Luận văn Nghiên cứu sử dụng biến tần điều khiển tốc độ các máy bơm nước và ổn định áp suất trong đường ống ( SCADA cho trạm bơm nước )

Luận Văn Tốt Nghiệp S MỤC LỤC PHẦN 1. .....................................................................................................................1 CHƯƠNG 1:GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI . ...................................................................2 1.1 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU: . .........................................................................2 1.2 VÀI NÉT VỀ ĐỀ TÀI:. ....................................................................................2 1.3 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI:. ........................................................................................4 1.4 MÔ TẢ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG:. ....................................................5 1.5 HƯỚNG THỰC HIỆN ĐỀ TÀI:. .....................................................................6 CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-200 . ...........................................................8 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC ...8 2.1.1 Giới thiệu sơ lược về PLC S7-200: . ........................................................8 2.1.2 Thiết bị nhập xuất: . .................................................................................10 2.1.3. Cấu trúc vùng nhớ: . ................................................................................11 2.1.4. Nguyên tắc thực hiện chương trình: . ......................................................12 2.2 GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-200 CPU-224 AC/DC/RELAY: .........................14 2.2.1. Hình ảnh của PLC S7-200 CPU- 224:. ...................................................14 2.2.2. Giới thiệu các module mở rộng: . ............................................................15 2.3. NGOÂN NGÖÕ LAÄP TRÌNH CUÛA S7_200. ..................................................18 2.3.1. Phöông phaùp laäp trình: . ..........................................................................18 2.3.2. Baûng leänh cuûa s7-200: . .........................................................................19 2.2.3 Leänh vaøo/ra: . .........................................................................................27 CHƯƠNG 3:TÌM HIỂU S7-200 PC ACCESS. .......................................................43 3.1 TỔNG QUAN VỀ S7-200 PC ACCESS : . ...............................................43 3.1.1 Giới thiệu : . ........................................................................................43 3.1.2 Những tiện ích của PC ACCESS :. ....................................................43 3.1.3 Khả năng giao tiếp của PC Access : . .................................................44 3.1.4 Xác định tốc độ baud và địa chỉ network : . .......................................44 3.1.5 Các giao thức của S7-200 PC Access trong network: ........................45 3.2 CỬA SỔ LÀM VIỆC CỦA S7-200 PC ACCESS :...................................47 3.2.1 tree view:. ...........................................................................................48 Luận Văn Tốt Nghiệp S 3.2.2 Item view: . .........................................................................................49 3.2.3 Test Client view: . ...............................................................................50 3.3 Sự giao tiếp Server và Client trong S7-200 PC Access: ............................51 3.4 VÙNG NHỚ VÀ KIỂU DỮ LIỆU CỦA ITEM:. .....................................51 3.5 SỰ GIAO TIẾP GIỮA AUTOMATION CLIENT VỚI S7-200 PC AC- CESS:....................................................................................................................52 3.5.1 Excel client:. .......................................................................................52 