đồ án tốt nghịêp ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DUY TRÌ ÁP SUẤT ỨNG DỤNG TRONG CUNG CẤP NƯỚC SẠCH

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DUY TRÌ ÁP SUẤT ỨNG DỤNG TRONG CUNG CẤP NƯỚC SẠCH

Người thực hiện:

Người hướng dẫn:

Lớp :

MỤC LỤC

Trang

Chương I Tổng Quan

1.1 Khảo sát tại khách sạn DEAWOO------------------------------------------ 4

1.2 Vận dụng vào đề tài------------------------------------------------------------ 6

1.3 Tính thực tế của đề tài--------------------------------------------------------- 8

Chương II Đo áp suất

2.1 Áp suất và đơn vị đo áp suất-------------------------------------------- 9

2.1.1 Định nghĩa áp suất------------------------------------------------------ 9

2.1.2 Đơn vị đo áp suất-------------------------------------------------------- 9

2.2 Các phương pháp đo áp suất nước (chất lưu)----------------------------- 9

2.2.1 Các phương pháp đo áp suất tĩnh------------------------------------- 9

2.2.2 Phương pháp đo áp suất động--------------------------------------- 10

2.3 Cảm biến áp suất------------------------------------------------------------- 11

2.3.1 Lựa chọn loại cảm biến áp suất trong mô hình đồ án----------- 11

2.3.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động------------------------------------ 12

2.4 Kết quả đo tín hiệu ra của cảm biến áp suất----------------------------- 14

2.5 Sử dụng cảm biến áp suất trong đề tài------------------------------------ 15

Chương III Biến Tần

3.1 Tổng quan về biến tần------------------------------------------------------- 16

3.1.1 Cấu tạo chung và nguyên tắc hoạt động--------------------------- 17

3.1.2 Các tính chất ----------------------------------------------------------- 18

3.1.3 Các thông số kỹ thuật của MM440--------------------------------- 19

3.1.4 Các đầu dây điều khiển----------------------------------------------- 21

3.2 Giới thiệu một số thông số của biến tần MM440----------------------- 22

3.2.1 Các thông số cài đặt nhanh------------------------------------------ 22

3.2.2 Các thông số cài đặt ứng dụng-------------------------------------- 22

3.3 Ứng dụng biến tần MM440 vào đề tài------------------------------------ 23

3.3.1 Các tham số về động cơ---------------------------------------------- 23

3.3.2 Các tham số về giao tiếp nối tiếp USS----------------------------- 24

3.3.3 Các tham số về điều khiển vòng kín PID------------------------- 24

3.3.4 Các tham số về các đầu vào ADC---------------------------------- 25

3.3.5 Các tham số liên quan khác ----------------------------------------- 25

Chương IV Điều khiển lập trình

4.1 Các giải pháp điều khiển --------------------------------------------------- 26

4.2 Giới thiệu chung về PLC---------------------------------------------------- 26

4.3 Các giao thức giao tiếp mạng trong S7 – 200-------------------------- 27

4.3.1 Điều kiện sử dụng giao thức USS---------------------------------- 27

4.3.2 Trình tự lập trình sử dụng các lệnh USS -------------------------- 28

4.4 Vòng điều khiển ổn định áp suất------------------------------------------ 28

4.5 Kết nối PLC và biến tần----------------------------------------------------- 29

4.6 Thiết lập các tham số cho biến tần---------------------------------------- 30

4.7 Chương trình điều khiển---------------------------------------------------- 31

4.7.1 Thuật điều khiển ------------------------------------------------------ 31

4.7.2 Chương trình điều khiển--------------------------------------------- 32

Chương V Kết luận và khuyến nghị------------------------------------------------- 33

Tài liệu tham khảo---------------------------------------------------------------------- 35

TỔNG QUAN

1.1 Khảo sát tại khách sạn DAEWOO

Khách sạn DAEWOO là một trong những khách sạn hành đầu của nước ta. Khách sạn gồm hơn 400 phòng. Khách sạn với diện tích 2000 m². Là một trong số những khách sạn lớn và hiện đại nên trong khách sạn bao gồm rất nhiều thiết bị lớn như hệ thống giặt là, làm lạnh và làm ấm (hệ thống điều hoà, quạt gió, hệ thống cung cấp nước sạch). Những thiết bị đó trong khách sạn phần lớn đều dùng biến tần để điều khiển. Các biến tần này đều là loại chuyên dụng, phù hợp với từng thiết bị.

Trong phạm vi đề tài này ta chỉ đi nghiên cứu về hệ thống cung cấp nước. Hệ thống bơm cung cấp cho khách sạn

Số lượng bơm: 6

Hệ thống bơm cung cấp 1000m³ /ngày

Công suất của động cơ: 22kw – 380v (động cơ KĐB 3 pha)

Duy trì áp suất 8,5 đến 9 bar

Gồm các công tắc tơ, rơle, VSD, bộ điều khiển

Hệ thống bơn này dùng biến tần của hãng Danfoss (Đan Mạch) để điều chỉnh tốc độ động cơ. Sở dĩ, khách sạn dùng biến tần của Danfoss mà không dùng biến tần của Siemens – một loại biến tần thông dụng ở Việt Nam là vì: Biến tần của Danfoss là một loại biến tần chuyên dụng cho bơm và quạt, như thế khi sử dụng biến tần này ta không phải xác định đặc tính tải nữa.

Giá thành của Danfoss ban đầu mua vào tuy đắt hơn 1,2 đến 1,3 lần so với Siemens, tuy nhiên nó vẫn đảm bảo được tính kinh tế vì khả năng tiết kiệm điện năng của nó mang lại.

Bộ điều khiển là phần mềm chuyên dụng của hãng. Nó rất dễ sử dụng và thông qua bảng điều khiển. Tại đây, bộ điều khiển sẽ xử lý các tín hiệu đưa về và đưa ra quyết định điều khiển hợp lý.

Bộ điều khiển này chỉ điều khiển 4 bơm trong hệ thống 6 bơm, hai bơm còn lại đều nối trực tiếp vào biến tần chạy trực tiếp mà không qua bộ điều khiển, sở dĩ có điều này bởi vì hai bơm này có tác dụng dự phòng trong trường hợp 4 bơm còn lại không chạy hoặc bộ điều khiển bị hỏng.

Cảm biến áp suất được đặt ở ngay đầu ra của bơm. Áp suất luôn được duy trì trong khoảng 8,5 đến 9 Bar. Hệ thống dùng hai cảm biến áp suất: một đưa về bộ điều khiển, một đưa về để làm tín hiệu cho biến tần dự phòng.

Nguyên tắc hoạt động ở đây:

Nước được bơm trực tiếp từ bể chứa, qua bể lọc (thông qua bơm trung gian) sau đó được hệ thống bơm đưa đi đến các đường ống. Hệ thống bơm có một bơm được nối vào bộ biến tần. Bơm nào được nối là do bộ điều khiển quyết định. Giả sử bơm số một luôn được nối, biến tần điều chỉnh tốc độ của bơm này để duy trì được áp suất mong muốn. Khi bơm số một được điều chỉnh dến tốc dộ tối đa mà chưa đáp ứng được áp suất đầu ra thì biến tần điều chỉnh cho tốc độ bơm này giảm xuống. Bơm số hai được đóng vào, dưới tác dụng của biến tần bơm số 2 được tăng dần tốc độ và điều chỉnh đến khi nào đáp ứng được yêu cầu. Hoạt động của bơm số 3 và bơm số 4 tương tự như vậy. Không có trường hợp cả 6 bơm cùng hoạt động.

Hai bơm được ngắt ra làm bơm dự phòng, bộ biến tần điều chỉnh tốc độ, hai bơm chạy trực tiếp.

