Đang tải... (xem toàn văn)
PHẦN 1:CƠ SỞ LÍ THUYẾT1.1. Mô tả công nghệ và phân tích hệ thống.1.1.1.Mô tả công nghệ.Khởi động hệ thống , ấn START hệ thống khởi động.Đèn RUN sáng báo hệ thống đang làm việc.Mức nước 00,5m van M mở và đèn LAL sáng báo mức nước thấp nước được cấp vào nồi hơi,khi mức nước lớn hơn 0,5m thì đèn LAL tắt, nước tiếp tục được bơm vào nồi hơi.khi mức nước tăng dần đến 1,5m thì máy bơm hoạt động.Khi mức nước vượt quá 2,5m thì đèn HAL sáng báo hiệu nước ở mức cao van M đóng lại,ngưng cấp nước cho nồi hơi.Áp suất trong nồi tăng dần cho đến khi áp suất trong nồi hơi lớn hơn 2,5bar thì đèn HAP sáng cảnh báo áp suất cao.Ấn STOP hệ thống ngừng hoạt động.Kết thúc quá trình làm việc.
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC:ĐIỀU KHIỂN LÂP TRÌNH ĐỀ TÀI SỐ 2 : THIẾT KẾ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT MỨC NƯỚC VÀ ÁP SUẤT CỦA MỘT NỒI HƠI GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: NGUYỄN THU HÀ NHÓM SINH VIÊN THỰC HIỆN : NHÓM 2 TẠ VĂN HƯNG NGUYỄN TRỌNG HIẾU BÙI KHƯƠNG DUY NGUYỄN VĂN HIẾU TRẦN QUỐC DŨNG NGUYỄN VĂN CHUNG Hà Nội ngày…tháng…năm… Page 1 Đề 2: Nội dung: Xây dựng hệ thống điều khiển, giám sát mức nước và áp suất của một nồi hơi Trong đó: • L: Điểm đo mức ( có điều khiển và cảnh báo)có dải đo từ [o - 3] m, điểm làm việc là 1,5m • P: điểm đo áp suất ( cảnh báo): có dải đo [0 – 30]bar, • RUN: đèn báo hệ thống đang làm việc • LAL: đèn báo mức thấp (nhỏ hơn 0,5m), • HAL: đèn báo mức cao ( Lớn hơn 2,5m) • HAP:đèn cảnh báo áp suất Cao ( Lớn hơn 25 bar), • START, STOP: Hai nút ấn khởi động và dừng hệ thống Page 2 MỤC LỤC PHẦN 1:CƠ SỞ LÍ THUYẾT .5 1.1 Mô tả công nghệ và phân tích hệ thống 5 1.1.1.Mô tả công nghệ .5 1.1.2.Phân tích hệ thống 6 1.2.Phương pháp đo 6 1.2.1 Đo áp suất 6 1.2.2 Các phương pháp đo mức chất lỏng: 7 Khi đo liên tục biên độ hoặc tần số của tín hiệu đo cho biết thể tích chất lưu còn lại trong bình chứa Khi xác định theo ngưỡng, cảm biến đưa ra tín hiệu dạng nhị phân cho biết thông tin về tình trạng hiện tại mức ngưỡng có đạt hay không 7 +, Có ba phương pháp hay dùng trong kỹ thuật đo và phát hiện mức chất lưu: 7 - Phương pháp thuỷ tĩnh dùng biến đổi điện 7 - Phương pháp điện dựa trên tính chất điện của chất lưu .7 - Phương pháp bức xạ dựa trên sự tương tác giữa bức xạ và chất lưu 7 Một số loại cảm biến đo mức chất lưu 7 1.3.Tìm hiểu về PLC .8 1.3.1.Khái quát chung về PLC S7-300 8 -Cấu trúc PLC S7-300 .8 1.3.2.Các Module .9 1.3.2.1 Cách thức PLC thực hiện chương trình 13 1.3.2.2.Module analog 14 1.3.3Tìm hiểu về HMI .17 1.3.3.1Tìm hiểu về HMI 17 1.3.3.2Tìm hiểu về WINCC 19 2.Các thành phần cơ bản của WinCC 20 Page 3 3.Nguyên tắc hoạt động của WinCC Một chương trình của chúng ta sẽ được tạo ra bởi các