Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các ngành công nghiệp chế biến, sản xuất thực phẩm, dệt nhuộm, hóa chất và phát điện, nồi hơi (lò hơi) đóng vai trò là thiết bị cung cấp nguồn nhiệt và năng lượng hơi nước thiết yếu. Quá trình vận hành nồi hơi tiềm ẩn nhiều nguy cơ mất an toàn nếu các thông số trạng thái không được kiểm soát chặt chẽ, trong đó hai biến số công nghệ quan trọng nhất là mức nước bao hơi và áp suất hơi nước. Việc duy trì mức nước ổn định giúp ngăn ngừa sự cố cạn nước gây cháy nổ vách kim loại hoặc sự cố tràn nước vào đường ống dẫn hơi, trong khi việc kiểm soát áp suất đảm bảo nồi hơi hoạt động trong giới hạn cơ học cho phép.

Xuất phát từ yêu cầu tự động hóa trong giám sát và điều hành các hệ thống công nghiệp nhằm nâng cao độ chính xác, tốc độ đáp ứng, độ tin cậy và hiệu quả lao động, đồ án chuyên môn đã lựa chọn đề tài: "Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát mức nước và áp suất của một nồi hơi". Đề tài giải quyết bài toán ứng dụng thiết bị điều khiển logic khả trình (PLC) kết hợp với phần mềm SCADA/HMI để tự động hóa quy trình cấp nước, duy trì áp suất và cảnh báo sự cố theo thời gian thực.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm:

  1. Tìm hiểu công nghệ vận hành nồi hơi và khảo sát các nguyên lý, phương pháp đo lường áp suất, đo mức chất lỏng trong công nghiệp.
  2. Nghiên cứu cấu trúc phần cứng, nguyên lý hoạt động và tập lệnh của dòng PLC Siemens Simatic S7-300; tìm hiểu cấu trúc hệ thống và quy trình thiết kế giao diện giám sát SCADA bằng phần mềm WinCC.
  3. Tính toán, lựa chọn các thiết bị phần cứng phù hợp với dải đo và yêu cầu công nghệ, bao gồm: cảm biến áp suất, cảm biến đo mức, bộ nguồn, module CPU, module tương tự (Analog), biến tần và động cơ bơm nước.
  4. Xây dựng sơ đồ khối chức năng, sơ đồ kết nối dây phần cứng và thiết lập lưu đồ thuật toán điều khiển cho toàn bộ hệ thống.
  5. Viết chương trình điều khiển trên phần mềm Step 7 và thiết kế giao diện HMI trên WinCC nhằm mô phỏng, vận hành và giám sát trạng thái hệ thống.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là quy trình công nghệ điều khiển và giám sát hai đại lượng vật lý: mức nước (dải đo $0 - 3\text{ m}$) và áp suất (dải đo $0 - 30\text{ bar}$) trong nồi hơi công nghiệp. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện trong khuôn khổ đồ án chuyên môn ngành Đo lường và Điều khiển tại Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, hoàn thành vào tháng 6 năm 2017.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và công nghệ ứng dụng

Đề tài vận dụng nền tảng lý thuyết về đo lường các đại lượng không điện, điều khiển tự động và giao tiếp người - máy (HMI/SCADA):

