Đồ án: Điều khiển & Giám sát Ổn định Mức Chất Lỏng với PLC S7-1200 & SCADA WinCC

Dưới đây là thông tin meta tags cho bài viết: { "ai_description": "Điều khiển ổn định mức chất lỏng sử dụng PLC S7 1200 là giải pháp hiện đại cho các hệ

• Tác giả: Phạm Văn Nam
• Người hướng dẫn: Giáo viên hướng dẫn: Hà Nội
• Trường học: Trường Đại học Mỏ - Địa chất
• Chuyên ngành: Tự động hóa
• Đề tài: Điều khiển ổn định mức chất lỏng sử dụng PLC S7 1200
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Điều khiển ổn định mức chất lỏng bằng PLC S7 1200 SCADA

Điều khiển ổn định mức chất lỏng là một vấn đề quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp. Hệ thống PLC S7-1200 và SCADA là các giải pháp công nghệ được sử dụng rộng rãi để giải quyết vấn đề này. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ khám phá cách sử dụng PLC S7-1200 và SCADA để điều khiển ổn định mức chất lỏng.

1.1. Giới thiệu về PLC S7 1200 và SCADA

PLC (Programmable Logic Controller) S7-1200 là một loại điều khiển logic có thể lập trình, được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống công nghiệp. SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là một hệ thống điều khiển và thu thập dữ liệu được sử dụng để giám sát và điều khiển các hệ thống công nghiệp từ xa.

1.2. Cách sử dụng PLC S7 1200 và SCADA để điều khiển ổn định mức chất lỏng

Để điều khiển ổn định mức chất lỏng bằng PLC S7-1200 và SCADA, cần thiết lập các sensor để đo lường mức chất lỏng trong bồn chứa. Thông số này sẽ được truyền đến PLC S7-1200, nơi nó sẽ so sánh với giá trị định mức và điều khiển các bơm hoặc van để điều chỉnh mức chất lỏng. SCADA sẽ giám sát và thu thập dữ liệu từ PLC S7-1200, cho phép người dùng theo dõi và điều chỉnh hệ thống từ xa.

II. Thách thức trong điều khiển ổn định mức chất lỏng

Điều khiển ổn định mức chất lỏng có nhiều thách thức, bao gồm biến động của dòng chất lỏng, sự cố cơ học, và các ảnh hưởng của môi trường. Hệ thống PLC S7-1200 và SCADA phải được thiết kế và cấu hình đúng cách để đối phó với những thách thức này.

2.1. Biến động của dòng chất lỏng

Dòng chất lỏng có thể thay đổi do nhiều yếu tố, bao gồm áp suất, nhiệt độ, và thành phần hóa học. Hệ thống điều khiển phải có thể điều chỉnh mức chất lỏng theo các thay đổi này để đảm bảo ổn định.

2.2. Sự cố cơ học

Các thiết bị cơ học, như bơm và van, có thể bị hỏng hoặc không hoạt động đúng cách, ảnh hưởng đến mức chất lỏng. Hệ thống PLC S7-1200 và SCADA phải có các biện pháp dự phòng để đối phó với những sự cố này.

2.3. Ảnh hưởng của môi trường

Môi trường làm việc có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống điều khiển. Hệ thống PLC S7-1200 và SCADA phải được thiết kế để chịu đựng các điều kiện môi trường khắc nghiệt, như nhiệt độ cao hoặc thấp, độ ẩm, và bụi.

III. Phương pháp điều khiển ổn định mức chất lỏng bằng PLC S7 1200 và SCADA

Để điều khiển ổn định mức chất lỏng bằng PLC S7-1200 và SCADA, cần thiết lập các sensor để đo lường mức chất lỏng trong bồn chứa. Thông số này sẽ được truyền đến PLC S7-1200, nơi nó sẽ so sánh với giá trị định mức và điều khiển các bơm hoặc van để điều chỉnh mức chất lỏng. SCADA sẽ giám sát và thu thập dữ liệu từ PLC S7-1200, cho phép người dùng theo dõi và điều chỉnh hệ thống từ xa.

3.1. Thiết lập sensor đo lường mức chất lỏng

Cần sử dụng sensor phù hợp để đo lường mức chất lỏng trong bồn chứa. Các loại sensor phổ biến bao gồm sensor tia hồng ngoại, sensor siêu âm, và sensor áp suất.

3.2. So sánh giá trị đo lường với giá trị định mức

PLC S7-1200 sẽ so sánh giá trị đo lường từ sensor với giá trị định mức đã được thiết lập trước. Nếu giá trị đo lường vượt quá giá trị định mức, PLC S7-1200 sẽ điều khiển các bơm hoặc van để điều chỉnh mức chất lỏng.