công cụ soạn thảo ( bao gồm các chương trình Graphic System, Alarm Logging, Archive System…) Các thông số trong chương trình của ta sẽ được lưu trong vùng nhớ dữ liệu CS (Configuration database) .20 4.Quy trình tạo một project trên WinCC .20 CHƯƠNG II : THIẾT KẾ HỆ THỐNG 23 2.1 Xây dựng sơ đồ khối 23 2.2 Lựa chọn thiết bị .24 2.2.1 Lựa chọn cảm biến áp suất 24 2.1.2 Lựa chọn cảm biến đo mức 25 2.1.3 Lựa chọn PLC 27 2.1.4 Lựa chọn biến tần 31 2.1.5 Lựa chọn động cơ bơm nước 32 2.3 Xây dựng lưu đồ thuật toán 33 2.5 Xây dựng phần mềm 37 2.6 Thiết kế giao diện HMI 41 3.1 – Kết quả đạt được 42 3.2-Hạn chế tồn tại và phương hướng khắc phục 42 Page 4 PHẦN 1:CƠ SỞ LÍ THUYẾT 1.1 Mô tả công nghệ và phân tích hệ thống 1.1.1.Mô tả công nghệ -Khởi động hệ thống , ấn START hệ thống khởi động.Đèn RUN sáng báo hệ thống đang làm việc.Mức nước [0-0,5]m van M mở và đèn LAL sáng báo mức nước thấp nước được cấp vào nồi hơi,khi mức nước lớn hơn 0,5m thì đèn LAL tắt, nước tiếp tục được bơm vào nồi hơi.khi mức nước tăng dần đến 1,5m thì máy bơm hoạt động.Khi mức nước vượt quá 2,5m thì đèn HAL sáng báo hiệu nước ở mức cao van M đóng lại,ngưng cấp nước cho nồi hơi.Áp suất trong nồi tăng dần cho đến khi áp suất trong nồi hơi lớn hơn 2,5bar thì đèn HAP sáng cảnh báo áp suất cao.Ấn STOP hệ thống ngừng hoạt động.Kết thúc quá trình làm việc Hình 1.1: hình ảnh hệ thống Page 5 1.1.2.Phân tích hệ thống - Các thông số đo của hệ thống + Đo áp suất [0-30]bar + Đo mức nước [0-3]m - Đối tượng điều khiển và giám sát là các nút ấn & các đèn + START: Khởi động hệ thống +STOP : Dừng hệ thống +RUN: Hệ thống hoạt động +LAL : Đèn báo mức thấp( Nhỏ hơn 0,5m), +HAL : Đèn báo mức cao( Lớn hơn 2,5m) +HAP: Đèn báo áp suất cao( Lớn hơn 25bar) 1.2.Phương pháp đo 1.2.1 Đo áp suất - Phương pháp đo áp suất phụ thuộc vào dạng áp suất 1 2 - Đo áp suất tĩnh Đo trực tiếp chất lưu thông qua 1 lỗ khoan trên thành bình Đo gián tiếp thông qua biến dạng của thành bình dưới tác động của áp suất Đo áp suất động Dựa theo nguyên tắc chung là đo hiệu suất tổng và áp suất tĩnh Có thể đo bằng cách đặt áp suất tổng lên màng trước, đặt áp suất tĩnh lên màng sau của màng đo, tín hiệu đưa ra là đọ chênh lệch giữa áp suất tổng và áp suất tĩnh - Áp suất có đơn vị đo là pascal (Pa) - Trong công nghiệp còn dùng đơn vị đo là bar (1bar= 10^5 Pa) Công thức xác định : - dF: lực tác dụng -dS: diện tích thành ống chị lực tác dụng -Trong đề tài này Chúng em đo áp suất bằng cách sử dụng Cảm Biến áp suất để đo Với ưu điểm đơn giản, dễ dàng sử dụng, hơn nữa có thể bảo dưỡng định kì Chất lượng đảm bảo Page 6 1.2.2 Các phương pháp đo mức chất lỏng: -Có hai dạng đo: đo liên tục và xác định theo ngưỡng Khi đo liên tục biên độ hoặc tần số của tín hiệu đo cho biết thể