  • Nguyên lý đo áp suất: Áp suất ($P$) được xác định bằng tỷ số giữa lực tác dụng ($dF$) lên diện tích bề mặt chịu lực ($dS$) theo công thức $P = \frac{dF}{dS}$, với đơn vị đo chuẩn là Pascal ($\text{Pa}$) hoặc $\text{bar}$ ($1\text{ bar} = 10^5\text{ Pa}$). Đề tài phân tích hai dạng đo: đo áp suất tĩnh (đo trực tiếp chất lưu qua lỗ khoan thành bình hoặc gián tiếp qua độ biến dạng đàn hồi) và đo áp suất động (dựa trên chênh lệch giữa áp suất tổng và áp suất tĩnh tác động lên màng đo).
  • Nguyên lý đo mức chất lỏng: Phân loại theo phương thức đo liên tục (xác định thể tích/độ cao chất lưu theo thời gian thực) và đo theo ngưỡng (tín hiệu nhị phân ON/OFF tại các vị trí cố định). Ba nhóm phương pháp chính được khảo sát gồm: phương pháp thủy tĩnh dùng biến đổi điện, phương pháp điện (cảm biến độ dẫn cho chất lỏng dẫn điện với độ dẫn $\approx 50,\mu\text{S}\cdot\text{cm}^{-1}$; cảm biến tụ điện cho chất lỏng cách điện dựa trên sự thay đổi hằng số điện môi) và phương pháp quang học/bức xạ (cảm biến laser dựa trên việc phát xung sáng và đo thời gian phản hồi).
  • Hệ điều khiển PLC Simatic S7-300: Thiết bị điều khiển khả trình cấu trúc module gồm CPU xử lý trung tâm, bộ nhớ chương trình, hệ điều hành tích hợp các khối OB, FC, FB và các khối chức năng định thời (Timer), bộ đếm (Counter). Nguyên lý thực hiện chương trình dựa trên chu trình quét tuần hoàn (Scan Cycle) gồm 4 giai đoạn: đọc dữ liệu cổng vào số lưu vào vùng đệm ảo $I \rightarrow$ thực hiện các dòng lệnh từ đầu đến cuối khối OB1 $\rightarrow$ chuyển nội dung vùng nhớ ảo $Q$ ra cổng xuất số $\rightarrow$ truyền thông nội bộ và kiểm soát lỗi hệ thống.
  • Kỹ thuật xử lý tín hiệu tương tự (Analog): Khảo sát nguyên lý biến đổi tương tự - số (ADC 12-bit) tại cổng Analog Input (AI) để đưa các đại lượng vật lý đã chuẩn hóa (chuẩn điện áp $0-10\text{V}$, chuẩn dòng điện $4-20\text{mA}$) vào bộ nhớ PLC, và bộ biến đổi số - tương tự (DAC 12-bit) tại cổng Analog Output (AO) để xuất tín hiệu điều khiển liên tục ra thiết bị chấp hành như biến tần.
  • Hệ thống giám sát WinCC (Windows Control Center): Hệ thống SCADA chuyên dụng của Siemens tích hợp các công cụ: Communications Drivers (trình điều khiển kết nối mạng công nghiệp), Graphics Designer (thiết kế đồ họa giao diện), Tag Logging (thu thập và lưu trữ dữ liệu quá trình), Alarm Logging (quản lý cảnh báo sự cố). WinCC hoạt động trên hai cơ sở dữ liệu: CS (Configuration database - lưu cấu hình tĩnh) và RT (Runtime database - lưu trữ và cập nhật dữ liệu thời gian thực).

Phương pháp nghiên cứu

Tác giả sử dụng kết hợp các phương pháp kỹ thuật thực hành:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp: Khảo sát yêu cầu công nghệ nồi hơi, phân tích các chỉ tiêu kỹ thuật cần đo lường để lựa chọn giải pháp phần cứng và cấu trúc mạng truyền thông phù hợp.
  • Phương pháp thiết kế kỹ thuật: Thiết lập sơ đồ khối, tính toán cấu hình các module PLC, lựa chọn thông số cảm biến, thiết lập bảng tham số vận hành cho biến tần và lập sơ đồ đấu nối dây mạch lực, mạch điều khiển.
  • Phương pháp mô phỏng và lập trình hệ thống: Viết thuật toán logic, cấu hình biến (Tags) trung gian và liên kết truyền thông giữa Step 7 và WinCC qua driver chuyên dụng SIMATIC S7 Protocol Suite.chn để mô phỏng sự biến thiên mức nước và áp suất theo kịch bản vận hành.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc điều khiển phân tán gồm 5 khối chức năng chính: Khối cảm biến thu thập tín hiệu, Khối điều khiển trung tâm PLC S7-300, Khối biến tần điều khiển tốc độ, Khối động cơ chấp hành và Khối máy tính giám sát HMI/WinCC.