3.3. Giám sát và điều chỉnh từ xa bằng SCADA

SCADA sẽ giám sát và thu thập dữ liệu từ PLC S7-1200, cho phép người dùng theo dõi và điều chỉnh hệ thống từ xa. Người dùng có thể thiết lập các cảnh báo và thông báo để được thông báo khi có bất kỳ sự cố nào xảy ra trong hệ thống.

IV. Ứng dụng thực tế của PLC S7 1200 và SCADA trong điều khiển ổn định mức chất lỏng

PLC S7-1200 và SCADA đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp để điều khiển ổn định mức chất lỏng. Các ứng dụng phổ biến bao gồm xử lý nước, nhà máy hóa chất, và nhà máy điện.

4.1. Ứng dụng trong xử lý nước

Trong xử lý nước, PLC S7-1200 và SCADA được sử dụng để điều khiển ổn định mức nước trong các bồn chứa. Điều này giúp đảm bảo chất lượng nước và ngăn chặn các sự cố có thể xảy ra do mức nước quá cao hoặc quá thấp.

4.2. Ứng dụng trong nhà máy hóa chất

Trong nhà máy hóa chất, PLC S7-1200 và SCADA được sử dụng để điều khiển ổn định mức các hóa chất trong các bồn chứa. Điều này giúp đảm bảo chất lượng sản phẩm và ngăn chặn các sự cố có thể xảy ra do mức hóa chất quá cao hoặc quá thấp.

4.3. Ứng dụng trong nhà máy điện

Trong nhà máy điện, PLC S7-1200 và SCADA được sử dụng để điều khiển ổn định mức nhiên liệu trong các bồn chứa. Điều này giúp đảm bảo hiệu suất của nhà máy và ngăn chặn các sự cố có thể xảy ra do mức nhiên liệu quá cao hoặc quá thấp.

V. Kết luận

Điều khiển ổn định mức chất lỏng là một vấn đề quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp. Hệ thống PLC S7-1200 và SCADA là các giải pháp công nghệ được sử dụng rộng rãi để giải quyết vấn đề này. Trong bài viết này, chúng tôi đã khám phá cách sử dụng PLC S7-1200 và SCADA để điều khiển ổn định mức chất lỏng, bao gồm các thách thức, phương pháp, và ứng dụng thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1:GIỚI THIỆU MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM 1.1 SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ CỦA MÔ HÌNH 1.1 Giới thiệu về mô hình hệ thống điều khiển quá trình: Mô hình phòng thí nghiệm điều khiển quá trình thực chất là hệ thống “Điều khiển mức, lưu lượng chất lỏng tự động” – đây là một ứng dụng để thí nghiệm công nghệ điều khiển, nó được thiết kế riêng cho ứng dụng đào tạo. Hệ thống nhỏ gọn này gồm: ba bể điều khiển, ba bộ cảm biến áp suất để xác định mực chất lỏng thực, ba bộ cảm biến lưu lượng, ba động cơ bơm có thể được điều khiển thông qua ba biến tần. Để đạt được công suất bơm không đổi, thực hiện cài đặt vòng điều khiển thứ cấp với dụng cụ đo lưu lượng đã được cài đặt sẵn. Tham số nhiễu được mô phỏng hóa sử dụng van tiết lưu để điều chỉnh được, van tiết lưu này thay đổi lưu lượng của dòng chảy đầu vào bình chứa.

Bình chứa chất lỏng có thời gian trễ tuân theo quy luật của hàm bậc 2.1: Sơ đồ nguyên lý mô hình thí nghiệm điều khiển quá trình Các hệ thống bơm – van – bể điều khiển của mô hình có thể làm việc độc lập hoặc phối hợp với nhau tùy thuộc bài thí nghiệm. Mỗi bơm có 2 chế độ điều khiển trực tiếp (ấn Start/Stop bằng tay) hoặc qua biến tần (gửi tín hiệu từ PLC). SV: Phạm Văn Nam 1 MSSV: 1721060048 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp Hình 1.2: Mô hình điều khiển quá trình Hình 1.3:Bàn điều khiển SV: Phạm Văn Nam 2 MSSV: 1721060048 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp 1.2 Sơ đồ công nghệ của mô hình Chú thích: 0 : Bể dưới 1 : Lọc bơm 2 : Chõ bơm 3 : Van trước bơm 4 : Bơm 5 : Động cơ bơm 6 : Van sau bơm 7 : Cảm biến lưu lượng 8 : Van tiết lưu 9 : Van song song 10 : Cảm biến áp suất đáy bể 11 : Van xả đáy bể 12 : Bể chứa Hình 1.4: Sơ đồ công nghệ mô hình 1.3 Nguyên lý hoạt động Nước từ bể đáy được động cơ bơm vào bể điều khiển, lưu lượng cấp vào bể điều khiển phụ thuộc vào tốc độ của động cơ hoặc độ mở van sao cho phù hợp với mức nước trong bể điều khiển, cảm biến áp suất đo và đưa thông tin đến bộ điều khiển PLC, đầu ra của bể điều khiển là van xả có thể điều chỉnh góc mở (biến thiên) tượng trưng cho mức độ tiêu thụ, lượng tiêu thụ này không cố định mà luôn thay đổi. Mức nước trong bể điều khiển được giám sát bằng một cảm biến áp suất và được hiển thị trên màn hình máy tính.