Trong quá trình cung cấp nước trong ngày, có thể có một số bơm không sử dụng đến. Để chống bó cho động cơ, bộ điều khiển cho động cơ chạy 10s. Ta cũng không thể để một bơm được nối vào biến tần chạy trực tiếp quá nhiều nên sau khoảng 10 ngày thay luân phiên bơm trực tiếp.

Hình 1.1: Sơ đồ sử dụng biến tần điều khiển cho một bơm

1.2 Vận dụng vào đề tài

1. Sơ đồ tổng quát của hệ thống

Từ yêu cầu của đề tài là: Sử dụng biến tần - PLC để điều khiển, điều chỉnh tốc độ hai động cơ bơm để ổn định áp suất trên đường ống của hệ thống bơm nước, sau khi đi khảo sát hệ thống bơm nước tại khách sạn DAEWOO chúng em xây dựng sơ đồ tổng quát của hệ thống như hình 1.3.

2. Cách đặt cảm biến áp suất

Cảm biến áp suất được đặt ở ngay đầu ra của hệ thống bơm như trong hình 1.3. Cảm biến này sẽ đo áp suất đầu vào của hệ thống đường ống, áp suất này luôn được duy trì trong một khoảng giá trị nào đó sao cho cuối đường ống áp suất vẫn đủ cung cấp theo yêu cầu.

3. Cách thức điều khiển hệ thống

Đầu tiên cho động cơ bơm 1 khởi động bằng cách đóng điện cho V1.
Động cơ bơm sẽ khởi động và bơm nước vào đường ống. Biến tần sẽ lấy tín hiệu phản hồi về từ cảm biến áp suất để điều chỉnh tốc độ động cơ, duy trì áp suất trên đường ống. Khi tốc độ động cơ bơm 1 đã đạt định mức mà áp suất trên đường ống chưa đủ, khối điều khiển (PLC) sẽ ngắt điện V1 và đóng điện cho L1 đồng thời đóng điện cho V2. Lúc này động cơ bơm được ngắt điện cung cấp từ biến tần và được cấp điện trực tiếp từ lưới (tốc độ động cơ bơm 1 vẫn duy trì được giá trị định mức). Động cơ bơm 2 được cấp điện và được điều chỉnh qua biến tần để bù thêm lượng P cho đường ống. Nếu áp suất trên đường ống vượt quá giá trị đạt biến tần sẽ điều chỉnh tốc độ động cơ bơm 2 để giảm áp suất. Trường hợp áp suất giảm tới một giá trị giới hạn nào đó mà áp suất trên đường ống vẫn cao hơn giá trị đặt, PLC sẽ ngắt điện động cơ bơm 2 bằng cách ngắt điện V2. Đồng thời cấp điện cho động cơ bơm 1 qua biến tần bằng cách ngắt điện L1 sau đó đóng điện cho V1, biến tần sẽ điều chỉnh tốc độ động cơ bơm 1 để duy trì áp suất trên đường ống.

Ở sơ đồ này vai trò của động cơ bơm 1 và 2 là tương đương, chúng có thể thay phiên nhau hoạt động thường trực tránh trường hợp một động cơ hoạt động liên tục trong thời gian dài. Trong quá trình cung cấp nước trong ngày, có thể một động cơ bơm sẽ không được sử dụng đến sẽ có thể gây ra hiện tượng bó động cơ. Để chống bó cho động cơ, ta có thể đóng điện cho động cơ chạy trong một thời gian ngắn trong ngày.

Hình 1.2: Sử dụng biến tần cho nhiều bơm

Hình 1.3: Sơ đồ tổng quát hệ thống

1.3 Tính thực tế của đề tài

* Vieọc mong muoỏn coự moọt saỷn phaồm toỏt ủaựp ửựng ủửụùc nhu caàu coõng ngheọ, tieỏt kieọm naờng lửụùng, hieọu naờng cao, ủoọ tin caọy lụựn, nhoỷ goùn, ...vaứ giá thaứnh hụùp lyự luoõn laứ caựi ủớch hửụựng tụựi cuỷa khoa hoùc coõng ngheọ

* Khoa hoùc coõng ngheọ ngaứy caứng phaựt trieồn vửụùt baọc nhaỏt laứ vieọc ửựng dụng cuỷa coõng ngheọ ủieọn tửỷ vi maùch - ủieọn tửỷ coõng suaỏt coự theồ taùo ra ủửụùc nhửừng saỷn phaồm coự chửực naờng xửỷ lyự troùn veùn moọt quaự trỡnh, moọt khaõu, thaọm chớ caỷ heọ thoỏng… vieọc tieỏp caọn nhửừng coõng ngheọ mụựi cuừng nhử coõng ngheọ cuỷa nửụực ta coứn nhieàu haùn cheỏ. PLC – BIEÁN TAÀN hieọn nay vaón ủang laứ nhửừựng coõng ngheọ hieọn ủaùi haứng ủaàu vụựi tớnh naờng noồi troọi laứ ủieàu khieồn chớnh xaực, daỷi ủieàu chổnh roọng (taàn soỏ 0 – 650 Hz), tieỏt kieọm ủửụùc naờng lửụùng ủeỏn 40%, ủoọ tin caọy cao …Vaọy neõn vụựi moọt sinh vieõn hoùc ngaứnh tửù ủoọng hoựa coõng nghieọp saộp ra trửụứng vieọc ủửụùc tieỏp caọn moọt coõng ngheọ mụựi laứ moọt may maộn cho nhoựm chuựng em.

* Qua quá trình khảo sát thực tế tại khách sạn DAEWOO của nhóm, chúng em thấy rằng trong các hệ thống bơm nước ở những nhà cao tầng, khách sạn hay việc cung cấp nước sạch cho cả thành phố…việc duy trì áp suất không đổi trong đường ống là một vấn đề đặt ra. Để giải quyết vấn đề này, ta không thể dùng phương pháp bơm thông thường như: đóng máy trực tiếp bằng tay, hay hẹn giờ. Bởi vì thực tế việc sử dụng nước ở những giờ khác nhau trong ngày, áp suất ở các vị trí trên đường ống cung cấp là khác nhau. Biến tần với khả năng như: kết nối với máy tính, giao tiếp với PLC, kết nối mạng...do đó nó hoàn toàn có khả năng giải quyết vấn đề trên. Trong biến tần tích hợp sẵn bộ điều khiển PID cùng với các đầu vào, đầu ra tương tự và số do đó có khă năng kết hợp với các phần tử khác tạo nên một hệ thống điều khiển tự động hoàn toàn. Biến tần có thể điều chỉnh để thay đổi tốc độ động cơ 3 pha rất rộng và trơn do đó nó được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp cũng như trong các hệ thống điều khiển tự động.

CHƯƠNG II

ĐO ÁP SUẤT

2.1 Áp suất và đơn vị đo áp suất

2.1.1 Định nghĩa áp suất

Nếu cho một chất lỏng hoặc khí (gọi chung là chất lưu) vào trong một bình chứa nó sẽ gây nên lực tác dụng lên thành bình gọi là áp suất. Áp suất này phụ thuộc vào bản chất của chất lưu, thể tích mà nó chiếm trước và sau khi đưa vào bình và vào nhiệt độ.

Áp suất p của chất lưu được xác định từ lực dF tác dụng vuông góc lên diện tích ds của thành bình

p =

Thương số này không phụ thuộc vào định hướng của bề mặt ds mà chỉ phụ thuộc vào vị trí của nó trong chất lưu.

Để đo áp suất người ta sử dụng một nguyên tắc giống nhau, áp suất được đo tác dụng lên một bề mặt xác định, như vậy đầu tiên áp suất được đo biến thành lực. Việc đo áp suất được đưa về đo lực. Tất cả lực tác dụng lên một mặt phẳng xác định là thước đo áp suất. Ta có: p = F / A

2.1.2 Đơn vị đo áp suất

Có nhiều đơn vị thường được dùng để đo áp suất như: Pascal , bar , kg/ cm², atmosphe, cm cột nước, mmHg, mbar. Nhưng Uỷ ban quốc tế chọn Pascal (Pa) = Newton/m² là đơn vị áp (ISO 1000; DIN 1301). Thường việc phân chia thang đo của máy đo áp suất được dùng với bội của đơn vị Pascal.

