Luận văn thạc sĩ về giám sát và điều khiển trạm bơm khu resort sử dụng PLC S7-1200

Luận văn thạc sĩ phân tích hcmute điều khiển và giám sát trạm bơm khu resort dùng plc s7 1200, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho thực tiễn.

• Tác giả: Tiêu Tấn Phước
• Người hướng dẫn: ThS. Trần Văn Sỹ
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử - Truyền Thông
• Đề tài: Giám Sát Trạm Bơm Resort Bằng PLC S7-1200
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.2. MỤC TIÊU
• 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 1.4. GIỚI HẠN
• 1.5. BỐ CỤC
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. TỔNG QUAN VỀ PLC S7-1200
• 2.2. PHÂN LOẠI
• 2.3. HÌNH DẠNG BÊN NGOÀI (CPU 1214C)

Tóm tắt

I. Giới thiệu chung về giám sát trạm bơm resort

Giám sát trạm bơm resort là một phần quan trọng trong việc quản lý và điều hành hệ thống cấp nước cho các khu nghỉ dưỡng. Việc sử dụng PLC S7-1200 trong giám sát và điều khiển giúp tối ưu hóa quy trình hoạt động, đảm bảo cung cấp nước ổn định và tiết kiệm năng lượng. Hệ thống này không chỉ giúp theo dõi các thông số như áp suất và lưu lượng mà còn cho phép điều chỉnh hoạt động của bơm một cách tự động. Theo nghiên cứu, việc áp dụng công nghệ tự động hóa trong quản lý trạm bơm không chỉ nâng cao hiệu quả mà còn giảm thiểu chi phí vận hành.

1.1. Tầm quan trọng của giám sát trạm bơm

Trạm bơm nước đóng vai trò thiết yếu trong việc cung cấp nước cho các khu resort. Việc giám sát liên tục giúp phát hiện sớm các vấn đề như rò rỉ hoặc áp suất không ổn định, từ đó có thể đưa ra các biện pháp khắc phục kịp thời. Hệ thống giám sát sử dụng cảm biến và PLC để thu thập dữ liệu, cho phép người quản lý theo dõi tình trạng hoạt động của trạm bơm từ xa. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn nâng cao độ tin cậy trong việc cung cấp nước cho khách hàng.

II. Công nghệ PLC S7 1200 trong giám sát

Công nghệ PLC S7-1200 của Siemens được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng tự động hóa công nghiệp. Với khả năng mở rộng và tính linh hoạt cao, PLC S7-1200 cho phép kết nối với nhiều thiết bị khác nhau, bao gồm biến tần và cảm biến. Hệ thống này hỗ trợ giao thức truyền thông Modbus RTU, giúp việc giao tiếp giữa các thiết bị trở nên dễ dàng hơn. Việc lập trình PLC cũng được thực hiện thông qua phần mềm TIA Portal, cho phép người dùng thiết kế giao diện điều khiển và lập trình các thuật toán điều khiển một cách trực quan.

2.1. Các tính năng nổi bật của PLC S7 1200

PLC S7-1200 có nhiều tính năng nổi bật như khả năng xử lý nhanh, dung lượng bộ nhớ lớn và khả năng kết nối mạng linh hoạt. Hệ thống này có thể mở rộng từ 10 đến 284 I/O, cho phép người dùng tùy chỉnh theo nhu cầu thực tế. Đặc biệt, với tính năng PID control, PLC S7-1200 có thể tự động điều chỉnh các thông số hoạt động của bơm, giúp duy trì áp suất ổn định trong hệ thống. Điều này không chỉ nâng cao hiệu suất làm việc mà còn giảm thiểu sự cố trong quá trình vận hành.

III. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống giám sát

Hệ thống giám sát trạm bơm resort bằng PLC S7-1200 đã được triển khai tại HCMUTE, mang lại nhiều lợi ích thiết thực. Việc giám sát và điều khiển tự động giúp tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu chi phí vận hành. Hệ thống này cho phép người dùng theo dõi các thông số như áp suất, lưu lượng và trạng thái hoạt động của bơm một cách dễ dàng. Nhờ vào việc sử dụng cảm biến và biến tần, hệ thống có thể tự động điều chỉnh hoạt động của bơm theo nhu cầu sử dụng nước thực tế, từ đó tối ưu hóa quy trình cấp nước.