Lượng tiêu thụ ở đây được hiệu chỉnh bằng cách sử dụng van xả, lượng tiêu thụ này là một đại lượng biến thiên, tốc độ nước chảy ra khỏi bể điều khiển là không xác định. Hệ thống được lập trình sao cho mức nước trong bể chứa luôn ở một giá trị cố định ở mức đặt SP (Setpoint) mà không phụ thuộc vào lượng tiêu thụ (hay góc mở của van xả). Quy trình công nghệ được hiểu một cách cụ thể như sau.  Yêu cầu của hệ thống là phải luôn giữ được một mức nước cố định ở mức đặt SP (Setpoint).

SV: Phạm Văn Nam 3 MSSV: 1721060048 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp  Giá trị thực tế chính là giá trị mức nước đo được thay đổi từ 0 cm (khi bể cạn) đến 1m (khi bể đầy) và lưu lượng nước chảy qua ống (đầu vào) mà cảm biến đo được trong một đơn vị thời gian, độ mở van để điều chỉnh lưu lượng nước được bơm vào bể điều khiển và lưu lượng này biến thiên từ 0 – 16 m3/h.  Mức nước ít hay nhiều trong một khoảng thời gian được cảm biến áp suất đo lại, đưa thông tin đến bộ điều khiển PID trong S7-1200 để bộ điều khiển thực hiện điều chỉnh lưu lượng qua van một cách phù hợp nhằm đảm bảo mức nước luôn nằm ở mức tương ứng giá trị đặt.2 CÁC THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN TRÊN MÔ HÌNH Phần mô hình gồm có 3 bể điều khiển, 3 bơm ly tâm, 3 van điều khiển điện – khí nén, 3 cảm biến lưu lượng, 3 cảm biến áp suất và hệ thống đường ống cùng với các van đóng mở bằng tay. Thông số cụ thể các thiết bị như sau: 1.1 Bơm ly tâm trục ngang Sở dĩ được gọi với tên bơm ly tâm trục ngang là do cấu tạo đặt nằm ngang và hoạt động dựa trên lực ly tâm. Vì được đặt nằm ngang nên máy bơm hút được lưu lượng nước lớn mà không bị hạn chế Dòng bơm này hoạt động nhờ vào năng lượng thủy động tạo ra từ cánh quạt cơ năng của máy bơm.

Khi tâm quay, nước sẽ được dẫn vào cánh bơm và nhờ lực ly tâm đẩy văng ra mép cánh bơm. Thông thường các dòng máy bơm ly tâm trục ngang hút nước ở độ cao từ 4m - 8m. Một chiếc máy bơm ly tâm hoàn chỉnh bao gồm các bộ phận: thân bơm, trục bơm, motơ, bánh công tác (cánh quạt), bộ phận đầu ra, bộ phận đầu vào. Hầu hết các dòng bơm ly tâm trục ngang có thân bơm làm bằng gang đúc hoặc inox và trục bơm làm bằng thép kim loại tổng hợp, chống rỉ.

Do đó, mà nguồn nước luôn được đảm bảo sạch sẽ. Còn bộ phận bánh công thường ở 1 trong 3 dạng: cánh hở hoàn toàn, cánh hở 1 phần và cánh kín. Bề mặt của bánh công tác được mài nhẵn nên trong quá trình sử dụng ít bị bào mòn. SV: Phạm Văn Nam 4 MSSV: 1721060048 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp Thông số kỹ thuật: Công suất định mức 0.35 kW Điện áp định mức: 220/380V Cột áp định mức : 12m Lưu lượng định mức:1-8 m3 Tần số định mức : 50Hz Hình 1.5: Bơm ly tâm trên PTN 1.2 Cảm biến áp suất Thông số kỹ thuật:  IEC60770: 0.35% sai số, chọn lựa trên 0.1% FSO  Thang đo: 0 – 1 bar  Tín hiệu đầu ra: 2 dây 4 – 20mA Hình 1.6: Cảm biến áp suất Cảm biến áp suất là thiết bị cảm nhận áp suất trên đường ống hoặc bồn chứa có áp suất….Áp suất này được chuyển đổi thành tín hiệu điện áp hoặc dòng điện.

