Đặt vấn đề Hiện nay, sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa ngày càng phát triển mạnh mẽ, sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, trong đó kỹ thuật điều khiển tự động cũng góp phần rất lớn tạo điều kiện để nâng cao hiệu quả trong quá trình sản xuất. Vì thế tự động hóa quá trình công nghệ đã thực sự phát triển và ứng dụng mạnh mẽ trong công nghiệp, cũng là sự lựa chọn tối ƣu trong mọi lĩnh vực nhằm tạo ra sản phẩm chất lƣợng cao, tiết kiệm chi phí sản xuất tạo khả năng cạnh tranh mạnh mẽ trên thị trƣờng. Trong các ngành công nghiệpsản xuất chất lỏng nhƣ hóa chất, nƣớc uống đóng chai, sữa, nƣớc mắm, dầu ăn…vấn đề cần điều khiển mức, lƣu lƣợng dòng chảy cần đáp ứng với độ chính xác cao để phục vụ quá trình sản xuất đạt hiệu quả tốt hơn, đảm bảo quá trình sản xuất các chất lỏng không bị gián đoạn, tăng tuổi thọ thiết bị. Ngƣời vận hành không cần phải trực tiếp kiểm tra trong các bồn chứa hoặc đóng mở bơm liên tục, vấn đề bị cạn hay tràn trong bồn chứa chất lỏng hoàn toàn đƣợc khắc phục cho dù đầu ra thay đổi.
Chính vì vậy, chúng em chọn đề tài ―Thiết kế và thi công mô hình ổn định mức nƣớc‖. Với yêu cầu ứng dụng thực tế trên, đối tƣợng đề tài thực hiện chính ở đây là hệ thống bồn chất lỏng, hệ thống bồn chất lỏng đƣợc hình thành với hệ thống bơm và xả chất lỏng nhƣngluôn giữ ổn định giá trị mức đặt trƣớc, mức chất lỏng của bồn đƣợc duy trì ổn định,để làm đƣợc điều này thì đòi hỏi ta phải điều khiển lƣu lƣợng chất lỏng từ máy bơm vào hệ thống bồn nƣớc, làm mức chất lỏng trong bồn luôn giữ giá trị không đổi là giá trị đặt trƣớc. Việc điều khiển hệ thống này để giữ mức chất lỏng trong bồn là ổn định là tƣơng đối khó, cần phải có sự đáp ứng nhanh để điều khiển máy bơm khi lƣu lƣợng nƣớc từ van xã thay đổi, vì vậy cần phải có những bộ điều khiển hiện đại, chính xác và đáng tin cậy. PLC là một sự lựa chọn tốt nhất cho các ứng dụng trong công nghiệp với độ chính xác, ổn định và độ tin cậy cao.
Với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động hiện nay thì có nhiều cách để điều khiển mức chất lỏng của hệ thống bồn nƣớc, nhƣng ở đây chúng em sử dụng PLC S7-200 để điều khiển, sử dụng phần mềm DOPSOFT giao tiếp hiển thị.2 Mục tiêu đề tài Sau khi xác định đƣợc đối tƣợng, chủ thể và giới hạn phạm vi nghiên cứu, việc xác định mục tiêu sẽ là bƣớc quan trọng kế tiếp nhằm định hƣớng đúng đắn cho quy trình thực hiện đề tài. Mục tiêu đề tài cụ thể đƣợc thể hiện nhƣ sau: Thiết kế, thi công hệ thống phần cứng gồm mối quan hệ giữa bồn nƣớc, chất lỏng, cảm biến, hệ thống PLC, biến tần,bơm và màn hình giao tiếp HMI. Lựa chọn thiết bị cho mô hình. 1 do an Giải thuật cho PLC theo yêu cầu của đề tài, điều khiển bơm theo thông số cài đặt của mức chất lỏng.
Sử dụng phần mềm DOPSOFT để điều khiển giám sát hệ thống điều khiển hoạt động của hệ thống.3 Nội dụng đề tài Hệ thống gồm 2 bồn (bồn trên và bồn dƣới) đặt song song nhau. Bồn trên có 2 vancơđể thay đổi lƣu lƣợng chất lỏng xả từ bồn trên xuống bồn dƣới. Bồn dƣới có 1lỗ nối với ống nƣớc dẻo để dẫn chất lỏng từ bồn dƣới vào máy bơm. Mức nƣớc ở bồn trên đƣợc đo bằng một cảm biến siêu âm với ngõ ra analog.