3.1. Lợi ích của việc tự động hóa trong quản lý trạm bơm

Tự động hóa trong quản lý trạm bơm mang lại nhiều lợi ích, bao gồm giảm thiểu nhân lực cần thiết cho việc giám sát, tăng cường độ chính xác trong việc điều khiển và giảm thiểu rủi ro do con người gây ra. Hệ thống giám sát tự động giúp phát hiện sớm các sự cố, từ đó có thể đưa ra các biện pháp khắc phục kịp thời. Điều này không chỉ nâng cao hiệu quả hoạt động của trạm bơm mà còn đảm bảo cung cấp nước ổn định cho khu resort, đáp ứng nhu cầu của khách hàng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nôi dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án.  Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Chương này trình bày cơ sở lý thuyết về PLC, board truyền thông CB 1412, biến tần Sinamic V20 của Siemens, màng hình HMI điều khiển, cảm biến áp suất, máy bơm và lựa chọn đường ống  Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán Chương này nói về cách thiết kế và bố trí các thiết bị trong mô hình cho phù hợp với người giám sát và điều khiển. Tính toán và thiết kế mạch động lực, bảng điều khiển cho mô hình.

Mô tả cách thức hoạt động của dự án và sự liên kết giữa các thiết bị với nhau.  Chương 4: Thi Công Dựa trên những cơ sở đã thiết kế và lựa chọn thiết bị ở chương 3, nhóm bắt đầu thi công mô hình từ các khâu cơ khí, lắp ráp thiết bị và kết nối các thiết bị với nhau, kiểm tra độ an toàn về điện, tránh ảnh hưởng tới con người và thiết bị.  Chương 5: Kết Quả Chương này trình bày những gì đã làm được trong đề tài từ kiến thức về phần cứng và phần mềm.  Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát triển Chương này trình bày kết quả mà nhóm thực hiện được của đề tài, Có những ưu và nhược điểm gì.

Cuối cùng là đưa ra những hướng phát triển mới của đề tài có thể thực thi được. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 2 Luan van CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2.1 TỔNG QUAN VỀ PLC S7-1200 2.1 Khái niệm PLC S7-1200 ( Promamable Logic Controller) là những kết hợp I/O và các lựa chọn cấp nguồn, bao gồm 9 module các bộ cấp nguồn cả VAC – hoặc VDC - các bộ nguồn với sự kết hợp I/O DC hoặc Relay. Các module tín hiệu để mở rộng I/O và các module giao tiếp dễ dàng kết nối với các mặt của bộ điều khiển.

Tất cả các phần cứng Simatic S7-1200 có thể được gắn trên DIN rail tiêu chuẩn hay trực tiếp trên bảng điều khiển, giảm được không gian và chí phí lắp đặt. Các module tín hiệu có trong các model đầu vào, đầu ra và kết hợp loại 8, 16, và 32 điểm hỗ trợ các tín hiệu I/O DC, relay và analog. Bên cạnh đó, bảng tín hiệu tiên tiến có trong I/O số 4 kênh hay I/O analog 1 kênh gắn đằng trước bộ điều khiển S7-1200 cho phép nâng cấp I/O mà không cần thêm không gian. Thiết kế có thể mở rộng này giúp điều chỉnh các ứng dụng từ 10_I/O đến tối đa 284_I/O, với khả năng tương thích chương trình người sử dụng nhằm tránh phải lập trình lại khi chuyển đổi sang một bộ điều khiển lớn hơn.

Các đặc điểm khác: bộ nhớ 50 KB với giới hạn giữa dữ liệu người sử dụng và dữ liệu chương trình, một đồng hồ thời gian thực, 16 vòng lặp PID với khả năng điều chỉnh tự động, cho phép bộ điều khiển xác định thông số vòng lặp gần tối ưu cho hầu hết các ứng dụng điều khiển quá trình thông dụng. Simatic S7- 1200 cũng có một cổng giao tiếp Ethernet 10/100Mbit tích hợp với hỗ trợ giao thức Profinet cho lập trình, kết nối HMI /SCADA hay nối mạng PLC với PLC.2 Phân loại Việc phân loai S7-1200 dựa vào CPU mà nó trang bị. Các loại PLC thông dụng: CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C. Thông thường S7-1200 được phân ra làm hai loại chính:  Loại cấp điện 220VAC: - Ngõ vào: kích hoạt mức 1 ở cấp điện áp +24VDC (Từ 15VDC – 30VDC).