tích chất lưu còn lại trong bình chứa Khi xác định theo ngưỡng, cảm biến đưa ra tín hiệu dạng nhị phân cho biết thông tin về tình trạng hiện tại mức ngưỡng có đạt hay không +, Có ba phương pháp hay dùng trong kỹ thuật đo và phát hiện mức chất lưu: - Phương pháp thuỷ tĩnh dùng biến đổi điện - Phương pháp điện dựa trên tính chất điện của chất lưu - Phương pháp bức xạ dựa trên sự tương tác giữa bức xạ và chất lưu Một số loại cảm biến đo mức chất lưu * Cảm biến độ dẫn Các cảm biến loại này dùng để đo mức các chất lưu có tính dẫn điện (độ dẫn điện ~ 50μScm-1) Trên hình 1.2 giới thiệu một số cảm biến độ dẫn đo mức thông dụng Hình 1.2: Cảm biến độ dẫn a, Cảm biến hai điện cực b, Cảm biến một điện cực c, Cảm biến phát hiện mức Sơ đồ cảm biến hình 1.2 a gồm hai điện cực hình trụ nhúng trong chất lỏng dẫn điện Trong chế độ đo liên tục, các điện cực được nối với nguồn nuôi xoay chiều ~ 10V (để tránh hiện tượng phân cực của các điện cực) Dòng điện chạy qua các điện cực có biên độ tỉ lệ với chiều dài của phần điện cực nhúng chìm trong chất lỏng Page 7 Sơ đồ cảm biến hình 1.2b chỉ sử dụng một điện cực, điện cực thứ hai là bình chứa bằng kim loại Sơ đồ cảm biến hình 1.2c dùng để phát hiện ngưỡng, gồm hai điện cực ngắn đặt theo phương ngang, điện cực còn lại nối với thành bình kim loại,vị trí mỗi điện cực ngắn ứng với một mức ngưỡng Khi mức chất lỏng đạt tới điện cực, dòng điện trong mạch thay đổi mạnh về biên độ * Cảm biến tụ điện Khi chất lỏng là chất cách điện, có thể tạo tụ điện bằng hai điện cực hình trụ nhúng trong chất lỏng hoặc một điện cực kết hợp với điện cực thứ hai là thành bình chứa nếu thành bình làm bằng kim loại Chất điện môi giữa hai điện cực chính là chất lỏng ở phần điện cực bị ngập và không khí ở phần không có chất lỏng Việc đo mức chất lưu được chuyển thành đo điện dung của tụ điện, điện dung này thay đổi theo mức chất lỏng trong bình chứa Điều kiện để áp dụng phương pháp này hằng số điện môi của chất lỏng phải lớn hơn đáng kể hằng số điện môi của không khí (thường là gấp đôi) Trong trường hợp chất lưu là chất dẫn điện, để tạo tụ điện người ta dùng một điện cực kim loại bên ngoài có phủ cách điện, lớp phủ đóng vai trò chất điện môi còn chất lưu đóng vai trò điện cực thứ hai 1.3.Tìm hiểu về PLC Theo yêu cầu cầu đề tài có sử dụng winCC để mô phỏng hệ thống Mặc dù gần 2 năm quá chúng em được tìm hiểu về PLC S7-200 Tuy nhiên do Win CC không tương thích với loại PLC S7-200 Do vậy chúng em quyết định sử dụng loại PLC S7-300 Chúng tương thích với Win CC trong quá trình ô phỏng Đây cũng là cơ hội cho chúng em biết hơn về các loại PLC 1.3.1.Khái quát chung về PLC S7-300 -Cấu trúc PLC S7-300 PLC là thiết bị điều khiển logic khả trình (Programmable Logic