Các tín hiệu này sẽ được truyền về biến tần hoặc PLC để điều khiển động cơ hoạt động. Có thể hiểu đơn giản như dùng máy lạnh hoặc tủ lạnh có Inverter vậy các bạn. Động cơ lúc nào cũng chạy nhưng được giám sát bằng thiết bị cảm biến để điều chỉnh công suất chạy ít hay nhiều. SV: Phạm Văn Nam 5 MSSV: 1721060048 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp 1.7: Valve tiết lưu trên PTN Van điều khiển PID bằng khí nén hay còn gọi là van điều khiển tuyến tính khí nén có nguồn cấp vào van là khí nén còn tín hiệu điều khiển là tín hiệu analog 4 – 20 mA hoặc 0 – 10V.

Van điều khiển KFM có thời gian đáp ứng nhanh, độ chính xác cao. Thông số kỹ thuật: 1.Thân van: Van 2 ngõ 2.Dùng trong đường ống: nước và hơi nước 3.Áp suất đóng van: 4.Kết nối mặt bích: chuẩn DIN EN 1092-2 5.Chịu nhiệt:250oC 6.Inputs:4-20mA option special 7.Áp suất điều khiển:0 9.Điều khiển: reversible or direct SV: Phạm Văn Nam 6 MSSV: 1721060048 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp 1.4 Cảm biến lưu lượng. Thông số kỹ thuật: 1.Kích thước ống: 1 inch 3.Áp suất cực đại: 100 bar ( Max 1450 psi) 5.Nhiệt độ làm việc: -40C to 100C (-40F to 212F) Hình 1.8: Cảm biến lưu lượng WaterMaster FEW 121 Cảm biến lưu lượng là một trong những thành phần chính chịu trách nhiệm đo lưu lượng của một chất lỏng hoặc chất khí. Chúng được sử dụng phổ biến trong cả hệ thống phụ cơ khí và điện.

Với mục đích để đo những thay đổi trong các thuộc tính vật lý của chất lỏng và tính toán lưu lượng của nó. Việc đo được các thuộc tính vật lý này còn phụ thuộc vào các thuộc tính vật lý của chất lỏng. Các chất lỏng ở thể khí, lỏng và không trọng lực hoạt động rất khác nhau. Do đó, các phương pháp đo lưu lượng của chúng cũng phải khác nhau.

Trên bàn điều khiển có hệ thiết bị điều khiển PLC của Siemens dòng mã hiệu 1200 với các module vào ra số, tương tự, truyền thông hỗ trợ đóng vai trò làm CPU điều khiển mô hình. Ngoài ra trên bàn thí nghiệm còn có hệ thống mạch điều khiển cho các bơm trên mô hình với 2 lựa chọn điều khiển là điều khiển qua biến tần để kết nối với PLC hoặc điều khiển qua hệ relay-contactor. Thông số cụ thể PLC và biến tần như sau: SV: Phạm Văn Nam 7 MSSV: 1721060048 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp 1.5 PLC Thông số kỹ thuật: + Nguồn DC 20.8 V DC + Bộ nhớ 100Kb tích hợp 2 cổng profinet, tích hợp I/O + 14 đầu vào số 24V DC + 10 đầu ra số 24V DC 0.5A + 2 đầu vào tương tự 0-10V DC + 2 đầu ra tương tự 0-20mA DC Hình 1.6 Biến Tần Biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện một chiều hoặc xoay chiều thành dòng điện xoay chiều có tần số và điện áp có thể điều chỉnh.  Nguyên lý hoạt động của biến tần: Nguyên lý cơ bản làm việc của bộ biến tần cũng khá đơn giản.

Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng. Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện. Nhờ vậy, hệ số công suất cosphi của hệ biến tần đều có giá trị không phụ thuộc vào tải và có giá trị ít nhất 0. Điện áp một chiều này được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng.

Công đoạn này hiện nay được thực hiện thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM). Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực hiện nay, tần số chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ và giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ. SV: Phạm Văn Nam 8 MSSV: 1721060048 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp Hình1.10: Nguyên lý làm việc của biến tần Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ và tần số vô cấp tuỳ theo bộ điều khiển. Theo lý thuyết, giữa tần số và điện áp có một quy luật nhất định tuỳ theo chế độ điều khiển.