- Ngõ ra: Relay. - Ưu điểm của loại này là dung ngõ ra Relay. Do đó có thể sử dụng ngõ ra ở nhiều cấp điện áp khác nhau (có thể sử dụng 0V, 24V, 220V …). - Tuy nhiên, nhược điểm của nó là do ngõ ra Relay nên thời gian đáp ứng không nhanh cho ứng dụng biến điệu đọ rộng xung, hoặc Output tốc độ cao…  Loại cấp điện áp 24VDC: - Ngõ vào: Kích hoạt mức 1 ở cấp điện áp +24VDC (Từ 15VDC – 30VDC).

- Ngõ ra: Transistor. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 3 Luan van CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT - Ưu điểm của loại này là ngõ ra Transistor. Do đó có thể sử dụng ngõ ra này để biên điệu độ rộng xung, Output tốc độ cao.

- Tuy nhiên, nhược điểm của loại này là do ngõ ra transistor nên chỉ có thể sử dụng ở cấp điện áp duy nhất là 24VDC, do vậy sẽ gặp rắc rối cho những ứng dụng có cấp điện áp khác nhau. Trong trường hợp này, phải thông qua một Relay 24VDC đệm.1: Các đặc điểm cở bản của S7-1200. Đặc trưng CPU 1211C CPU 1212C CPU 1214C Kích thước (mm) 90 x 100 x 75 110 x 100 x 75 Bộ nhớ người dung:  Bộ nhớ làm việc:  25 Kbytes.  Bộ nhớ tải:  1 Mbytes.

 Bộ nhớ sự kiện:  2 Kbytes. Phân vùng I/O:  Digital I/O  6 inputs / 4  8 inputs /  14 intputs / 10  Analog I outputs. Tốc độ xử lý 1024 bytes (inputs) và 1024 bytes (outputs). Modul mở rộng Không 2 8 Mạch tín hiệu 1 Modul giao tiếp 3 (left-size expansion ).

Bộ đếm tốc độ cao 3 4 6  Trạng thái đơn: 3 – 100Khz 3 - 100Khz 3 - 100Khz 1 – 30Khz 3 – 30Khz  Trang thái đôi: 3 – 80Khz 3 – 80Khz 3 – 80Khz 1 – 20Khz 3 – 20Khz Mạch ngõ ra 2 Thẻ nhớ Thẻ nhớ Simatic(tùy chọn). Thời gian lưu trữ khi 240h. mất điện PROFINET 1 cổng giao tiếp Ethernet. Tốc độ thực thi phép 18us.

toán số thực Tốc độ thi hành 0,1us. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 4 Luan van CHƯƠNG 2.3 Hình dạng bên ngoài (CPU 1214C) Hình 2.1: Hình dạng bên ngoài của S7-1200(CPU 1214C)  1: Bộ phận kết nối nguồn.  2: Các bộ phận kết nối dây của người dùng có thế tháo được (Phía sau các năp khe).  3: Led báo trạng thái I/O tích hợp.

 4: Led báo nguồn và cảnh báo lỗi.  5: Bộ phận kết nối cổng mạng.  6: Bộ phận kết nối module mở rộng. CPU 1212C gồm 10 ngõ vào và 6 ngõ ra, có khả năng mở rộng thêm 2 module tín hiệu (SM), 1 mạch tín hiệu(SB) và 3 module giao tiếp (CM).

Các đèn báo trên CPU 1212C:  ERROR (màu đỏ): màu đỏ ERROR báo hiệu việc thực hiện chương trình đã xảy ra lỗi.  STOP / RUN (cam / xanh): CPU ngừng / đang thực hiện chương trình đã nạp vào bộ nhớ.  MAINT (Maintenance): led cháy báo hiệu việc có thẻ nhớ được gắn vào hay không.  LINK: Màu xanh báo hiệu việc kết nối với tính thành công.