Control) là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình PLC là một bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật Page 8 toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh ( với PLC khác hoặc với máy tính) Toàn bộ chương trình điều khiển được lưu trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình ( Khối OB, FC hoặc FB) và được thực hiện theo chu kỳ vòng quét Hình 1.3 Nguyên lí chung về cấu trúc của một bộ điều khiển logic khả trình (PLC) Để có thể thực hiện được một chươg trình điều khiển, tất nhiên PLC phải có tính năng như một máy tính, nghĩa là phải có bộ vi xử lý (CPU), một hệ điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển và tất nhiên phải có cổng vào/ ra để giao tiếp được với đối tượng điều khiển và để trao đổi thông tin với môi trường xung quanh Bên cạnh đó, nhằm phục vụ bài toán điều khiển số, PLC cần phải có thêm các khối chức năng đặc biệt khác như bộ đếm (Counter), bộ thời gian (Timer)và những khối hàm chuyên dụng (hình 1.4) 1.3.2.Các Module Thông thường để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế mà ở đó phần lớn các đối tượng điều khiển có số tín hiệu đầu vào/ra khác nhau mà các bộ điều khiển PLC được thiết kế không được cứng hoá về cấu hình Chúng được Page 9 chia nhỏ thành các module Số các module được chia nhiều hay ít tuỳ theo từng bài toán, song tối thiểu phải có một module chính là module CPU Các module còn lại là các module nhận/truyền tín hiệu với tín hiệu điều khiển, các module chức năng chuyên dụng như các module PID, điều khiển động cơ Chúng được gọi chung là modul mở rộng Tất cả các module được gá trên những thanh ray (Rack) Hình 1.4 Cấu trúc một thanh Rack của PLC S7-300 Theo yêu cầu công nghệ của đề tài Trong hệ thống cần đo các đại lượng : -Áp suất: P(bar) -Mức nước: H(m) Page 10 Hình 2.5 Module CPU 312 Các thông số của CPU 312 - S7-300, CPU 312 - 6ES7 312-1AD10-0AB0 - Nguồn cấp 24 - WORKING MEMORY: 32Kbyte - STEP 7 V5.5 + SP1 hoặc cao hơn hoặc STEP7 V5.2 + SP1 hoặc cao hơn với HSP 218Bộ nhớ lưu chương trình: MMC ( tối đa 4 MB) - Vùng địa chỉ vào/ra: 1024/1024 byte ( có thể định địa chỉ tự do) - Kênh số vào/ra tối đa: 256/256 - Số modul tối đa: 8 - Tần số chuyển mạch tối đa: 100Hz ( tải trở), 0.5 Hz ( tải cảm) - Kiểu kết nối: MPI - Ngôn ngữ lập trình: Step 7 (LAD/FBD/STL), SCL, GRAPH, HiGraph Chọn Module analog cho PLC S7-300 Page 28 Module tương tự SM334 4 AI/ 2AO x 12/12 bits (6ES7334-0CE010AA0) Hình 2.6 Module analog SM334 - Điện áp nguồn 24VDC Có 4 ngõ vào, 2 ngõ ra Độ phân giải 12 bits Đo từ 0 đến 10V hoặc từ 0 đến 20mA Ngõ ra từ 0 đến 10V hoặc từ 0 đến 20 mA Page 29 Hình 2.7 Sơ đồ đấu dây với ngõ vào điện áp và ngõ ra điện áp Hình 2.8 Sơ đồ đấu dây với ngõ vào dòng điện vào ngõ ra dòng điện 1 Nguồn nội 2 Bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) 3 Các kênh đầu vào 4 Các kênh đầu ra 5 Bộ chuyển đổi số sang tương tự (DAC) 6 Mạch ghép nối bus 7 Chân nối chung 8 Chân nối mass Kết nối chân MANA (chân 15 hoặc 18) với chân mass M của CPU sử dụng dây có tiết diện tối thiểu 1mm2 Nếu 2 chân này không được nối với Page 30 nhau thì module sẽ tắt Ngõ vào lúc này có giá trị 7FFFH, ngõ ra có giá trị bằng 0 Nếu để module hoạt động không được nối mass trong một thời gian có thể dẫn tới hư hỏng Tuyệt đối tránh đấu nguồn ngược cực Việc này có thể là nguyên nhân làm chay module 2.1.4 Lựa chọn biến tần Chọn loại biến tần MM420 của hãng Siemens Hình 2.9 Biến tần MM420 của Siemens Cài đặt biến tần - Biến tần MM420 điều khiển + cài đặt các thông số: P0003 = 1: chọn mức truy nhập cơ bản P0004 = 0: lọc tất cả cá thông số P0010 = 1: chọn loại cài đặt nhanh P0100 = 0: tần số là 50Hz P2050 = 0: chọn loại động cơ có mô men k đổi P0300 = 1: loại động cơ không đồng bộ P0304 = 220: điện áp định mức Page 31 P0305 : I đm động cơ P0307 : công suất định mức động cơ P0308: cos phi định mức P0310: tần số định mức P0311: tốc độ định mức P700 = 1: chọn điểm đặt điều chỉnh là bàn phím P1000 = 2: chọn điểm đặt tương tự lấy từ PLC P1080= 0: tần số min P1082 = 60: tần số max Kết thúc chọn P0010 = 0: chế độ sẵn sàng hoạt động 2.1.5 Lựa chọn động cơ bơm nước hình 2.10 Động cơ bơm nước Máy bơm công nghiệp EBARA 3M 40 -160/3,0 Thông tin Máy bơm công nghiệp EBARA 3M 40-160/3,0 Xuất xứ Công suất Điện áp sử dụng Lưu lượng Chiều cao bơm Kích thước họng hút -xả Vật liệu thân bơm Cường độ dòng điện: Nhiệt độ chất lỏng bơm tối đa Bảo hành Mô tả Italy 3Kw/4Hp 380V 12-42 m3/h 29,5-17 m 76-49mm Nhôm 6,8 A 90 °C 12 tháng Page 32 2.3 Xây dựng lưu đồ thuật toán MAIN Khởi động hệ thống Đo, điều khiển và cảnh báo áp suất Đo và cảnh báo mức nước MEND Hình 2.11 thuật toán điều khiển của hệ thống - Chương trình chính của bài toán bao gồm 2 công việc : Công việc 1 : Đo và cảnh báo áp suất Tín hiệu áp suất trả về từ cảm biến được đưa vào PLC đọc và trả ra giá trị áp suất, từ đó để điều khiển động cơ bơm nước và cảnh báo mức áp suất cao Công việc 2 : Đo và cảnh báo mức nước cao và mức nước thấp Page 33 Khởi động hệ thống S START= 1 Đ S STOP=1 TG=1 Đ TG=0 END Hình 2.12 Thuật toán khởi động hệ thống - Lưu đồ thuật toán đo, điều khiển và cảnh báo áp suất Đo và cảnh báo áp suất TG=1 S Đ Page 34 Nhận tín hiệu tự cảm biến và xử lí tín hiệu Đ S Ápsuất25 Đ bar Khởi động động cơ bơm nước Bật đèn cảnh báo áp suất cao HAP RET Hình 2.13 Lưu đồ thuật toán điều khiển và cảnh báo áp suất - Lưu đồ thuật toán đo và cảnh báo mức nước Đo dieu khien và cảnh báo mức nước TG=1 S Đ Page 35 Nhận tín hiệu tự cảm biến và xử lí tín hiệu Đ Mức2,5m Đ Bật đèn