Thành phần khối Thiết bị / Module được chọn Mã đặt hàng / Xuất xứ Thông số kỹ thuật chính
Module Nguồn (PS) Simatic PS 307 5A 6ES7307-1EA00-0AA0 (Siemens) Điện áp vào: $120/230\text{ VAC}$ ($50/60\text{ Hz}$); Điện áp ra: $24\text{ VDC} - 5\text{A}$, tích hợp bảo vệ chống ngắn mạch.
Module CPU Simatic CPU 312 6ES7312-1AD10-0AB0 (Siemens) Bộ nhớ làm việc: $32\text{ KB}$; Thẻ nhớ MMC tối đa $4\text{ MB}$; Cổng MPI; Quản lý tối đa 8 module trên 1 rack; Vùng nhớ I/O: 1024 byte.
Module Tương tự (SM) SM 334 4AI/2AO $\times$ 12-bit 6ES7334-0CE01-0AA0 (Siemens) Nguồn cấp $24\text{ VDC}$; 4 ngõ vào tương tự (AI), 2 ngõ ra tương tự (AO); Độ phân giải 12-bit; Dải đo: $0-10\text{V}$ hoặc $0-20\text{mA}$ / $4-20\text{mA}$.
Cảm biến áp suất Sensys M5256 M5256-C3079E-050BG (Sensys - Hàn Quốc) Dải đo: $0-50\text{ bar}$; Tín hiệu ngõ ra: $4-20\text{mA}$; Nguồn cấp: $9-30\text{ VDC}$; Nhiệt độ làm việc: $-40\text{ đến }125^\circ\text{C}$; Ren kết nối: PT1/4"; Vỏ thép không gỉ.
Cảm biến mức nước Cảm biến Laser/Quang học OPTEX / Dòng E4PA (Optex) Dải đo khoảng cách: $400-6000\text{ mm}$; Tín hiệu ngõ ra: $4-20\text{mA}$; Nguồn cấp: $12-24\text{ VDC}\pm10%$; Tần số hoạt động: $65-380\text{ KHz}$; Tiêu chuẩn IP65.
Biến tần Micromaster 420 (MM420) Siemens Điều khiển động cơ xoay chiều; Nhận tín hiệu điều khiển tần số $0-50\text{Hz}$ / $0-60\text{Hz}$ từ cổng Analog Output của PLC.
Động cơ bơm nước Bơm công nghiệp Ebara 3M 40-160/3.0 (Ebara - Italy) Công suất: $3\text{ kW}$ ($4\text{ HP}$); Điện áp: $380\text{ V}$; Dòng định mức: $6.8\text{ A}$; Lưu lượng: $12-42\text{ m}^3/\text{h}$; Cột áp: $29.5-17\text{ m}$; Họng hút/xả: $76/49\text{ mm}$.

Cài đặt tham số vận hành cho biến tần Siemens MM420

Biến tần MM420 được cấu hình các tham số chức năng nhằm tiếp nhận tín hiệu điều khiển từ PLC và điều khiển động cơ bơm nước Ebara:

  • P0003 = 1: Đặt mức truy cập thông số cơ bản.
  • P0004 = 0: Lọc hiển thị toàn bộ danh mục thông số.
  • P0010 = 1: Kích hoạt chế độ cài đặt nhanh thông số động cơ.
  • P0100 = 0: Đặt tần số lưới điện tiêu chuẩn ($50\text{ Hz}$, công suất tính bằng $\text{kW}$).
  • P0205 = 0: Chọn chế độ tải có mô-men không đổi.
  • P0300 = 1: Khai báo loại động cơ không đồng bộ xoay chiều.
  • P0304 = 220: Điện áp định mức cấp cho động cơ ($220\text{ V}$).
  • P0305, P0307, P0308, P0310, P0311: Nhập các thông số dòng điện định mức, công suất định mức, hệ số công suất ($\cos\varphi$), tần số định mức và tốc độ định mức của động cơ.
  • P0700 = 1: Chọn chế độ ra lệnh khởi động/dừng từ bàn phím (BOP).
  • P1000 = 2: Chọn nguồn đặt giá trị tốc độ/tần số từ tín hiệu tương tự (Analog Input) cấp từ ngõ ra AO của PLC SM334.
  • P1080 = 0: Tần số giới hạn dưới ($0\text{ Hz}$).
  • P1082 = 60: Tần số giới hạn trên ($60\text{ Hz}$).
  • P0010 = 0: Đóng chế độ cài đặt, đưa biến tần về trạng thái sẵn sàng hoạt động.