Chất lỏng đƣợc bơm lên bồn trên bởi một động cơ máy bơm đƣợc điều khiển bằng biến tần DELTA và bộ điều khiển PLC S7-200. Mức chất lỏng đƣợc đặt theo yêu cầu của ngƣời vận hành, sau đó hệ thống đƣợc cho phép hoạt động bằng nút nhấn START trên màn hình HMI. Bơm sẽ bắt đầu hoạt động bơm chất lỏng từ bồn dƣớilên do biến tần điều khiển với điện áp có tần số lớn nhất là 60Hz và tần số sẽ giảm dầnđến khi mực chất lỏng bồn trên bằng giá trị mực chất lỏng đƣợc đặt, khi mực chất lỏng đã ổn định thì tần số đƣợc điều khiển bằng biến tần sẽ thay đổi khi lƣu lƣợng nƣớc từ 2 van xã thay đổi. Hệ thống cứ hoạt động liên tục nhƣ vậy khi ta ấn nút STOP thì hệ thống sẽ dừng lại.4 Giới hạn của đề tài Hệ thống đƣợc thực hiện bằng mô hình đơn giản.
Đề tài chỉ tập trung vào việc ổn định mức chất lỏng. Chất lỏng cung cấp cho hệ thống chỉ là nƣớc.5 Phƣơng pháp, đối tƣợng nghiên cứu 1.1 Phƣơng pháp nghiên cứu Để thực hiện đề tài nhóm đã tham các tài liệu trong sách, trên internet và dựa trên hệ thống,yêu cầu thực tế để xây dựng lại mô hình đáp ứng đƣợc những yêu cầu đó. Các bƣớc nhóm thực hiện: Đề ra mục tiêu và hƣớng đi cụ thể. Thiết kế hệ thống đáp ứng đƣợc các yêu cầu đã đề ra.
Nghiên cứu các tài liệu liên quan. Hoàn thành từng thành phần riêng lẻ. Tích hợp thành một hệ thống hoàn chỉnh. Viết chƣơng trình điều khiển, giám sát.2 Đối tƣợng nghiên cứu PLC S7-200 Siemens.
Biến tần DELTA. Màn hình HMI DELTA BO7S411 với phần mềm DOPSOFT. 2 do an Các thiết bị cảm biến siêu âm Carlo gavezzi, máy bơm nƣớc ly tâm 3 pha. 3 do an CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Bộ điều khiển chính 2.1 Giới thiệu chung vềPLC của hãng SIEMENS PLC (Programmable Logic Controller) là bộ điều khiển lập trình, PLC đƣợc xếp vào trong họ máy tính, đƣợc sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp và thƣơng mại.
PLC có đầy đủ chức năng và tính toán nhƣ vi xử lý. Ngoài ra, PLC có tích hợp thêm một số hàm chuyên dùng nhƣ bộ điều khiển PID, dịch chuyển khối dữ liệu, khối truyền thông… PLC có những ƣu điểm: Có kích thƣớc nhỏ, đƣợc thiết kế và tăng bền để chịu đƣợc rung động, nhiệt, ẩm và tiếng ồn, đáng tin cậy. Rẻ tiền đối với các ứng dụng điều khiển cho hệ thống phức tạp. Dễ dàng và nhanh chóng thay đổi cấu trúc của mạch điều khiển.
PLC có các chức năng kiểm tra lỗi, chẩn đoán lỗi. Có thể nhân đôi các ứng dụng nhanh và ít tốn kém. Một PLC gồm có những phần cơ bản sau: Bộ nguồn: cung cấp nguồn thiết bị và các module mở rộng đƣợc kết nối vào. CPU: thực hiện chƣơng trình và dữ liệu để điều khiển tự động các tác vụ hoặc quá trình.
Các ngõ vào/ra: gồm có các ngõ vào/ra số, vào/ra tƣơng tự. Các ngõ vào dùng để quan sát tín hiệu từ bên ngoài đƣa vào (cảm biến, công tắc), ngõ ra dùng để điều khiển các thiết bị ngoại vi trong quá trình. Các cổng/module truyền thông (CP: Communication Professor): dùng để nối CPU với các thiết bị khác để kết nối thành mạng, xử lý thực hiện truyền thông giữa các trạm trong mạng. Các loại module chức năng (FM: Function Module).
Ví dụ các module điều khiển vòng kín, các module thực hiện logic mờ… 4 do an Cấu trúc bên trong của PLC: Hình 2.1: Cấu trúc của PLC 2.2PLCSIMATICS7-200 CPU 224 S7-200 là thiết bị điều khiển logic khả trình loại nhỏ của hãng SIEMENScó cấu trúc theo kiểu Module và có các module mở rộng. Các module này đƣợc sử dụng cho nhiều ứng dụng lập trình khác nhau. Thành phần cơ bản của S7-200 là khối vi xử lý CPU-224.1:Sơ đồ khối của PLC 5 do an Hình ảnh về PLC S7 – 200 CPU 224: Hình 2.2:PLC S7-200 CPU 224 Đặc điểm của CPU 224: Nguồn cung cấp: 24 VDC. Ngõ ra số: 10 DO DC.