– 1 mbar = 10² Pa

– 1 bar = 10⁵ Pa

2.2 Các phương pháp đo áp suất nước (đo áp suất của chất lưu)

2.2.1 Các phương pháp đo áp suất tĩnh

Việc đo áp suất của chất lưu không chuyển động dẫn đến phép đo lực F tác dụng lên diện tích s của thành bình phân chia 2 môi trường, trong đó một môi trường chứa chất lưu là đối tượng cần đo áp suất. Có thể chia ra 3 trường hợp chính:

– Đo áp suất lấy qua một lỗ có tiết diện hình tròn được khoan trên thành bình.

– Đo trực tiếp sự biến dạng của thành bình do áp suất gây nên.

– Đo bằng một cảm biến áp suất để chuyển tín hiệu đầu vào (là áp suất) thành tín hiệu điện đầu ra chứa thông tin liên quan đến giá trị của áp suất cần đo và sự thay đổi của nó theo thời gian.

Trong cách đo trích lấy áp suất qua một lỗ nhỏ phải sử dụng một cảm biến đặt gần sát thành bình. Sai số của phép đo sẽ nhỏ với điều kiện là thể tích chết của kênh dẫn và của cảm biến phải không đáng kể so với thể tích tổng cộng của chất lưu cần đo áp suất.

Trong trường hợp đo trực tiếp, người ta gắn lên thành bình các cảm biến đo ứng suất để đo biến dạng của thành bình. Biến dạng này là hàm của áp suất.

Ngoài ra, có thể dùng một ống đặc biệt có khả năng biến dạng dưới tác dụng của áp suất để làm vật trung gian. Khi đo áp suất trong một đường ống dẫn chất lưu, người ta đặt một áp kế dạng ống nối tiếp với đường dẫn khảo sát. Bằng cách chọn vật liệu thích hợp, có thể sử dụng ống trong trường hợp có biến dạng lớn và tăng độ nhạy của áp kế.

Trong trường hợp đo bằng cảm biến áp suất, vật trung gian thường là các phần tử đo lực có một thông số, ví dụ thông số hình học có khả năng thay đổi dưới tác dụng của lực F = p. s, cảm biến áp suất có trang bị thêm bộ chuyển đổi điện để chuyển những thay đổi kích thước của ống dưới tác dụng của áp suất cần đo (đại lượng cơ trung gian) thành tín hiệu điện.

2.2.2 Phương pháp đo áp suất động

Khi nghiên cứu chất lưu chuyển động cần phải tính đến ba dạng áp suất cùng tồn tại: áp suất tĩnh ( p_s) của chất lưu không chuyển động, áp suất động (p_d) do chuyển động với vận tốc v của chất lưu gây lên và áp suất tổng cộng Pt là tổng của hai áp suất trên:

Pt = p_s + p_d

Áp suất tĩnh p_s được đo bằng một trong các phương pháp vừa trình bày. Áp suất động tác dụng lên mặt phẳng đặt vuông góc với dòng chảy sẽ làm tăng áp suất tĩnh và có giá trị tỉ lệ với bình phương vận tốc, nghĩa là:

p_d=

trong đó là khối lượng riêng của chất lưu.

Việc đo áp suất này trong chất lưu chuyển động có thể được thực hiện bằng việc nối với hai đầu ra của ống Pitot hai cảm biến, một cảm biến đo áp suất tổng cộng và một cảm biến đo áp suất tĩnh. Khi đó áp suất động sẽ là hiệu của áp suất tổng cộng và áp suất tĩnh : P_d= P_t - P_s.

Trong đề tài này ta sử dụng cảm biến áp suất và đo áp suất tĩnh bằng phương pháp lấy một lỗ nhỏ của ống dẫn nước sau đó lắp cảm biến vào thông qua cơ cấu lắp đặt để hạn chế sự ảnh hưởng của áp suất động, tránh sự tác động trực tiếp của chất lưu lên cảm biến sẽ tạo ra áp suất động gây lên sự bất ổn tín hiệu ra của cảm biến. Đó cũng là phương pháp đo áp suất nước trong hệ thống cung cấp nước và duy trì áp suất ở khách sạn Deawoo.

2.3 Cảm biến áp suất

Cảm biến là phần tử cơ bản của bộ biến đổi áp suất, nó xác định đặc tính làm việc của thiết bị.

Các bộ biến đổi áp suất hoạt động dựa trên cơ sở 3 loại cảm biến chính. Đó là cảm biến điện trở tenxơ, điện dung và điện cảm.

2.3.1 Lựa chọn loại cảm biến áp suất sử dụng trong mô hình đề tài

Từ những số liệu có trước như áp suất nước cần duy trì là 0.5 bar, biến tần sử dụng trong mô hình là loại MM440 của Siemens có 2 đầu vào tương tự là:

– 0 tới 10 V, 0 tới 20mA và -10 +10V

– 0 tới 10 V, 0 tới 20mA

Cũng như căn cứ vào những thiết bị trong khoa sẵn có, ta lựa chọn loại cảm biến áp suất của Siemens có những thông số sau:

– Dải áp suất: 0….6 bar/ Pmax 12 bar

– Đầu ra tương tự : 4….20 mA

– Nguồn cung cấp: 10….36 VDC

– Ký hiệu chân trên thân cảm biến: 1(+) 2(-) chân còn lại ký hiệu mass.

Có 3 đầu ra:

– 1( +) là dây có màu nâu ta nối với nguồn cấp cho cảm biến.

– 2( -) là chân có màu xanh sẫm ta nối với đầu vào tương tự của biến tần.

– Và đầu còn lại có màu vàng sọc xanh nhạt nối mass bảo vệ.

Hình 2.2: Sơ đồ chân của cảm biến

Đây là loại cảm biến có đầu ra là dòng điện tỉ lệ thuận với sự tăng dần của áp suất chất lưu.

Hình 2.3: Sơ đồ khối của thiết bị đo áp suất

Trong đó:

– 1: Là phần tử cảm biến áp suất.

2.3.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Cảm biến áp suất với mạch tổ hợp điện trở áp điện bán dẫn được sản xuất nhiều cho việc đo áp suất và hiệu áp. Với kỹ thuật bán dẫn người ta chế tạo màng đo áp suất hoàn toàn bằng vật liệu silic. Điều này đưa tới việc toàn bộ kỹ thuật để chế tạo một cảm biến áp suất có thể thực hiện trên cùng một chip silic.

Hinh 2.4: Sơ đồ bên hoạt động bên trong của cảm biến

Cầu điện trở

Hình 2.6: Cầu điện trở

Hình trên ta có cầu điện trở của cảm biến với 4 điện trở giống nhau khi màng silic bị uốn cong R1 và R3 gia tăng trị số, trong khi đó trị số điện trở R2 và R4 giảm đi. Do đó độ nhạy của cầu được gia tăng. Điện áp ra U_A của cầu được tính như sau:

Với một kỹ thuật thích ứng người ta có thể chế tạo sao cho các điện trở Ri có trị số giống nhau và sự thay đổi Ri cũng bằng nhau. Phương trình của U_A có thể được rút gọn như sau:

= K.

: là độ uốn cơ học, K: là hệ số tỉ lệ

Hàm số cho độ uốn cơ học của màng silic theo phép tính gần đúng bậc 1 có sự tuyến tính, do đó giữa điện áp ra và áp suất cũng có sự liên hệ tuyến tính:

U_A = Ucc. K.

Khi độ uốn gia tăng khá cao ta không còn sự tuyến tính nữa. Với 2 điện trở do sự gia tăng của độ uốn, một có trị số gia tăng và một có trị số giảm đi. Với sự chọn lựa trị số Ri hơi khác một ít, hiệu ứng này có thể được triệt tiêu một phần nào.