Sơ đồ đấu nối và lưu ý an toàn kỹ thuật

Trong thiết kế đấu dây module SM334, tín hiệu dòng $4-20\text{mA}$ từ cảm biến áp suất và cảm biến mức được đưa vào các chân nhận tín hiệu tương tự. Khi thi công mạch, tác giả nhấn mạnh quy tắc kỹ thuật:

  • Chân mass tín hiệu đo lường $M_{\text{ANA}}$ (chân 15 hoặc 18) bắt buộc phải được nối thông với chân mass nguồn $M$ của CPU bằng dây dẫn có tiết diện tối thiểu $1\text{ mm}^2$. Nếu không liên kết hai chân này, module SM334 sẽ tự động chuyển sang chế độ ngắt (giá trị đọc vào đạt cực đại 7FFFH, giá trị xuất bằng 0), vận hành kéo dài có thể dẫn đến hỏng module phần cứng.
  • Đảm bảo đấu đúng cực tính nguồn cấp $24\text{ VDC}$, tuyệt đối tránh đấu ngược cực gây cháy nổ linh kiện điện tử trên module.

Nội dung chính theo từng chương

PHẦN 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT

Chương này trình bày tổng quan công nghệ nồi hơi và các nguyên lý kỹ thuật phục vụ cho thiết kế:

  • Mô tả công nghệ và phân tích hệ thống: Xác định các biến công nghệ của nồi hơi cần xử lý, bao gồm dải áp suất làm việc $0-30\text{ bar}$, dải đo mức nước $0-3\text{ m}$. Định nghĩa các phần tử giao tiếp và chỉ báo: nút bấm START, STOP, đèn báo trạng thái RUN, đèn cảnh báo mức thấp LAL ($H < 0.5\text{ m}$), đèn cảnh báo mức cao HAL ($H > 2.5\text{ m}$) và đèn cảnh báo áp suất cao HAP ($P > 25\text{ bar}$).
  • Kỹ thuật đo lường công nghiệp: Phân tích chi tiết nguyên lý hoạt động của các phương pháp đo áp suất (áp suất tĩnh, áp suất động) và các phương pháp đo mức chất lỏng liên tục/ngưỡng (cảm biến độ dẫn một điện cực, hai điện cực; cảm biến điện dung; cảm biến laser).
  • Bộ điều khiển khả trình PLC S7-300: Khái quát cấu trúc họ PLC Simatic S7-300; phân tích chức năng các dòng CPU (CPU 312, 314, 315, các biến thể IFM tích hợp I/O onboard và biến thể DP tích hợp cổng Profibus); quy cách các module mở rộng nguồn PS 307 ($2\text{A}, 5\text{A}, 10\text{A}$), module ghép nối rack IM (quản lý tối đa 4 rack, mỗi rack tối đa 8 module), module tín hiệu SM (DI, DO, AI, AO) và module truyền thông CP.
  • Nguyên lý vòng quét và xử lý Analog: Trình bày chu trình quét tuần hoàn và ảnh hưởng của thời gian vòng quét (Scan Time) đến tính thời gian thực của thuật toán điều khiển. Trình bày chi tiết cơ chế chuyển đổi ADC/DAC của module tương tự SM334 ($4\text{AI}/2\text{AO}$, độ phân giải 12-bit).
  • Tổng quan về HMI và phần mềm WinCC: Trình bày vai trò của giao diện người - máy trong các cấu hình mạng Profibus, Ethernet TCP/IP; phân tích 4 công cụ cốt lõi của WinCC (Communications Drivers, Graphics Designer, Tag Logging, Alarm Logging) và quy trình thiết lập dự án đơn trạm (Single-User Project).