3.5.2 Visual Basic Client: . ..........................................................................53 3.6 Các bước tạo Tag trên PC- Access. ...........................................................54 CHƯƠNG 4:TÌM HIỂU PHẦN MỀM WINCC . ....................................................60 4.1. Giới thiệu về WinCC:. ...................................................................................60 4.1.1 Control Center trong hệ thống WinCC:. ..................................................60 4.1.2. Nội dung của Control Center:. ................................................................61 4.1.3 Soạn thảo:. ..........................................................................................62 4.1.4. Các bước để tạo một Project trong WinCC:. ..........................................63 4.1.5. Trình tự tạo một Project:. ........................................................................63 4.2 Cách lập trình WinCC: . ...............................................................................73 4.3 Cấu hình truyền thông: . ................................................................................76 CHƯƠNG 5: GIỚI THIỆU VỀ BIẾN TẦN. ...........................................................79 5.1 Giới thiệu Biến tần Danfoss: . ........................................................................79 5.2 Hình ảnh của Biến tần Danfoss: . ..................................................................80 5.3 Sơ đồ đấu nối Terminal điều khiển: . ...........................................................80 5.4 Chú thích về các đèn báo LED:. ................................................................83 PHẦN 2:. ..................................................................................................................90 CHƯƠNG 6:THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH. ............................................91 BƠM CẤP NƯỚC . ..................................................................................................91 6.1 GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN . ...................................................................91 6.1.1 CPU 224 AC-DC-Relay của PLC Siemens S7-200 ................................91 6.1.2 Module Analog EM 235 của PLC Siemens S7-200 . .........................91 6.1.3 Giới thiệu về cảm biến áp suất:. .........................................................91 6.1.4 Giới thiệu về đồng hồ áp lực nước: . ..................................................92 Luận Văn Tốt Nghiệp S 6.1.5 Van 1 chiều: . ......................................................................................92 6.1.6 Relay: . ................................................................................................92 6.1.7 Máy bơm:. ..........................................................................................93 6.2 SƠ ĐỒ ĐIỆN. ...............................................................................................94 6.3 QUY ĐỊNH NGÕ RA NGÕ VÀO:. ...............................................................95 6.4 Hình ảnh của mô hình . ...................................................................................96 6.5 THIẾT KẾ GIAO DIỆN : . ............................................................................97 6.6 CÁC THÔNG SỐ SỬ DỤNG CHO BIẾN TẦN: . .................................101 6.6.1 Điều khiển biến tần bằng Wicc:. ......................................................101 6.6.2 Điều khiển biến tần theo ngõ vào analog:. .......................................102 6.6.3 Sơ đồ đấu nối bơm 3 pha vào biến tần:. ...........................................102 6.7 XỬ LÝ PID: . ...........................................................................................102 6.8 Ngắt và xử lý ngắt: . .................................................................................108 6.9 