Như vậy thông qua cầu điện trở này sự thay đổi của lực (áp suất nước) sẽ cho ra tín hiệu áp của cảm biến và thông qua biến đổi U/ I ta sẽ được đầu ra dòng tương ứng là tín hiệu ra của cảm biến.

2.4 Kết quả đo trên thiết bị tạo môi trường đo với cơ cấu đo mới và kết quả đo trên mô hình

Kết quả đo trên thiết bị tạo môi trường đo với cơ cấu đo mới			Kết quả đo trên mô hình
Bar	mA	Hz	Bar	mA
0.00	3.5	00	0.00	4.1
0.25	5.5	28	0.25	5.5
0.50	5.9	33	0.50	6.2
0.75	6.5	37	0.75	6.9
1.00	7.0	42	1.00	7.5
1.25	7.6	46	1.25	8.0
1.50	8.2	50
1.75	9.0	50
2.00	9.5	50
2.25	10	50

Đồ thị bar - m A :

Nhận xét:

– Đầu ra của cảm biến tỉ lệ với áp suất.

– Đối với mô hình tuy mới đo áp suất được đến 1 bar nhưng kết quả cũng cho tương tự như trên thiết bị tạo môi trường đo, và gần sát với đường đặc tuyến chuẩn của cảm biến.

– Với kết quả đo này thì tín hiệu dòng ra của cảm biến tăng lên một cách tỉ lệ với áp suất. Tín hiệu này khi đưa vào biến tần thì biến tần có thể nhận và căn cứ vào đó để điều chỉnh tần số của động cơ, duy trì áp suất.

2.5 Sử dụng cảm biến áp suất trong đề tài

Bằng cơ sở lý thuyết và thực nghiệm trên thiết bị tạo môi trường đo cũng như đi khảo sát thực tế hệ thống cung cấp nước và duy trì áp suất ở khách sạn Deawoo. Trong đồ án này chúng em lựa chọn loại cảm biến như đã giới thiệu ở trên để đo và gửi tín hiệu ra cho biến tần cùng với PLC sẽ điều chỉnh tốc độ bơm và số lượng bơm để duy trì áp suất trong đường ống, khi ta vặn các van xả nước thì nước lại được bơm lên và áp suất trong ống luôn không đổi là 0.5 bar. Cách đo áp suất nước là đo áp suất tĩnh bằng cách trích một lỗ nhỏ của ống dẫn nước sau đó lắp cảm biến vào thông qua cơ cấu lắp đặt để hạn chế sự ảnh hưởng của áp suất động, tránh sự tác động trực tiếp của chất lưu lên cảm biến sẽ tạo ra áp suất động gây lên sự bất ổn tín hiệu ra của cảm biến.

CHƯƠNG III

BIẾN TẦN

3.1 Tổng quan về biến tần MM440

Ngày nay, việc tự động hóa trong công nghiệp và việc ổn định tốc độ động cơ đã không còn xa lạ gì với những người đang công tác trong lĩnh vực kỹ thuật. Biến tần là một trong những thiết bị hộ trợ đắc lực nhất trong việc ổn định tốc độ và thay đổi tốc độ động cơ một cách dễ dàng nhất mà hầu hết các xí nghiệp đang sử dụng. Trong phạm vi đề tài chỉ giới thiệu về họ biến tần được sử dụng là MicroMaster 440. MM440 chính là họ biến tần mạnh mẽ nhất trong trong dòng các biến tần tiêu chuẩn. Khả năng điều khiển Vector cho tốc độ và Môment hay khả năng điều khiển vòng kín bằng bộ PID có sẵn đem lại độ chính xác tuyệt vời cho các hệ thống truyền động quan trọng như các hệ thống nâng chuyển, các hệ thống định vị. Không chỉ có vậy, một loạt khối logic sẵn có lập trình tự do cung cấp cho người sử dụng sự linh hoạt tối đa trong việc điều khiển hàng loạt các thao tác một cách tự động. MicroMaster 440 lμ bộ biến đổi tần số dùng điều khiển tốc độ động cơ 3 pha xoay chiều. Có nhiều loại khác nhau từ 120W nguồn vμo 1 pha đến 200kW nguồn vμo 3 pha. Các biến tần dùng vi xử lý để điều khiển vμ dùng công nghệ transistor l−ỡng cực cửa cách ly. Điều nμy lμm cho chúng đáng tin cậy vμ linh hoạt. Một ph−ơng pháp điều chế độ rộng xung đặc biệt với tần số xung đ−ợc chọn cho phép động cơ lμm việc êm. Biến tần có nhiều chức năng bảo vệ vμ bảo vệ động cơ.

Hình 3.1: Biến tần MM440 của Siemen

Biến tần MICROMASTER 440 với các thông số đặt mặc định của nhμ sản xuất, có thể phù hợp với một số ứng dụng điều khiển động cơ đơn giản. Biến tần MICROMASTER 440 cũng đ−ợc dùng cho nhiều các ứng dụng điều khiển động cơ cấp cao nhờ danh sách các thông số hỗn hợp của nó.

Biến tần MICROMASTER 440 có thể dùng trong hai ứng dụng "kết hợp vμ riêng lẻ" khi tích hợp trong "hệ thống tự động hoá".

3.1.1 Cấu tạo chung và nguyên tắc hoạt động

MM 440 thay đổi điện áp hay tốc độ cho động cơ xoay chiều bằng cách chuyển đổi dòng điện xoay chiều cung cấp (AC Supply) thành dòng điện một chiều trung gian (DC Link) sử dụng cầu chỉnh lưu. Sau đó điện áp một chiều DC Link lại được nghịch lưu thành điện áp xoay chiều cung cấp cho động cơ với giá trị tần số thay đổi. Nguồn cung cấp cho biến tần có thể sử dụng nguồn xoay chiều một pha (cho công suất thấp), hay sử dụng nguồn xoay chiều ba pha. Phần điện áp một chiều trung gian chính là điện áp trên các tụ điện, các tụ điện đóng vai trò san phẳng điện áp một chiều sau chỉnh lưu và cung cấp cho phần nghịch lưu. Điện áp trên tụ không điều khiển được và phụ thuộc vào điện áp đỉnh của nguồn xoay chiều cung cấp.

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý của biến tần

Điện áp một chiều được chuyển thành điện áp xoay chiều sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation – PWM). Dạng sóng mong muốn được tạo lên bởi sự đóng cắt ở đầu ra của các transistors. MM440 sử dụng các IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) ở mạch nghịch lưu, điện áp xoay chiều mong muốn đựơc tạo ra bằng cách thay đổi tần số đóng cắt của các IGBTs. Điện áp xoay chiều ở đầu ra là sự tổng hợp của hàng loạt các xung vuông với các giá trị khác nhau ở đầu ra của các IGBTs, được thể hiện ở hình 3.3.

Hình 3.3: Pulse Width Modulation – PWM

3.1.2 Các tính chất

Các đặc điểm chính

– Dễ dμng lắp đặt, đặt thông số vμ vận hμnh.

– Thời gian tác động lặp đến các tín hiệu điều khiển nhanh.

– Các thông số hỗn hợp cho phép thực hiện đ−ợc nhiều ứng dụng.

– Đấu nối cáp đơn giản.

– Có các đầu ra rơ le.

– Có các đầu ra t−ơng tự (0 _ 20mA)

– 6 cổng vμo số cách ly NPN/PNP

– 2 cổng vμo t−ơng tự

– AIN1: 0-10V, 0-20mA vμ -10 - +10V

– AIN2: 0-10V, 0-20mA

– 2 đầu vμo t−ơng tự có thể dùng nh− cổng vμo số 7 vμ 8

– Thiết kế các môdul với cấu hình cực kỳ linh hoạt.