cảnh báo mức cao HAL RET Hình 2.14 Lưu đồ thuật toán đo và cảnh báo mức nước 1.4 Sơ đồ đấu dây Page 36 L1 L2 L3 N PS307-2A DC 24V I 0 L N L+ M L+ M CPU312C SF START 0.0 0.1 0.2 DC5V 0.3 FRCF 0.4 RUN 0.5 STOP 0.6 RUN 0.7 STOP 1.0 MRES 1.1 2M 1L+ 0.0 0.1 0.2 0.3 L+ DC 24V 0.4 M 0.5 1M STOP START STOP LAL HAL RUN HAP L+ MV0+ M0MI0+ MV1+ M1MI1+ MV2+ M2MI2+ MV3+ M3MI3+ QV0 MANA QI0 QV1 MANA QI1 M 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 24VDC BLUE SM 334 BLACK FUSE BROWN CB MUC E4PA-LS600-M1-N 1 2 3 4 5 0V 0V 24VDC PIN1 PIN2 PIN3 cam bien ap suat MBS3000 2011-1AB04 START L1 L2 L3 1 2 3 4 BIEN TAN 5 MM420 6 7 8 9W V U L+ MOTOR M Hình 2.15 sơ đồ đấu dây 2.5 Xây dựng phần mềm Page 37 Page 38 Page 39 Page 40 2.6 Thiết kế giao diện HMI Mô hình mô tả hệ thống hoạt động trên wincc Hình 2.13 Hệ thống khi chưa khởi động Hình 2.14 Hệ thống sau khi nhấn START Khởi động hệ thống (ấn START hệ thống khởi động.đèn RUN sáng báo hệ thống đang làm việc.mức nước [0-0,5]m van M mở và đèn LAL sáng báo mức nước thấp nước được cấp vào nồi hơi,khi mức nước lớn hơn 0,5m thì đèn LAL tắt, nước tiếp tục được bơm vào nồi hơi.khi mức nước tăng dần đến 1,5m thì máy bơm hoạt động.khi mức nước vượt quá 2,5m thì đèn HAL sáng báo hiệu nước ở mức cao van M đóng lại,ngưng cấp nước cho nồi hơi.Áp suất trong nồi tăng dần cho đến khi áp suất trong nồi hơi lớn Page 41 hơn 2,5bar thì đèn HAP sáng cảnh báo áp suất cao.ấn STOP hệ thống ngừng hoạt động.Kết thúc quá trình làm việc Chương 3: Kết quả thực hiện 3.1 – Kết quả đạt được Qua bài đề tải vừa qua chúng em đã thực hiện theo đúng yêu cầu của thầy cô giao cho,chúng em đã học được rất nhiều những kến thức mới như biết thêm về wincc để mô phỏng chương trình thực tế cũng như các loại modul trong s7300.Hy vọng sau này chúng em sẽ áp dụng kiến thức đẫ học vào thực tế sau này 3.2-Hạn chế tồn tại và phương hướng khắc phục Trong quá trình làm bài này chúng em cũng gặp một số khó khăn như cách hoạt động của wincc,các thiết bị module mới trong s7300.Chúng em đã tìm tòi tài liệu trên mạng cũng như qua sự giúp đỡ của thầy cô nên đẫ hiểu ra nhiều kiến thức mới trong đề tài này Page 42 ...Đề 2: Nội dung: Xây dựng hệ thống điều khiển, giám sát mức nước áp suất nồi Trong đ? ?: • L: Điểm đo mức ( có điều khiển cảnh báo) có dải đo từ [o - 3] m, điểm làm việc 1,5m • P: điểm đo áp suất. .. việc : Cơng việc : Đo cảnh báo áp suất Tín hiệu áp suất trả từ cảm biến đưa vào PLC đọc trả giá trị áp suất, từ để điều khiển động bơm nước cảnh báo mức áp suất cao Công việc : Đo cảnh báo mức nước. .. vào nồi hơi. khi mức nước tăng dần đến 1,5m máy bơm hoạt động.Khi mức nước vượt 2,5m đèn HAL sáng báo hiệu nước mức cao van M đóng lại,ngưng cấp nước cho nồi hơi. Áp suất nồi tăng dần áp suất nồi