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Chương này tập trung vào việc hiện thực hóa các giải pháp kỹ thuật:

  • Thiết lập sơ đồ khối: Phân định rõ ràng chức năng và luồng trao đổi dữ liệu giữa Khối cảm biến $\rightarrow$ Khối PLC S7-300 $\rightarrow$ Khối biến tần MM420 $\rightarrow$ Khối động cơ bơm nước Ebara, cùng kênh giám sát hai chiều với Khối máy tính cài đặt Step 7 và WinCC v7.0.
  • Tính toán và lựa chọn thiết bị: Lựa chọn cụ thể cảm biến áp suất Sensys M5256-C3079E-050BG ($0-50\text{ bar}$, $4-20\text{mA}$), cảm biến mức dạng laser/quang OPTEX ($400-6000\text{ mm}$, $4-20\text{mA}$), bộ nguồn PS 307-5A, CPU 312, module SM334, biến tần Siemens MM420 và máy bơm Ebara 3M 40-160/3.0.
  • Thiết lập sơ đồ đấu nối dây phần cứng: Bản vẽ thể hiện chi tiết liên kết giữa nguồn 3 pha cấp cho biến tần MM420, động cơ bơm nước, nguồn nuôi $24\text{ VDC}$ cho CPU 312, module SM334, các nút bấm điều khiển và hai đầu đo cảm biến.
  • Xây dựng thuật toán điều khiển:
    • Chương trình chính (MAIN): Điều phối tuần tự khối khởi động hệ thống, khối đo/điều khiển/cảnh báo áp suất và khối đo/cảnh báo mức nước.
    • Thuật toán khởi động: Khi nhấn START, cờ nhớ trung gian TG = 1, kích hoạt đèn RUN sáng; khi nhấn STOP, cờ TG = 0, toàn bộ hệ thống dừng làm việc.
    • Thuật toán điều khiển áp suất: Khi TG = 1, PLC đọc giá trị từ cảm biến áp suất. Nếu $P \le 25\text{ bar}$, hệ thống duy trì động cơ bơm nước; nếu $P > 25\text{ bar}$, PLC xuất lệnh bật đèn cảnh báo áp suất cao HAP.
    • Thuật toán điều khiển mức nước: Khi TG = 1, nếu mức nước $H < 0.5\text{ m}$, van cấp $M$ mở và bật đèn cảnh báo mức thấp LAL. Mức nước vượt $0.5\text{ m}$, đèn LAL tắt và tiếp tục bơm. Mức nước đạt $1.5\text{ m}$, máy bơm vận hành. Khi mức nước vượt ngưỡng an toàn trên ($H > 2.5\text{ m}$), van cấp $M$ đóng lại đồng thời kích hoạt đèn cảnh báo mức cao HAL.
  • Thiết kế giao diện WinCC: Xây dựng màn hình đồ họa mô phỏng bồn nồi hơi, hệ thống đường ống, van điện từ, bơm cấp nước, đồng hồ hiển thị số đo mức nước và áp suất theo thời gian thực cùng hệ thống đèn chỉ báo trạng thái (RUN, LAL, HAL, HAP).

Chương 3: Kết quả thực hiện

Chương cuối tổng kết quá trình thực hiện đề tài:

  • Kết quả đạt được: Hoàn thành đầy đủ các yêu cầu chuyên môn được giao; nắm vững phương pháp cấu hình và kết nối các module phần cứng trong họ PLC S7-300; làm chủ quy trình xây dựng dự án mô phỏng SCADA trên phần mềm WinCC v7.0.
  • Hạn chế tồn tại: Quá trình làm quen với các dòng module mở rộng mới của S7-300 và phương thức quản lý biến, thuộc tính đồ họa trong WinCC còn gặp nhiều khó khăn, đòi hỏi phải tra cứu tài liệu chuyên sâu và có sự hướng dẫn của giảng viên.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

Đồ án đã xây dựng thành công bộ hồ sơ thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho hệ thống điều khiển và giám sát nồi hơi:

  1. Thiết lập cấu hình phần cứng đồng bộ: Lựa chọn đầy đủ danh mục thiết bị công nghiệp tiêu chuẩn gồm CPU 312, bộ nguồn PS 307 5A, module mở rộng tương tự SM334 ($4\text{AI}/2\text{AO}$), biến tần MM420, bơm công nghiệp Ebara $3\text{ kW}$, cảm biến áp suất Sensys ($0-50\text{ bar}$) và cảm biến mức quang học Optex ($0.4-6\text{ m}$).
  2. Chuẩn hóa thông số biến tần: Xây dựng bảng cài đặt 13 mã thông số kỹ thuật cho biến tần Siemens MM420, đảm bảo động cơ nhận lệnh điều khiển chính xác từ cổng Analog Output của PLC với dải tần số hoạt động $0-60\text{ Hz}$.
  3. Hiện thực hóa giải thuật điều khiển công nghệ: Xây dựng 4 lưu đồ thuật toán chi tiết, xử lý triệt để các trạng thái vận hành của nồi hơi theo các mốc công nghệ: mức thấp ($< 0.5\text{ m}$), mức trung bình ($1.5\text{ m}$), mức cao ($> 2.5\text{ m}$) và áp suất nguy hiểm ($> 25\text{ bar}$).
  4. Xây dựng giao diện SCADA/HMI trên WinCC: Thiết kế giao diện trực quan cho phép người vận hành quan sát động thái biến thiên của mức nước và áp suất, hiển thị cảnh báo lỗi tức thời qua hệ thống đèn báo nhị phân.

Đóng góp về mặt học thuật và thực tiễn

  • Đề tài đã chuyển đổi thành công nền tảng điều khiển từ dòng PLC cơ bản S7-200 sang dòng PLC công nghiệp modular S7-300, giải quyết tính tương thích trực tiếp với phần mềm SCADA WinCC thông qua giao thức SIMATIC S7 Protocol Suite.
  • Đóng góp một quy trình thiết kế hoàn chỉnh từ khâu tính toán lý thuyết, lựa chọn thiết bị công nghiệp, thiết lập sơ đồ nguyên lý đấu dây đến xây dựng giải thuật và lập trình giám sát cho bài toán tự động hóa nồi hơi ở quy mô đồ án môn học.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Đề tài mới dừng lại ở mức độ tính toán lý thuyết, thiết kế sơ đồ nguyên lý và mô phỏng hoạt động trên phần mềm máy tính (Step 7 và WinCC), chưa có điều kiện lắp ráp và kiểm chứng trên mô hình thực nghiệm nồi hơi vật lý hoàn chỉnh.
    • Thuật toán điều khiển mức nước và áp suất vẫn áp dụng phương pháp điều khiển theo ngưỡng logic ON/OFF kết hợp khởi động bơm, chưa tích hợp các thuật toán điều khiển phản hồi vòng kín liên tục (như bộ điều khiển PID) để điều chỉnh van tuyến tính hoặc tần số biến tần một cách tối ưu.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Triển khai kết nối phần cứng thực tế giữa PLC S7-300 với mô hình nồi hơi thí nghiệm để kiểm chứng độ ổn định và thời gian đáp ứng của hệ thống.
    • Nghiên cứu ứng dụng các khối hàm điều khiển chuyên dụng (PID Control - FB41/FB42) trong PLC S7-300 nhằm duy trì áp suất và mức nước ổn định quanh điểm đặt mong muốn.
    • Mở rộng tính năng của hệ thống WinCC bằng cách thiết lập lưu trữ đồ thị quá trình (Tag Logging) và xuất báo cáo vận hành định kỳ theo tiêu chuẩn SCADA công nghiệp.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án là tài liệu tham khảo thiết thực đối với:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Đo lường & Tin học công nghiệp, Cơ điện tử: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về phương pháp ghép nối module tương tự SM334, cách xử lý tín hiệu dòng điện $4-20\text{mA}$ từ cảm biến công nghiệp và quy trình cấu hình giao tiếp giữa PLC S7-300 với WinCC v7.0.
  • Người thực hiện các đề tài tự động hóa nồi hơi, bồn chứa: Cung cấp bảng thông số kỹ thuật thực tế của các dòng cảm biến (Sensys, Optex), quy trình cài đặt tham số chi tiết cho biến tần Siemens Micromaster 420 và lưu đồ thuật toán điều khiển logic ứng dụng.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả quyết định chuyển sang sử dụng PLC S7-300 thay vì tiếp tục dùng S7-200?
Trong quá trình học tập trước đó, sinh viên được đào tạo trên dòng PLC S7-200. Tuy nhiên, do yêu cầu của đề tài cần xây dựng hệ thống giám sát SCADA trên phần mềm WinCC chuyên dụng của Siemens, trong khi WinCC không hỗ trợ tương thích trực tiếp và tối ưu với PLC S7-200 bằng các driver tiêu chuẩn, nhóm tác giả đã chuyển sang sử dụng PLC S7-300 để đảm bảo khả năng liên kết truyền thông mô phỏng và mở rộng kiến thức phần cứng.