– Tần số chuyển mạch cao lμm giảm độ ồn của động cơ khi lμm việc.

– Những chọn lựa ngoμi cho truyền thông với PC, panel vận hμnh cơ bản (BOP), panel điều khiển cấp cao (AOP) vμ module kết nối mạng Profibus.

Các đặc tính lμm việc

– Điều khiển dòng từ thông (FCC) để cải thiện tác động vμ điều khiển động cơ động.

– Giới hạn dòng điện nhanh (FCL) để lμm việc với phần cơ khí dừng tự do.

– Kết hợp hãm dùng dòng điện DC.

– Hãm kết hợp để cải thiện việc hãm động cơ.

– Với ch−ơng trình điều khiển thời gian khởi động / dừng động cơ mềm.

– Sử dụng chức năng điều khiển vòng kín PI

Các đặc tính bảo vệ

– Bảo vệ cho cả biến tần vμ động cơ.

– Bảo vệ quá áp vμ thấp áp.

– Bảo vệ quá nhiệt biến tần.

– Bảo vệ lỗi nối đất.

– Bảo vệ ngắn mạch.

– Bảo vệ nhiệt động cơ theo ph−ơng thức I²t

3.1.3 Các thông số kỹ thuật của MM440

Điện áp vào và công suất	200V đến 240V 1 AC ± 10% 0.12 ¸ 3kW 200V đến 240V 3 AC ± 10% 0.12 ¸ 45kW 380V đến 480V 3 AC ± 10% 0.37 ¸ 75kW 200V đến 240V 1 AC ± 10% 0.75 ¸ 75kW
Tần số điện vào	47 đến 63Hz
Tần số điện ra	0 đến 650Hz
Hệ số công suất	0.7
Hệ suất chuyển đổi	96 đến 97%
Khả năng quá tải	Quá dòng 1,5 ´ với dòng định mức trong 60 giây ở mỗi 300 giây hay 2 ´ dòng định mức trong 3 giây ở mỗi 300 giây
Dòng điện vào khởi động	Thấp hơn dòng điện vào định mức
Phương pháp điều khiển	Tuyến tính V/f; bình phương V/f; đa điểm V/f; điều khiển dòng từ thông FCC
Tần số điều chế xung (PWM)	2kHz đến 16kHz
Tần số cố định	15, tùy đặt
Dải tần số nhảy	4, tùy đặt
Độ phân giải điểm đặt	10 bit analog, 0.01Hz giao tiếp nối tiếp, 0.01Hz digital
Các đầu vào số	6 đầu vào số lập trình được, cách ly. Có thể chuyển đổi PNP/NPN
Các đầu vào tương tự	2, * 0 tới 10V, 0 tới 20mA và -10 tới +10V * 0 tới 10V, 0 tới 20mA
Các đầu vào rơ le	3, tùy chon chức năng 30VDC/5A, 250VAC/2A
Các đầu ra tương tự	2, tùy chọn chức năng; 0.25 – 20mA
Cổng giao tiếp nối tiếp	RS-485, vận hành với USS protocol
Hãm	Hãm DC, Hãm tổ hợp
Dải nhiệt độ làm việc	CT - 10⁰C đến +50⁰C VT - 10⁰C đến +40⁰C
Nhiệt độ bảo quản	- 40⁰C đến +70⁰C
Độ ẩm	95% không đọng nước
Độ cao lắp đặt	1000m trên mực nước biển
Các chức năng bảo vệ	Thấp áp, quá áp, chạm đất, ngắn mạch, chống kẹt, I²t quá nhiệt động cơ, quá nhiệt biến tần, khóa tham số PIN
Kích thước	Cỡ vỏ (FS) Cao x Rộng x Sâu kg A 73 x 173 x 149 1,3 B 149 x 202 x 172 3,4 C 185 x 245 x 195 5,7 D 275 x 520 x 245 17 E 275 x 650 x 245 22

3.1.4. Các đầu dây điều khiển

Đầu dây	Ký hiệu	Chức năng
1	-	Đầu nguồn ra +10V
2	-	Đầu nguồn ra 0V
3	ADC1+	Đầu váo tương tự số 1(+)
4	ADC1-	Đầu váo tương tự số 1(-)
5	DIN1	Đầu vào số 1
6	DIN2	Đầu vào số 2
7	DIN3	Đầu vào số 3
8	DIN4	Đầu vào số 4
9	-	Đầu ra cách ly +24v/max. 100mA
10	ADC2+	Đầu vào tương tự số 2(+)
11	ADC2-	Đầu vào tương tự số 2(-)
12	DAC1+	Đầu ra tương tự số 1(+)
13	DAC1-	Đầu ra tương tự số 1(-)
14	PTCA	Đầu dây nối cho PTC/KYT 84
15	PTCB	Đầu dây nối cho PTC/KYT 84
16	DIN5	Đầu vào số 5
17	DIN6	Đầu vào số 6
18	DOUT1/NC	Đầu ra số 1/ tiếp điểm NC
19	DOUT1/NO	Đầu ra số 1/ tiếp điểm NO
20	DOUT1/COM	Đầu ra số 1/ chân chung
21	DOUT2/NO	Đầu ra số 2/ tiếp điểm NO
22	DOUT2/COM	Đầu ra số 2/ chân chung
23	DOUT3/NC	Đầu ra số 3/ tiếp điểm NC
24	DOUT3/NO	Đầu ra số 3/ tiếp điểm NO
25	DOUT3/COM	Đầu ra số 3/ chân chung
26	DAC2+	Đầu ra tương tự số 2 (+)
27	DAC2-	Đầu ra tương tự số 2 (-)
28	-	Đầu ra cách ly 0 V/max. 100 mA
29	P+	Cổng RS485
30	N-	Cổng RS485

3.2 Giới thiệu một thông số của biến tần MM440

3.2.1 Các thông số cài đặt nhanh

Bộ biến tần MM440 tương thích với động cơ nhờ sử dụng chức năng cài đặt thông số nhanh, và các thông số kỹ thuật quan trọng sẽ được cài đặt. Cài đặt nhanh không cần thực hiện nếu thông số định mức của động cơ ghi mặc định trong bộ biến tần thích hợp với thông số định mức ghi trên nhãn của động cơ đang nối vào biến tần.

3.2.2 Các thông số cài đặt ứng dụng

Cài đặt ứng dụng để điều chỉnh hoặc tối ưu hóa sự kết hợp giữa bộ biến tần và động cơ cho một ứng dụng cụ thể. Bộ biến tần có nhiều tính năng nhưng không phải tất cả các tính năng đều cần thiết cho một ứng dụng cụ thể. Có thể bỏ qua các tính năng này khi cài ứng dụng.

Các ứng dụng của MM440:

– Các thông số cài đặt nối tiếp

– Đầu vào số (DIN)

– Các đầu ra số (DOUT)

– Chọn giá trị điểm đặt tần số

– Đầu vào tương tự (ADC)

– Đầu ra tương tự

– Cài đặt nối tiếp

– Bộ điều khiển PID

– Tần số cố định (FF), tạo các tần số cố định để động cơ làm việc

– Chạy nhấp, tạo ra tần số cố định để chạy nhấp thử động cơ

– Các thông số về bảo vệ bộ biến tần, như bảo vệ quá tải cho biến tần, cảnh báo nhiệt độ cho biến tần.

– Bảo vệ nhiệt cho động cơ.

– Encoder, sử dụng môdun encoder để phản hồi tốc độ động cơ trong các hệ thống vòng kín ổn định tốc độ

– Điều khiển V/f, chế độ điều khiển “đặc tính V/f” – tỷ số giữa điện áp ra của biến tần với tần số ra của biến tần.

