Năm 2009, Siemens ra dòng sản phẩm S7-1200 dùng để thay thế dần cho S7-200.
So với S7-200 thì S7-1200 có những tính năng nỗi trội:
S7-1200 là một dịng của bộ điều khiển logic lập trình (PLC) có thể kiểm sốt nhiều
ứng dụng tự động hóa. Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, và một tập lệnh mạnh làm cho chúng
ta có những giải pháp hồn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với S7-1200, bao gồm một
microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn, các đầu vào/ra (DI/DO).
Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chương trình
điều khiển:

 Tất cả các CPU đều cung cấp bảo vệ bằng password chống truy cập vào PLC
 Tính năng “Know-how protection” để bảo vệ các block đặc biệt của mình S71200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP. Ngồi
ra bạn có thể dùng các Module truyền thông mở rộng kết nối bằng RS485
hoặc RS232.
Phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 hỗ trợ 3 ngơn ngữ lập trình là FBD, LAD
và SCL. Phần mềm này được tích hợp trong Tia Portal 14 của Siemems.
Vậy để làm một dự án với S7-1200 chỉ cần cài Tia Portal V14 phần mềm này đã bao
gồm cả môi trường lập trình cho PLC và thiết kế giao diện HMI.

8


Trần Việt Hưng Đặng Huy Hồng Thái Bá Hồng

Khóa luận tốt nghiệp
3.1.2 Cấu tạo PLC S7-1200

Figure 3.1-1 Thành phần của PLC

(1) Bộ phận kết nối nguồn.
(2) Các bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo được (phía sau các
nắp che) và khe cắm thẻ nhớ nằm dưới cửa phía trên.
(3) Các LED trạng thái dành cho I/O tích hợp.
(4) Bộ phận kết nối PROFINET (phía trên của CPU)
Các kiểu CPU khác nhau cung cấp một sự đa dạng các tính năng và dung lượng giúp
cho người dùng tạo ra các giải pháp có hiệu quả cho nhiều ứng dụng khác nhau.
Chức năng

CPU 1211C

Kích thước vật lý (mm)

CPU 1212C

90 x 100 x 75

CPU 1214C
110 x 100 x 75

Bộ nhớ người dùng:
 Bộ nhớ làm việc

 25 kB

 50 kB

 Bộ nhớ nạp

 1 MB

 2 MB

 Bộ nhớ giữ lại

 2 kB

 2 kB

I/O tích hợp cục bộ:

9


Trần Việt Hưng Đặng Huy Hồng Thái Bá Hồng

Khóa luận tốt nghiệp
 Kiểu số

 6 ngõ vào /

 8 ngõ vào / 6

4 ngõ ra
 Kiểu tương tự
Kích thước ảnh tiến
trình

module tín hiệu

ngõ ra

 2 ngõ ra

 2 ngõ ra

8192 byte
2

Không

8

1

Các module truyền

3 (mở rộng về bên trái)

thông
 Đơn pha

 2 ngõ ra

4096 byte

Bảng tín hiệu

Các bộ đếm tốc độ cao

10 ngõ ra

1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (Q)

Bộ nhớ bit (M)
Độ mở rộng các

 14 ngõ vào /

3

4

 3 tại 100

 3

kHz

6
tại

100

 3 tại 100 kHz

kHz 1 tại 30

3 tại 30 kHz

kHz
 Vuông pha

 3

tại

 3 tại 80 kHz

80

kHz

 3 tại 80 kHz

1 tại 20 kHz

Các ngõ ra xung

2

Thẻ nhớ

Thẻ nhớ SIMATIC (tùy chọn)

Thời gian lưu giữ đồng
hồ thời gian thực
PROFINET

3 tại 20 kHz

Thông thường 10 ngày / ít nhất 6 ngày tại 400C
1 cổng truyền thơng Ethernet

Tốc độ thực thi tính

18 μs/lệnh

tốn thực
Tốc độ thực thi

0,1 μs/lệnh

Boolean

Table 3.1-1 Thông số kĩ thuật PLC S7-1200

10


Trần Việt Hưng Đặng Huy Hồng Thái Bá Hồng

Khóa luận tốt nghiệp

Họ S7-1200 cung cấp một số lượng lớn các module tín hiệu và bảng tín hiệu để mở
rộng dung lượng của CPU. Người dùng cịn có thể lắp đặt thêm các module truyền thông
để hỗ trợ các giao thức truyền thông khác.
Module

Chỉ ngõ vào

Chỉ ngõ ra

Kết hợp In/Out
8 x DC In / 8 x

8 x DC In

Module tín hiệu

8 x DC Out

DC Out

8 x Relay Out

8 x DC In / 8 x
Relay Out

Kiểu số
16 x DC Out

(SM)