14 ngõ vào và 10 ngõ ra. Có khả năng thêm 7 modul mở rộng. Dung lƣợng bộ nhớ chƣơng trình: 12KB. Dung lƣợng bộ nhớ dữ liệu: 8KB.
Điều khiển PID: Có. Phần mềm: Step 7 Micro/WIN. Tốc độ xử lý một lệnh logic Boole: 0. 6 bộ đếm tốc độ cao tốc độ20 Khz.
2 bộ phát xung nhanh kiểu PTO và PWM. Bộ đếm lên/xuống: Có. Ngắt phần cứng: 4. Sốđầuvào/racósẵn:14DI/10DO.
Số đầu vào,ra số cực đại (sử dụng Module mở rộng): 168. Số đầu vào/ra tƣơng tự (sử dụng ModuleAnalog mở rộng):28AI/14AO. Kích thƣớc: Rộng x Cao x Sâu: 120. 6 do an Số đầu ra đƣợc tích hợp sẵn: 10 (Transistor).
Toàn bộ vùng nhớ không bị mất dữ liệu trong khoảng thời gian 190 giờ kể từ khi PLC bị mất nguồn cung cấp. Các cổng vào ra: Sơ đồ 2.2: Các cổng vào ra của PLC Các chế độ làm việc của CPU 224: RUN: Khi PLC thực hiện chƣơng trình từng bộ nhớ, PLC sẽ chuyển từ RUN sang STOP nếu trong máy có sự cố hoặc trong chƣơng trình gặp lệnh STOP. STOP: Cƣỡng bức PLC dừng chƣơng trình đang chạy và chuyển sang chế độ STOP. TERM: Cho phép máy lập trình tự quyết định chế độ hoạt động cho PLC RUN hoặc STOP.
Các đèn báo trên S7-200 CPU224: SF (đèn đỏ): Đèn đỏ SF báo hiệu hệ thống bị hỏng. RUN (đèn xanh): Đèn xanh RUN chỉ định PLC đang ở chế độ làm việc và thực hiện chƣơng trình đƣợc nạp vào trong máy. STOP (đèn đỏ): Đèn đỏ STOP chỉ định rằng PLC đang ở chế độ dừng chƣơng trình và đang thực hiện lại. 7 do an Ix.x (đèn xanh): Khi đèn xanh sánglà báo hiệu trạng thái đang hoạt động của cổng Ix.
Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của công tắc.x (đèn xanh): Khi đèn xanh sáng là báo hiệu trạng thái đang hoạt động của cổng Qx. Đèn này báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị logic của cổng.3 Module chuyên dụng EM231 Hình 2.3: Module EM231 CáctínhiệucóthểđọctừmoduleEM231(tùythuộcvàochọnswitchtrênmodule): Tínhiệuđơncực(tínhiệuđiệnáp):0-10VDC,0-5VDC. Tínhiệulƣỡngcực(tínhiệuđiệnáp):-5VDC-5VDC,-2. Tínhiệudòngđiện:0-20mA(cóthểđọcđƣợc4-20mA) TínhiệuanalogsẽđƣợcđọcvàoAIW0,AIW2tƣơngứng,tùy thuộcvàovịtrítín hiệuđƣavào module.ModuleEM231có4ngõvàoanalog,dovậy cácngõvàotƣơngtựlà:AIW0,AIW2, AIW4,AIW6.
Tínhiệuanaloglàtínhiệuđiệnáp,tuy nhiêngiátrịmàAIWđọcvàokhôngphảilàgiátrịđiện áp,màlàgiátrịquyđổitƣơngứng16bit. Trƣờnghợpđơncực:giátrịtừ0-64000tƣngứngvới(0-10V,0-5hay0-20mA). Lƣuý:Dòngđiệnngõvào:0-20mA.Độphângiải:5µAhaytừ1,25mVđến2,5mV. Giátrịngõvào:-32000đến32000(lƣỡngcực)haytừ0đến32000(đơncực).
Thông số kỹ thuật: Kích thƣớc: 71.2 mm x 80 mm x 62 mm Khối lƣợng: 190g Nguồn cung cấp: 24V DC Dải điện áp, dòng điện vào: Đơn cực: 0-10V, 0-5V Lƣỡng cực: +5V, +2.5V Ngõ ra Analog: 4 ngõ ra 8 do an Điện áp tối đa ngõ vào: 30VDC Dòng điện tối đa ngõ vào: 32 mA Trở kháng đƣa vào: Xuất ra điện áp, tối thiểu: 5 kΩ Xuất ra dòng điện, tối đa: 0,5 kΩ Độ phân giải: Áp: 12 bits Dòng: 11 bits Mạch ngõ vào của EM231: Hình 2.4: Cấu trúc bên trong của Module EM231 Sơ đồ đấu dây: Sơ đồ2.