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT:. ..........................................................................110 6.10 LẬP TRÌNH PLC:. ...................................................................................112 CHƯƠNG 7:TÀI LIỆU THAM KHẢO . ...............................................................119 Luận Văn Tốt Nghiệp S TRANG 1 Luận Văn Tốt Nghiệp S TRANG 2 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI 1.1 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU: Trên thế giới và ở Việt Nam hiện nay nhu cầu tiêu thụ năng lượng đang tăng dần và đã có rất nhiều cảnh báo về tiết kiệm năng lượng. Các ngành công nghiệp nói chung và ngành cấp thoát nước ngày nay vẫn sử dụng công nghệ truyền động không thích hợp, điều khiển thụ động không linh hoạt. Điều này được kiểm chứng với các nhà máy nước đang hoạt động đó là điều kiện làm việc khác xa so với thiết kế. Chúng ta đã biết trong các yếu tố cấu thành giá nước thì chi phí điện bơm nước chiếm tỷ lệ rất lớn khoảng 30 – 35%.Trước đây có tồn tại quan điểm cho rằng việc đầu tư vào tiết kiệm năng lượng là một công việc tốn kém không mang lại hiệu quả thiết thực. Với công nghệ biến tần tính toán đã chỉ ra rằng việc đầu tư vào hệ thống điều khiển tiết kiệm năng lượng cho trạm bơm cấp II có thời gian hoàn vốn đầu tư hết sức ngắn và làm giảm chi phí cho công tác quản lý vận hành thiết bị. Máy bơm và quạt gió là những ứng dụng rất thích hợp với truyền động biến đổi tốc độ tiết kiệm năng lượng. Vì vậy trong phạm vi đồ án tốt nghiệp chúng ta chỉ đề cập đến việc sử dụng thiết bị biến tần trong điều khiển tốc độ tiết kiệm năng lượng cho các máy bơm nước và ổn định áp suất trong đường ống cấp nước. 1.2 VÀI NÉT VỀ ĐỀ TÀI: Mỗi một trạm bơm thường có nhiều máy bơm cùng cấp nước vào một đường ống chung. Áp lực và lưu lượng của đuờng ống thay đổi hàng giờ theo nhu cầu. Bơm và các thiết bị đi kèm như đường ống van, đài nước được thiết kế với lưu lượng nước bơm rất lớn. Vì thế điều chỉnh lưu lượng nước bơm được thực hiện bằng các phương pháp sau: _Điều chỉnh bằng cách khép van trên ống đẩy của bơm _Điều chỉnh bằng đóng mở các máy bơm hoạt động đồng thời _Điều khiển thay đổi tốc độ quay bằng khớp nối thuỷ lực. Điều khiển theo những phưong pháp trên không những không tiết kiệm được năng lượng điện tiêu thụ mà còn gây nên hỏng hóc thiết bị và đường ống do chấn động khi đóng mở van gây nên, đồng thời các máy bơm cung cấp không bám sát được chế độ tiêu thụ trên mạng lưới. Để giải quyết các vấn đề kể trên chỉ có thể sử dụng phương pháp điều khiển truyền động biến đổi tốc độ bằng thiết bị biến tần.Thiết bị biến tần là thiết bị điều chỉnh biến đôỉ tốc độ quay của động cơ bằng cách thay đổi tần số của dòng điện cung cấp cho động cơ. Hiện nay thiết bị biến tần trên thế giới có nhiều nhà cung cấp thiết bị biến tần như Danfoss ,Siemen Luận Văn Tốt Nghiệp S TRANG 3 ,ABB…Không chỉ cung cấp thiết bị cho ngành cấp thoát nước mà cho nhiều ngành công nghiệp khác. • Nguyên tắc điều khiển máy bơm của thiết bị biến tần: + Khi sử dụng thiết bị biến tần cho phép điều chỉnh một cách linh hoạt lưu lượng và áp lực cấp vào mạng lưới theo yêu cầu tiêu thụ. Với tín hiệu từ cảm biến áp lực phản hồi về thiết bị biến tần, bộ vi xử lý của biến tần sẽ so sánh giá trị truyền về với giá trị cài đặt để từ đó thay đổi tần số dòng điện, điện áp cung cấp cho động cơ làm thay đổi tốc độ quay của động cơ để đảm bảo lưu lượng và áp lực cấp vào mạng lưới +Sự điều chỉnh linh hoạt các máy bơm khi sử dụng biến tần được cụ thể như sau: ƒ Điều chỉnh tốc độ quay khi áp suất cùng thay đổi ƒ Đa dạng trong phương thức điều khiển các máy bơm trong trạm bơm. Một thiết bị biến tần có thể điều khiển đến 5 máy bơm . Có ba phương thức điều khiển các máy bơm: 9 Điều khiển theo mực nước:Trên cơ sở tín hiệu mực chất lỏng trong bể hút hồi tiếp về biến tần. Bộ vi xử lý sẽ so sánh tín hiệu hồi tiếp với mực chất lỏng được cài đặt. Trên cơ sở kết quả so sánh biến tần sẽ điều khiển đóng mở các máy bơm sao cho phù hợp để mực chất