– Điều khiển định hướng từ trường (FCC)

– Điều khiển vectơ không sensor (SLVC)

– Điều khiển vectơ có encoder (VC)

– Khởi động bám (Flying start - FS)

– Hãm một chiều (DC)

– Hãm hỗn hợp

– Hãm động năng

– Bộ điều khiển Vdc

– Các khối chức năng tự do (FFB)

– Tập dữ liệu lệnh và truyền động

3.3 Ứng dụng biến tần MM440 vào nội dung đề tài

Trong đề tài biến tần đóng vai trò hết sức quan trọng, ngoài nhiệm vụ giao tiếp nối tiếp với PLC S7-200 nó còn có chức năng tạo ra mạch phản hồi kín từ cảm biến áp suất. Biến tần nhận tín hiệu phản hồi trở về của cảm biến thông qua bộ PID để thay đổi tốc độ động cơ sao cho duy trì được áp suất mong muốn. Như vậy biến tần phải được đặt đầy đủ các tham số để thỏa mãn được yêu cầu trên.

Trước khi đặt thông số cho biến tần ta phải thực hiện việc cài đặt lại mặc định cho biến tần theo các bước sau:

P0003 = 1: Truy cập mức cơ bản

P0004 = 0: Lọc tất cả các thông số

P0010 = 30: Cài đặt thông số ở chế độ cài đặt khi xuất xưởng (mặc định)

P0970 = 1: Cài đặt lại thông số ở chế độ mặc định

3.3.1 Các tham số về động cơ

P0300 = 1: Động cơ sử dụng là loại động cơ không đồng bộ

P0304 = 230: Giá trị điện áp định mức của động cơ là 230V

P0305 = 1: Giá trị dòng điện định mức của động cơ là 1A

P0307 = 0.2: Giá trị công suất định mức của động cơ là 0.2 kW

P0308 = 0: Giá trị hệ số công suất định động cơ sẽ tự động được tính toán

P0309 = 0: Giá trị hiệu suất định mức của động cơ sẽ tự động được tính toán

P0310 = 50: Giá trị tần số định mức của động cơ là 50 Hz

P0311= 1400: Giá trị tốc độ định mức của động cơ là 1400 vòng/phút

P0320 = 0: Giá trị dòng từ hóa của động cơ sẽ được tự động tính toán

P0335 = 0: Chế độ làm mát động cơ là chế độ làm mát tự nhiên

P1080 = 0: Giá trị tần số nhỏ nhất cho động cơ là 0 Hz

P1082 = 50: Giá trị tần số lớn nhất cho động cơ là 50 Hz

P1120 = 2: Thời gian tăng tốc là 2s

P1121 = 2: Thời gian giảm tốc là 2s

3.3.2 Các tham số về giao tiếp nối tiếp USS

P2010 = 7: Đặt tốc độ Baud cho truyền thông USS là 19200 Baud

P2011 = 1: Đặt địa chỉ duy nhất cho biến tần MM440 là 1

P2012 = 2: Đặt chiều dài của PZD trong một lần truyền dữ liệu theo khiểu USS là 2 từ.

P2013 = 127: Đặt chiều dài của PKW trong một lần truyền dữ liệu theo khiểu USS có thể thay đổi.

3.3.3 Các tham số về điều khiển vòng kín PID

P2200 = 1: Cho phép kích hoạt bộ điều khiển PID

P2253 = 755.0: Chọn điểm đặt cho đầu vào bộ PID (PID setpoint) thông qua đầu vào tương tự số 1 (ADC1)

P2257 = 1: Đặt thời gian tăng tốc cho điểm đặt PID là 1s

P2258 = 1: Đặt thời gian giảm tốc cho điểm đặt PID là 1s

P2264 = 755.1: Chọn nguồn tín hiệu phản hồi PID (PID feedback) thông qua đầu vào tương tự số 2 (ADC2).

P2267 = 100: Đặt giá trị tín hiệu phản hồi PID lớn nhất là 100%

P2268 = 0: Đặt giá trị tín hiệu phản hồi PID lớn nhất là 0%

P2280 = 0.500: Đặt hệ số tỷ lệ cho bộ PID là 0.5

P2285 = 0.050: Đặt hằng số thời gian tích phân cho bộ điều khiển PID là 0.05 (hệ số này tùy thuộc vào hệ thống).

P2291 = 100: Đặt giới hạn trên cho đầu ra bộ điều khiển PID là 100%.

P2292 = 0: Đặt giới hạn dưới cho đầu ra bộ điều khiển PID là 0%.

3.3.4 Các tham số về các đầu vào ADC

P0756.0 = 3: Chọn đầu vào tương tự số 1 là đầu vào dòng điện

P0756.1 = 3: Chọn đầu vào tương tự số 2 là đầu vào dòng điện

P0757.0 = 0: Đặt giá trị x1 của thang ADC1 bằng 0 mA

P0757.1 = 3.7: Đặt giá trị x1 của thang ADC2 bằng 3.7 mA

P0759.0 = 20: Đặt giá trị x2 của thang ADC1 bằng 20 mA

P0759.1 = 7: Đặt giá trị x2 của thang ADC2 bằng 7 mA

P0761.0 = 0: Đặt chiều rộng của dải chết ADC1 là 0 mA

P0761.1 = 3.7: Đặt chiều rộng của dải chết ADC2 là 3.7 mA

3.3.5 Các tham số liên quan khác

P0700 = 5: Chọn nguồn lệnh từ USS trên đường truyền COM

P0719 = 52: Lựa chọn nguồn lệnh từ USS trên đường truyền COM và điểm đặt tần số là đầu vào tương tự

P1000 = 2: Lựa chọn điểm đặt tần số là đầu vào tương tự 1(ADC1)

P1070 = 755.0: Chọn kênh đặt chính là đầu vào tương tự 1(ADC1)

CHƯƠNG IV

ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH

4.1 Các giải pháp điều khiển

– Mạch điều khiển dùng Rơle

– Mạch dùng kỹ thuật vi xử lý

– Với mạch dùng Vi điều khiển (Micro Controller)

– Điều khiển bằng PLC (Programable Logic control)

* Kết luận: với các phương pháp đã nêu ở trên ta thấy rằng phương pháp thích hợp nhất là dùng PLC vì giảm số lượng rơle điều khiển, không quá phức tạp về mạch điện tử, PLC có tích hợp chuẩn truyền RS 485 để giao tiếp với biến tần, có khả năng chuẩn đoán giúp cho công tác sửa chữa, có các thư viện đặc biệt chuyên dùng để giao tiếp với biến tần do đó chương trình viết đỡ phức tạp hơn... Tuy giá thành cao hơn so với các giải pháp khác nhưng có tính ổn định hơn. Vì những lý do trên nên trong phạm vi đề tài này ta lựa chọn giải pháp điều khiển bằng PLC.

4.2 Giới thiệu về PLC

Thiết bị điều khiển logic khả trình (Programable Logic Control, viết tắt là PLC) là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình. Thay cho việc thực hiện thuật toán đó bằng mạch số như vậy với chương trình điều khiển PLC trở thành một bộ điều khiển số nhỏ gọn dễ dàng thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh (với các PLC khác hay máy tính). Toàn bộ chương trình điều khiển được lưu trong bộ nhớ của PLC và được thiết lập theo chu kỳ vòng quét.

Để có thể thực hiện được một chương trình điều khiển, tất nhiên PLC có tính năng như một máy tính. Nghĩa là phải có một bộ vi xử lý (PLC), một hệ điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển, dữ liệu và tất nhiên phải có cổng đầu vào/ra để giao tiếp được với đối tượng điều khiển và trao đổi thông tin với môi trường xung quanh. Bên cạnh đó PLC còn có thêm các khối chức năng đặc biệt khác như bộ đếm (Counter), bộ thời gian (Timer) và các khối chuyên dụng khác.

4.3 Các giao thức giao tiếp mạng trong S7 – 200

Để sử dụng các giao thức giao tiếp mạng trong S7 - 200 trước tiên ta phải tìm hiểu về chuẩn truyền RS485.