2. Các ngưỡng công nghệ về mức nước và áp suất được thiết lập như thế nào trong giải thuật điều khiển?
Hệ thống giám sát hai dải đo: Mức nước $[0-3]\text{ m}$ và Áp suất $[0-30]\text{ bar}$. Các ngưỡng tác động được quy định cụ thể:

  • Mức nước $H < 0.5\text{ m}$: Mở van cấp $M$ và bật đèn cảnh báo mức thấp LAL.
  • Mức nước $H > 0.5\text{ m}$: Tắt đèn LAL, tiếp tục cấp nước.
  • Mức nước tăng đến $1.5\text{ m}$: Khởi động máy bơm nước.
  • Mức nước $H > 2.5\text{ m}$: Đóng van cấp $M$ và bật đèn cảnh báo mức cao HAL.
  • Áp suất $P > 25\text{ bar}$: Bật đèn cảnh báo áp suất cao HAP (khi $P \le 25\text{ bar}$ duy trì hoạt động bình thường của máy bơm).

3. Biến tần Siemens MM420 nhận tín hiệu điều khiển tốc độ từ đâu và các tham số cài đặt chính là gì?
Biến tần MM420 nhận tín hiệu điều chỉnh điểm đặt tương tự (Analog) xuất ra từ cổng Analog Output của module SM334 (PLC S7-300) thông qua việc thiết lập thông số P1000 = 2. Lệnh chạy/dừng được gán từ bàn phím qua P700 = 1. Dải tần số vận hành được giới hạn từ P1080 = 0 Hz đến P1082 = 60 Hz, cấp điện áp định mức động cơ P0304 = 220 V trên tần số lưới P0100 = 0 ($50\text{ Hz}$).

4. Module Analog SM334 có những đặc điểm kỹ thuật nào và cần lưu ý gì khi đấu nối dây phần cứng?
Module SM334 (mã 6ES7334-0CE01-0AA0) tích hợp sẵn bộ chuyển đổi ADC/DAC độ phân giải 12-bit, cung cấp 4 kênh vào tương tự (AI) và 2 kênh ra tương tự (AO), hỗ trợ dải tín hiệu $0-10\text{V}$ hoặc $0-20\text{mA}$ / $4-20\text{mA}$. Khi đấu dây, bắt buộc phải nối thông chân mass đo lường $M_{\text{ANA}}$ (chân 15 hoặc 18) với chân mass nguồn $M$ của CPU bằng dây dẫn có tiết diện tối thiểu $1\text{ mm}^2$ để tránh module bị khóa (xuất lỗi 7FFFH ngõ vào) và bảo vệ phần cứng không bị hư hỏng.

Kết luận

Báo cáo đồ án chuyên môn "Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát mức nước và áp suất của một nồi hơi" đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu thiết kế hệ thống tự động hóa sử dụng bộ điều khiển PLC Siemens Simatic S7-300 kết hợp giao diện SCADA WinCC v7.0. Đề tài cung cấp giải pháp kỹ thuật chi tiết từ việc lựa chọn cấu hình thiết bị (CPU 312, SM334, biến tần MM420, cảm biến Sensys, Optex), xây dựng sơ đồ đấu nối mạch lực và điều khiển, đến việc chuẩn hóa các lưu đồ thuật toán vận hành theo các ngưỡng an toàn công nghệ. Đây là tài liệu tham khảo có tính hệ thống cao cho sinh viên và kỹ sư trong việc tiếp cận thiết kế các hệ thống đo lường, điều khiển và giám sát quá trình nhiệt - thủy lực công nghiệp.