lỏng trong bể luôn bằng giá trị cài đặt. Ngược lại khi tín hồi tiếp lớn hơn giá trị cài đặt, biến tần sẽ điều khỉên cắt lần lượt các bơm để mực chất lỏng luôn đạt ổn định ở giá trị cài đặt. 9 Điều khiển theo hình thức chủ động/ thụ động: Mỗi một máy bơm được nối với một bộ biến tần trong đó có một biến tần chủ động và các biến tần khác là thụ động Khi tín hiệu hồi tiếp về biến tần chủ động thì bộ vi xử lý của biến tần này sẽ so sánh với tín hiệu được cài đặt để từ đó tác động đến các biến tần thụ động điều chỉnh tốc độ quay của các máy bơm cho phù hợp và không gây ra hiện tượng va đập thuỷ lực phản hồi từ hệ thống. Phương thức điều khiển này là linh hoạt nhất, khắc phục những khó khăn trong quá trình vận hành bơm khác với thiết kế. Phương thức này được sử dụng cho trường hợp thay đổi cả về lưu lượng và áp lực trên mạng lưới. 9 Điều khiển theo hình thức biến tần điều khiển một bơm: Một máy bơm chính được điều chỉnh thông qua thiết bị biến tần, các máy bơm còn lại đóng mở trực tiếp bằng khởi động mềm. Khi tín hiệu áp lực và lưu lượng trên mạng lưới hồi tiếp về biến tần. Bộ vi xử lý sẽ so sánh với giá trị cài đặt, và điều khiển tốc độ máy bơm chính chạy với tốc độ phù hợp và điều khiển đóng mở các máy bơm còn lại cho phù hợp với nhu cầu trên mạng lưới đồng thời điều chỉnh tốc độ bơm chính Luận Văn Tốt Nghiệp S TRANG 4 sao cho hạn chế tối đa hiện tượng va đập thuỷ lực mạng lưới cấp nước. Phương thức điều khiển này được áp dụng cho trường hợp áp lực của máy bơm đúng với thiết kế nhưng lưu lượng thay đổi. Bằng các phương thức điều khiển linh hoạt trên theo nhu cầu tiêu thụ của mạng lưới sẽ thay thế đài nước trên mạng lưới. ƒ Những ưu điểm khi điều khiển tốc độ bơm bằng thiết bị biến tần _ Hạn chế được dòng điện khởi động cao _Tiết kiệm năng lượng _Điều khiển linh hoạt các máy bơm _Sử dụng công nghệ điều khiển vecto Ngoài ra còn các ưu điểm khác của thiết bị biến tần như: _Dãy công suất rộng từ 1,1 – 400 Kw _ Tự động ngừng khi đạt tới điểm cài đặt _Tăng tốc nhanh giứp biến tần bắt kịp tốc độ hiện thời của động cơ, _Tự động tăng tốc giảm tốc tránh quá tải hoặc qúa điện áp khi khởi động, _Bảo vệ được động cơ khi : ngắn , mạch, mất pha lệch pha, quá tải, quá dòng, quá nhiệt _Kết nối với máy tính chạy trên hệ điều hành Windows, _Kích thước nhỏ gọn không chiếm diện tích trong nhà trạm, _Mô men khởi động cao với chế độ tiết kiệm năng lượng, _Dễ dàng lắp đặt vận hành, _Hiển thị các thông số của động cơ và biến tần. ƒ Từ những ưu điểm trên của thiết bị biến tần ta lựa chọn phương án lắp máy biến tần cho trạm bơm thay thế cho việc xây dựng đài nước trên mạng lưới nhằm tiết kiệm chi phí trong xây dựng và vận hành quản lý. 1.3 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI: Từ những kiến thức học được tại trường và ngoài thực tế thì trong luận văn này em chỉ có thể thực hiện được một số công việc mà thôi. Em còn hạn chế về kiến thức cũng như khả năng về kinh tế và thời gian có hạn nên cũng chỉ có thể tạo được mô hình nhỏ, nhưng với mô hình này đã thể hiện được quy trình hoạt động của một hệ thống bơm cấp nước thực tế. Một số công việc thực hiện trong luận văn: 9 Tìm hiểu mô hình bơm cấp nước hoạt động trong thực tế. 9 Tìm hiểu và nghiên cứu PLC S7 – 200 9 Giao tiếp PLC với Wincc giám sát hệ thống. 9 Giao tiếp PLC với Biến tần, thiết kế giao diện điều khiển tự động bằng WinCC. Điều khiển PID cho máy bơm chạy sao cho giá trị áp suất không thay đổi dù tải có thay đổi. Luận Văn Tốt Nghiệp S TRANG 5 9 Trên màn hình điều khiển sẽ cho thấy tất cả trạng thái hoạt động của hệ thống, các số liệu luôn được cập nhật về liên tục để tiện theo dõi. 9 Kiểm tra và xử lý khi có sự cố bất thường, nó được quan sát và điều khiển thông qua dao diện Scada. 