– Giao thức PPI

– Giao thức MPI

– Freeport (giao thức người dùng tự định nghĩa)

– USS Protocol

*Kết luận: Do ta không có card truyền thông nên với ba phương pháp đầu nếu dùng thì ta phải xây dựng giao thức cho chúng do đó phải hiểu được cấu trúc truyền nhận giữa PLC và biến tần. Vì trong biến tần chỉ có 2 cổng giao tiếp RS 485 và RS 232 mà trong PLC chỉ tích hợp cổng truyền thông RS 485 như thế đòi hỏi phải có thêm thiết bị chuyển đổi, chương trình lập trình hết sức phức tạp và khó khăn. Nhưng với giao thức USS cho phép ta truyền thông qua cổng RS 485, truyền trực tiếp tham số điều khiển xuống biến tần và nhận trực tiếp tham số mong muốn từ biến tần về mà chỉ cần các khối lệnh có sẵn trong thư viện USS. Do đó sẽ dễ dàng cho quá trình điều khiển về sau. Vì những lý do trên ta lựa chọn cách thức giao tiếp với biến tần bằng USS Toolbox.

4.3.1 Điều kiện để sử dụng giao thức USS

Thư viện lệnh STEP7 – Micro/Win cung cấp 14 thủ tục con 3 thủ tục ngắt và 8 lệnh được tích hợp trong giao thức USS. Các lệnh USS sử dụng phương thức sau trong S7 – 200.

– Giao thức USS được thiết lập trên Port 0 cho giao tiếp USS.

– Lệnh USS_INIT cho phép lựa chọn giao tiếp kiểu USS hoặc PPI trên port 0. Sau khi lựa chọn giao thức USS để giao tiếp với biến tần nói riêng ta không thể sử dụng port 0 cho bất kỳ mục đích nào khác, kể cả giao tiếp với phần mềm STEP7 – Micro/Win.

– Các lệnh USS được tạo ra chiếm khoảng 3600 byte. Tuỳ thuộc vào các lệnh mà ta sử dụng, phải dành riêng cho giao thức USS một vùng nhớ V khoảng 400 byte.

– Các lệnh USS không được dùng trong thủ tục ngắt.

4.3.2 Trình tự lập trình sử dụng các lệnh USS

– Đặt lệnh USS_INIT trong chương trình. Lệnh USS_INIT chỉ nên được gọi trong một chu kỳ quét để thiết lập hay thay đổi các thông số giao tiếp của giao thức USS.

– Đặt chỉ một lệnh DRV_CTRL cho mỗi một biến tần tích cực trong chương trình. Có thể thêm vào nhiều lệnh USS_RPM_x và USS_WPM_x nếu cần thiết, nhưng chỉ một biến tần được tích cực tại một thời điểm.

– Thiết lập các thông số biến tần để phù hợp với tốc độ baud và địa chỉ của biến tần được dùng trong chương trình.

– Nối cáp giao tiếp giữa CPU và các biến tần.

4.4 Vòng điều khiển tín hiệu ổn định áp suất

Phương án 1:

Phương án 2:

Với hai phương án điều khiển như trên ta thấy rằng:

Với phương án thứ 1 thì đòi hỏi PLC phải có modul tương tự dẫn đến giá thành cao hơn, mặt khác khi tín hiệu cảm biến đưa về PLC thì biến tần hầu như mất tác dụng. Vì như thế biến tần chỉ mang danh nghĩa cung cấp dòng 3 pha cho động cơ và cho phép động cơ khởi động một cách trơn hơn. Nếu dùng phương án này thì ta chỉ cần sử dụng PLC là đủ.

Với phương án thứ 2 tín hiệu cảm biến đưa về biến tần, tại biến tần thông qua bộ PID xử lý tín hiệu cảm biến để tự động ổn định hệ thống trong giải cho phép. PLC đóng vai trò đóng cắt rơle điều khiển động cơ giao tiếp với biến tần hỗ trợ cho biến tần khi biến tần quá khả năng điều chỉnh. Với phương án này các thiết bị điều khiển đều thực hiện được hầu hết vai trò của mình. Hơn thế còn giảm giá thành do không phải sử dụng modul tương tự.

4.5 Kết nối giữa PLC và biến tần

Cách thức kết nối PLC với biến tần được thực hiện như hình vẽ sau:

Bước 1: Xác định ý nghĩa của các chân đầu ra cổng truyền thông PLC.

Hình 4.6 : Sơ đồ chân của cổng truyền thông trên PLC.

Bước 2: Nối điện trơ phụ để chống nhiễu.

Hình 4.7: Điện trở nối chống nhiễu cho chuẩn truyền RS485

Bước 3: Kết nối PLC và biến tần

Hình 4.8: Hình vẽ kết nối giữa PLC với biến tần

4.6 Thiết lập các tham số cho biến tần

Trước khi thực hiện kết nối PLC với biến tần thì phải chắc chắc rằng PLC và biến tần đã được nối với nhau và các tham số sau đã được thiết lập ở biến tần.

1. Xóa các yếu tố đã thiết lập (không bắt buộc):

P0010 = 30.

P0970 = 1.

Nếu bỏ qua bước này thì phải chắc chắn rằng các tham số sau phải được thiết lập với các giá trị như sau:

Độ dài USS PZD: P2012 index 0 = 2

Độ dài USS PKW: P2013 index 0 = 127.

2. Cho phép đọc/ghi truy cập tất cả các tham số:

P0003 = 3

3. Kiểm tra động cơ thiết lập các tham số cho động cơ:

P0304 = Dải điện áp động cơ (V).

P0305 = Dải dòng điện động cơ (A).

P0307 = Dải công suất của động cơ (W).

P0310 = Dải tần số của động cơ (Hz).

P0311 = Dải tốc độ của động cơ (RPM).

Các thiết lập này sẽ thay đổi tuỳ thuộc vào động cơ mà ta sử dụng.

4. Thiết lập kiểu điều khiển:

P0700 index 0 = 5.

5. Thiết lập tần số đặt USS on COM link:

P1000 index 0 = 5.

6. Thời gian tăng tốc (không bắt buộc).

P1120 = 0 đến 65000 (s).

7. Thời gian giảm tốc:

P1121 = 0 đến 65000

Thời gian này được tính bằng giây.

8. Thiết lập tần số liên kết nối tiếp.

P2000 = 1 đến 65000 Hz.

9. Thiết lập thông thường USS.

P2009 index 0 = 0.

10. Thiết lập tốc độ baud của chuẩn truyền RS485.

P2010 index0 = 4 (2400 baud).

5 (4800 baud).

6 (9600 baud).

7 (19200baud).

8 (38400 baud).

9 (57600 baud).

12 (115200 baud).

11. Địa chỉ của trạm tớ.

P2011 index 0 = 0 đến 31.

12. Thiết lập thời gian kết thúc quá trình truyền và nhận.

P2014 index 0 = 0 đến 65535 ms.

13. Chuyển đổi dữ liệu từ bộ nhớ RAM đến EEPROM:

P0971 = 1.

(bắt đầu chuyển đổi) các tham số thiết lập được lưu trong EEPROM.

4.7 Chương trình điều khiển

4.7.1 Thuật điều khiển

1. Thiết lập giao tiếp cho biến tần và PLC. Sau đó PLC gửi tín hiệu xuống biến tần cho phép động cơ chạy với tốc độ 100% tần số đặt để duy trì áp suất 0.5 bar.

2. PLC liên tục nhận tín hiệu phản hồi từ cảm biến đưa vào biến tần. Tín hiệu này được đưa vào vùng nhớ VW12. Do biến tần có khả năng tự ổn định tốc độ cho động cơ tự duy trì trong dải (0,4 ¸ 0.6 bar). Nên khi áp suất giảm đến mức mà biến tần không thể duy trì được trong thời gian 3s thì PLC cho phép ngắt động cơ 1 chạy với biến tần và cho phép động cơ 1 chạy trực tiếp.