16 x DC In

16 x Relay
Out

(SB)

DC Out
16 x DC In / 16 x
Relay Out

4 x Analog In

2 x Analog In

4 x Analog In / 2

8 x Analog In

4 x Analog In

x Analog Out

Kiểu số

_

_

Kiểu tương tự

_

1 x Analog In

Kiểu tương tự
Bảng tín hiệu

16 x DC In / 16 x

2 x DC In / 2 x
DC Out
_

Module truyền thông (CM)
 RS485
 RS232

Table 3.1-2 Các Module mở rộng

3.1.3 Các bảng tín hiệu
Một bảng tín hiệu (SB) cho phép người dùng thêm vào I/O cho CPU. Người dùng
có thể thêm một SB với cả I/O kiểu số hay kiểu tương tự. SB kết nối vào phía trước của
CPU.
 SB với 4 I/O kiểu số (ngõ vào 2 x DC và ngõ ra 2 x DC)
 SB với 1 ngõ ra kiểu tương tự.

11


Trần Việt Hưng Đặng Huy Hồng Thái Bá Hồng

Khóa luận tốt nghiệp

Figure 3.1-2 Các bảng tín hiệu của PLC S7-1200

(1) Các LED trạng thái trên SB
(2) Bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo ra
3.1.4 Các module tín hiệu.
Người dùng có thể sử dụng các module tín hiệu để thêm vào CPU các chức năng.
Các module tín hiệu kết nối vào phía bên phải của CPU.

Figure 3.1-3 Các Module tín hiệu của PLC S7-1200

(1) Các LED trạng thái dành cho I/O của module tín hiệu
(2) Bộ phận kết nối đường dẫn
(3) Bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo ra

12


Trần Việt Hưng Đặng Huy Hồng Thái Bá Hồng

Khóa luận tốt nghiệp
3.1.5 Các module truyền thông.

Họ S7-1200 cung cấp các module truyền thơng (CM) dành cho các tính năng bổ sung
vào hệ thống. Có 2 module truyền thơng: RS232 và RS485.
 CPU hỗ trợ tối đa 3 module truyền thông.
 Mỗi CM kết nối vào phía bên trái của CPU (hay về phía bên trái của một CM
khác).

Figure 3.1-4 Các Module truyền thông của PLC S7-1200

(1) Các LED trạng thái dành cho module truyền thông
(2) Bộ phận kết nối truyền thơng
3.1.6 Ưu điểm PLC S7-1200 so với những dịng PLC trước
3.1.6.1 Về phần cứng
Khả năng mở rộng:

13


Trần Việt Hưng Đặng Huy Hồng Thái Bá Hồng

Khóa luận tốt nghiệp

Figure 3.1-5 PLC S7-1200 và S7-200

Tín hiệu I/O và tín hiệu trên PLC:

Table 3.1-3 Bảng I/O trên PLC

14


Khóa luận tốt nghiệp

Trần Việt Hưng Đặng Huy Hồng Thái Bá Hồng

Về cấu hình phần cứng:
 Đối với PLC S7 – 200 không thể thay đổi được vùng địa chỉ I/O mà nó tự
động nhận.
 Đối với PLC S7 – 1200 có thể thay đổi được vùng địa chỉ I/O tùy theo
người sử dụng.
3.1.6.2 Về kết nối, phần mềm
SIMATIC S7-1200 thích hợp với nhiều ứng dụng tự động hóa khác nhau, cấp độ từ
nhỏ đến trung bình.
Đặc điểm nổi bật là S7-1200 được tích hợp sẵn cổng truyền thơng Profinet
(Ethernet), sử dụng chung một phần mềm Simatic Step 7 Basic cho việc lập trình PLC và
các màn hình HMI. Điều này giúp cho việc thiết kế, lập trình, thi cơng hệ thống điều
khiển được nhanh chóng, đơn giản. Bên cạnh CPU S7-1200 và phần mềm lập trình mới,
một dải sản phẩm các màn hình HMI mới dùng cho S7-1200 cũng được giới thiệu. Tất cả
cùng tạo ra một giải pháp tích cực, thống nhất cho thị trường tự động hóa cỡ nhỏ.
S7-1200 bao gồm các họ CPU 1211C, 1212C, 1214C. Mỗi loại CPU có đặc điểm
và tính năng khác nhau, thích hợp cho từng ứng dụng. Bên cạnh truyền thơng Ethernet
được tích hợp sẵn, CPU S7-1200 có thể mở rộng được 3 module truyền thông khác nhau,
giúp cho việc kết nối được linh hoạt.

15