 Rx / Tx: Đèn vàng nhấp nháy báo hiệu tín hiệu được truyền. Đèn cổng ngõ ra BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 5 Luan van CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT  Ix.x (đèn xanh): Đèn xanh ở cổng vào báo hiệu trạng thái tức thời của cổng Ix. đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị của công tắc.x(đèn xanh): Đèn xanh ở cổng ra báo hiệu trạng thái tức thời của cổng Qx.

Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng.4 Cấu trúc bên trong Cũng giống như các PLC cùng họ khác, PLC S7-1200 gồm 4 bộ phận cơ bản: bộ xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao tiếp xuất / nhập:  Bộ xử lý còn được gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU), chứa bộ vi xử lý, biên dịch các tín hiệu nhập và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chương trình được lưu trong bộ nhớ của PLC. Truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động đến các thiết bị xuất.  Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC (24V) cần thiết cho bộ xử lý và các mạch điện trong các module giao tiếp nhập và xuất hoạt động.  Bộ nhớ là nơi lưu trữ chương trình được sử dụng cho các hoạt động điều khiển dưới sự kiểm soát của bộ vi xử lý.

 Các thành phần nhập và xuất (input / output) là nơi bộ nhớ nhận thông tin từ các thiết bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị điều khiển. Tín hiệu nhập có thể từ các công tắc, các bộ cảm biến,… Các thiết bị xuất có thể là các cuộn dây của bộ khởi động động cơ, các van solenoid…  Chương trình điều khiển được nạp vào bộ nhớ nhờ sự trợ giúp của bộ lập trình hay bằng máy vi tính. Bộ nhớ Thiết Sensor bị Input CPU Output SW điều khiển Nguồn Công suất Hình 2. Cấu trúc bên trong BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 6 Luan van CHƯƠNG 2.5 Cách đấu dây Ở đây chúng ta chọn CPU 1214C để trình bày đấu dây tiêu biểu: Chúng ta cung cấp nguồn 24VDC cho PLC và các thông số điện áp được thể hiện ở hình 2.

Sơ đồ đấu dây S7-1200 / CPU 1214C Nguồn cung cấp là 24VDC. Điện áp có thể thay đổi trong khoảng 20.8V dòng điện tiêu thụ là 12A. Các ngõ vào được tác động ở mức điện thế tiêu biểu là 24VDC. Các ngõ ra của PLC ở mức 0 khi công tắc hở hay điện áp <= 5VDC.

Ngõ ra ở mức 1 khi công tắc đóng hay điện áp =>15VDC. Thời gian đổi trạng thái từ “0” lên “1” và từ “1” xuống “0” tối thiểu là 0.1us để PLC nhận biết được. Các ngõ ra có thể là 5VDC – 30VDC hay 5VAC – 250VAC. Tùy theo yêu cầu thực tế mà ta có thể nối nguồn khác nhau để phù hợp với ứng dụng của nó.6 Module mở rộng Họ PLC S7-1200 cung cấp nhiều nhất 8 module tín hiệu đa dạng và 1 mạch tín hiệu cho bộ xử lý có khả năng mở rộng.

Ngoài ra bạn cũng có thể cài đặt thêm 3 module giao tiếp nhờ vào các giao thức truyền thông.  1 : Module giao tiếp (CM). BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 7 Luan van CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.

Các module mở rộng Bảng 2.2: Thông số các module Module Ngõ vào Ngõ ra Ngõ vào / ra 8 x DC / 8 x DC 8 x DC 8 x DC 16 x DC / 8 x 8 x Relay Relay Digital 16 x DC / 16 x Module tín 16 x DC DC hiệu (SM) 16 x DC 16 x Relay 16 x DC / 16 x Relay 4 x Analog / 2 x Analog 4x Analog 2 x Analog Analog Board Digital - - 2 x DC / 2 x DC tín hiệu (SB) Analog - 1 x Analog - BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 8 Luan van CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Module giao tiếp:  RS485  RS232 2.