Nếu áp suất tiếp tục giảm thì 3s sau động cơ 2 chạy với biến tần được đóng vào để duy trì áp suất ở 0,5 bar. Nếu động cơ 2 chạy với biến tần với tần số tối đa trong 3s thì dừng hệ thống.

Nếu áp suất tăng lên thì 3s sau động cơ 1 chạy trực tiếp nguồn 380 được ngắt ra. Động cơ 2 được chạy với biến tần để duy trì áp suất không đổi. Sau một thời gian nếu áp suất đạt mức yêu cầu hay duy trì trong khoảng cho phép thì cho động cơ 2 chạy trong 3s sau đó động cơ 1 chạy với biến tần được đóng vào.

3. Nếu trong khoảng thời gian là 2 phút mà chỉ có động cơ 1 chạy tức là động cơ 2 không được đóng vào. Trong trường hợp này ta cho động cơ 2 chạy trong vòng 10s để chống bó.

4. Để tránh trường hợp một động cơ luôn phải làm việc quá tải ta cho các động cơ chạy trực nhật. Tức là sau một khoảng thời gian là 5 phút ta tiến hành đổi bơm. Ban đầu ấn nút Start chương trình chạy với chương trình “động cơ 1” và thực hiện các trường hợp xảy ra sau 5 phút chương trình chạy với chương trình “động cơ 2” và có vai trò như giống như chương trình “động cơ 1”.

4.7.2 Chương trình điều khiển

Chương trình điều khiển bao gồm:

Main: chương trình điều khiển.

SBR0: KD_DC_1 (động cơ 1 được khởi động với biến tần khi áp suất thấp).

SBR1: CHONG_BO2 (để tránh trường hợp động cơ 2 không được khởi động trong một thời gian – chống bó động cơ 2).

SBR2: KD_DC_2 (sau 5 phút động cơ 2 được khởi động với biến tần nếu áp suất thấp).

SBR3: CHONG_BO2 (để tránh trường hợp động cơ 1 không được khởi động trong một thời gian – chống bó động cơ 2).

CHƯƠNG V

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ

5.1 Những kết quả đạt được

Sau một thời gian nghiên cứu và làm việc một cách nghiêm túc cùng vơi sự giúp đỡ, chỉ bảo, đóng góp ý kiến của thầy Nguyễn Phúc Đáo, thầy Phạm Thanh Tùng và các thầy cô giáo trong khoa Điện - Điện Tử cùng các bạn trong lớp, đến nay chúng em đã hoàn thành đề tài. Với đề tài điều khiển duy trì áp suất có nhiều phương pháp để thực hiện, nhưng trong phạm vi đề tài này chúng em sử dụng biến tần, PLC và cảm biến áp suất để điều khiển duy trì áp suất. Trong quá trình thực hiện đề tài chúng em đã vận dụng được những kiến thức đã học, tự mình đánh giá được trình độ bản thân, nghiên cứu và học hỏi tìm ra phương án giải quyết, tiếp cận với những thiết bị thực tế. Sau một thời gian thực hiện đề tài chúng em đã đạt được những kết quả sau: thiết kế chế tạo mô hình, lắp ráp hoàn chỉnh mô hình, vận hành và kiểm tra theo đúng quy trình công nghệ, mô hình đảm bảo đáp ứng các yêu cầu đặt ra.

Tuy nhiên do thời gian có hạn và trình độ còn hạn chế do đó phần lập trình điều khiển PLC của chúng em vẫn chưa được tối ưu nhất. Thông qua quá trình thực hiện đề tài chúng em dần làm quen với cách làm việc độc lập cũng như phối hợp làm việc theo nhóm và dần biết cách tổ chức công việc và sắp xếp thời gian hợp lý.

5.2 Khuyến nghị

Với sự phát triển của quá trình đô thị hoá ngày nay, ở các đô thị mức độ tập trung dân cư lớn. Giải pháp dưa ra để giải quyết vấn đề nhà cao tầng là một trong những phương án hiệu quả nhất. Như thế có một vấn đề được đặt ra là làm sao có thể cung cấp nước cho các khu dân cư nói chung và các khu nhà cao tầng nói riêng mà vẫn đảm bảo áp suất trên đường ống trong giới hạn cho phép. Do vậy chế tạo và thiết kế các hệ thống điều khiển duy trì áp suất ứng dụng trong cung cấp nước sạch là một vấn đề cấp thiết trong công cuộc đô thị hoá ngày nay. Sau một thời gian nghiên cứu tìm hiểu nhóm chúng em đã tiến hành thiết kế chế tạo thành công hệ thống duy trì áp suất ứng dụng trong cung cấp nước. Trong phạm vi đề tài này, chúng em sử dụng các thiết bị điều khiển là biến tần MicroMaster 440 và PLC S7 – 200 của hãng Siemens. Sở dĩ chúng em lựa chọn các thiết bị này là vì chúng em mong muốn được nghiên cứu tìm hiểu và ứng dụng những kiến thức được học vào trong đề tài như: cách thức truyền thông giữa các thiết bị (trong đề tài này là cách thức truyền thông giữa biến tần với PLC), các ứng dụng của biến tần vào trong điều khiển động cơ, khẳ năng tự duy trì áp suất của biến tần. Những vấn đề đó hoàn toàn là những kiến thức mới mà chỉ có ngoài thực tiễn sinh viên chúng em mới được tiếp cận. Trong quá trình thực hiện đề tài chúng em gặp rất nhiều khó khăn trong việc tìm nguồn tài liệu (vì nguồn tài liệu chủ yếu là tiếng anh nên rất hạn chế với sinh viên kỹ thuật), nguồn vật tư để chế tạo mô hình, và một điều quan trọng là chúng em thiếu kinh nghiệm thực tế. Với kiến thực hạn chế kinh nghiệm non kém và thời gian có hạn nên chúng em chưa hoàn thiện được đề tài một cách hoàn thiện nhất như chưa tận dụng hết được khẳ năng của biến tần và PLC (chưa dùng phần tử nhiệt để bảo vệ động cơ, chưa dùng thời gian thực để điều khiển hệ thống), chưa thiết kế được phần giám sát điều khiển hệ thống thông qua PC.

Đề tài chúng em thực hiện ở đây chỉ mang tính nghiên cứu, vận dụng các kiến thức đã học để thực hiện nên còn thiếu tính thực tế. Bởi vì với phạm vi chỉ điều khiển động cơ duy trì áp suất ta chỉ cần sử dụng biến tần là đủ. Vì trong biến tần MicroMaster 430 của Siemens có tích hợp khả năng đóng cắt động cơ theo thời gian, có khă năng tự điều chỉnh. Do vậy giá thành sẽ giảm đi mà vẫn đảm bảo đáp ứng được yêu cầu công nghệ.

Sau một thời gian thực hiện đề tài chúng em nhận thấy rằng việc tiếp cận với các thiết bị mới và hiện đại đối với sinh viên còn hết sức mới mẻ. Nên chúng em rất mong muốn được nghiên cứu và tìm hiểu các đề tài mang tính thời sự, để nâng cao khả năng tiệp cận thực tiễn, tích luỹ kinh nghiệm để không khỏi bỡ ngỡ khi tham gia vào quá trình sản xuất công nghiệp.

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Nhóm sinh viên thực hiện.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Cảm biến và ứng dụng – Dương Minh Trí – Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật.

2. Giáo trình cảm biến - Đại học Bách Khoa Hà Nội.

3. Tài liệu Cảm biến - GV Nguyễn Thành Long - Đại học SPKT Hưng Yên.

4. Mô hình thiết bị tạo môi trưòng đo – Khoa Điện - Điện tử ĐH SPKT Hưng Yên.

5. www.ad.siemens.com

6. Tự động hoá với SI MATIC S7 – 200. Tác giả Phan Xuân Minh – Nguyễn Doãn Phước. NXB Nông Nghiệp.