9 Thi công mô hình phần cứng 1.4 MÔ TẢ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG: Trong hệ thống có tất cả là 3 máy bơm: hai máy bơm 1 pha và một máy bơm 3 pha. Biến tần sẽ điều khiển trực tiếp máy bơm 3 pha, một máy bơm 1 pha sẽ bơm dự phòng khi mà máy bơm 3 pha chạy hết công suất định mức mà áp suất vẫn chưa ổn định ở giá trị setpoint. Máy bơm dự phòng này sẽ được điều khiển trực tiếp bằng điện lưới 220V. Còn máy bơm 1 pha còn lại dùng để bơm nước thải sau khi được xử lý ra sông. Khi khởi động hệ thống lên thì máy bơm 3 pha được điều khiển bằng Biến tần sẽ được khởi động chạy cho tới khi đạt được áp suất đặt, khi áp suất trong đường ống đã bằng áp suất đặt thì biến tần sẽ giữ ổn định tốc độ của máy bơm này. Trường hợp tải thay đổi tức là áp suất thay đổi, tùy theo tải tăng hay giảm thì Biến tần sẽ điều khiển máy bơm chạy nhay hay chạy chậm. Khi tải tăng tức là áp suất sẽ giảm, lúc này muốn ổn định áp suất thì Biến tần sẽ điều khiển máy bơm chạy nhanh hơn ( tức là tăng tần số của máy bơm 3 pha) cho tới khi đạt được áp suất đặt. Ngược lại, khi tải giảm thì Biến tần sẽ giảm tần số của máy bơm xuống cho tới khi đạt được áp suất đặt. Trường hợp, nếu máy bơm 3 pha đã chạy hết công suất mà vẫn chưa đạt được áp suất đặt thì lúc này máy bơm dự phòng (máy bơm 1 pha) sẽ được khởi động lên, khi máy bơm dự phòng này được khởi động thì chắc chắn áp suất trong đường ống sẽ tăng lên vượt qua áp suất đặt, lúc này biến tần sẽ tự động giảm tần số lại cho tới khi nào áp suất bằng với áp suất đặt. Nếu lúc này tải giảm mạnh (áp suất tăng lên cao) thì bơm dự phòng sẽ tự động dừng chỉ còn bơm biến tần hoạt động. Hệ thống cứ hoạt động liên tục như vậy, áp suất trong đường ống luôn luôn ổn định tránh tình trạng áp suất tăng quá cao sẽ gây vỡ đường ống cấp nước. Luận Văn Tốt Nghiệp S TRANG 6 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống 1.5 HƯỚNG THỰC HIỆN ĐỀ TÀI: Đối với các hệ thống bơm cấp nước trong thực tế thì người ta sử dụng máy bơm công suất lớn, biến tần công suất lớn, để bơm cấp nước cho cả khu dân cư, thành phố, cho các khu công nghiêp. Nhưng với đề tài này thì em đã mô hình hóa hệ thống nên em chỉ sử dụng máy bơm và biến tần có công suất nhỏ, chính vì vậy mà em chỉ ổn định áp suất đặt với giá trị nhỏ. Một phần là vì những máy bơm công suất lớn rất nặng và to nên em không thể làm mô hình được, lý do nữa là chi phí cho các máy bơm và biến tần công suất lớn thì quá lớn đối với khả năng của em. ƒ Nghiên cứu kỹ hệ thống bơm cấp nước sử dụng biến tần trong thực tế. ƒ Nắm rõ trình tự điều khiển từng máy bơm ƒ Tìm hiểu về biến tần sử dụng ƒ Lựa chọn máy bơm và biến tần có công suất hợp lý. ƒ Tìm hiểu về giao tiếp PLC với biến tần. ƒ Lập trình PLC ƒ Lập trình bộ PID để điều khiển máy bơm ƒ Thiết kế giao diện SCADA để giám sát hệ thống. ƒ Giao tiếp PLC với SCADA thông qua phần mềm PC – Access. ƒ Thi công mô hình và chạy thử kiểm tra, sửa lỗi. Luận Văn Tốt Nghiệp S TRANG 7 ™ SƠ ĐỒ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PLC S7- 200 PHẦN TỬ CHẤP HÀNH SCADA Luận Văn Tốt Nghiệp S TRANG 8 CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-200 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC 2.1.1 Giới thiệu sơ lược về PLC S7-200: - PLC ( Programmable Logic Controller ): Bộ điều khiển lập trình, PLC được xếp vào trong họ máy tính, được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp và thương mại. - PLC đặt biệt sử dụng trong các ứng dụng hoạt động logic điều khiển chuổi sự kiện, duy trì biến số theo giá trị không đổi hoặc theo hàm cho trước. - PLC có đầy đủ chức năng và tính toán như vi xử lý. Ngoài ra, PLC có tích hợp thêm một số hàm chuyên dùng như bộ điều khiển PID, dịch chuyển khối dữ liệu, khối truyền thông,… - PLC có những ưu điểm: + Có kích thước nhỏ, được thiết kế và tăng bền để chịu được 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 chống 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 được kết nối vào. + CPU: thực hiện chương trình và dữ liệu để điều khiển tự động các tác vụ hoặc quá trình. + Vùng nhớ. + Các ngõ vào/ra: gồm có các ngõ vào/ra số, vào/ra tương tự. Các ngõ vào dùng để quan sát tín hiệu từ bên ngoài đưa 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