Đồ án Thiết kế thống điều khiển và giám sát mức nước và áp suất của một nồi hơi
BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
BÁO CÁO
ĐỒ ÁN CHUYÊN MÔN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN
ĐỀ TÀI SỐ 2 : THIẾT KẾ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM
SÁT MỨC NƯỚC VÀ ÁP SUẤT CỦA MỘT NỒI HƠI
Hà Nội ngày 19 tháng 6 năm 2017
Lời nói đầu
Ngày nay, con người cùng với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên
tiến của thế giới, chúng ta đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn.
Page 1
Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với đặc
điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ…là những yếu tố
rất cần thiết góp phần tăng hiệu quả lao động của con người.
Tự động hóa đang trở thành một nghành khoa học đa nhiệm vụ. Tự động hóa
đã đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng của nghành, lĩnh vực khác nhau
cho đến nhu cầu thiết yếu của con người trong cuộc sống hàng ngày. Một
trong những sản phẩm tiên tiến của nó là PLC. Ứng dụng rất quan trọng của
nghành công nghệ tự động hóa là việc điều khiển, giám sát các hệ thống với
những thiết bị điều khiển từ xa rất tinh vi và đạt được năng suất, kinh tế cao.
Xuất phát từ ứng dụng đó, chúng em xin phép thiết kế một mạch ứng dụng
của PLC đó là thiết hệ hệ thống điều khiển và giám sát mức nước và áp suất
của một nồi hơn trên S7 - 300.
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
Page 2
1.2.Phương pháp đo..............................................................................................6
1.2.1. Đo áp suất ....................................................................................................6
1.3.Tìm hiểu về PLC..............................................................................................9
1.3.1.Khái quát chung về PLC S7-300 ..................................................................9
1.3.2.2. Module analog .....................................................................................16
1.3.3 Tìm hiểu về HMI ........................................................................................19
1.3.3.1 Tìm hiểu về HMI ..................................................................................19
1.3.3.2 Tìm hiểu về WINCC.............................................................................21
2.Các thành phần cơ bản của WinCC..................................................................22
3.Nguyên tắc hoạt động của WinCC . .................................................................23
4.Quy trình tạo một project trên WinCC .............................................................23
2.1. Xây dựng sơ đồ khối...................................................................................26
2.2. Lựa chọn thiết bị .........................................................................................27
2.2.1. Lựa chọn cảm biến áp suất ......................................................................27
2.1.2. Lựa chọn cảm biến đo mức.......................................................................29
2.1.3. Lựa chọn PLC..........................................................................................31
2.1.4. Lựa chọn biến tần ....................................................................................35
2.1.5. Lựa chọn động cơ bơm nước...................................................................37
2.3. Xây dựng lưu đồ thuật toán.........................................................................38
2.5. Xây dựng phần mềm...................................................................................46
Page 3
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, ngừng cấp nước cho nồi hơi. Áp suất trong nồi tăng dần cho đến khi
áp suất trong nồi hơi lớn hơn 25bar thì đèn HAP sáng cảnh báo áp suất
cao. Ấn STOP hệ thống ngừng hoạt động. Kết thúc quá trình làm việc.
Page 5
Hình 1.1: hình ảnh hệ thống
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. 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
2. 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
Page 6
- 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 chịu 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.
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.
Page 7
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 1.2a 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.
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
Page 8
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 mô 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 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.
Page 9
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.
Page 10
Chúng được 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)
Do đó ta cần chọn các module sau: Module CPU, Module nguồn – PS (
Power supply), Module ghép nối IM (Interface module), Module tín hiệu
SM (Signal module). Module truyền thông (được sử dụng khi giao tiếp
với máy tính...)
Page 11
1. Module CPU
Hình 1.5. Hình ảnh module CPU 312C
Modul CPU là modul có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các
bộ thời gian, bộ đếm, cổng truyền thông (RS 485)... và có thể còn có một
vài cổng vào/ra số. Các cổng vào/ra số có trên modul CPU được gọi là
cổng vào/ra onboard.
Trong họ PLC S7-300 có nhiều loại CPU khác nhau. Nói chung chúng
được đặt tên theo bộ vi xử lý có trong nó như modul 312, modul 314,
modul 315...
Những modul cùng sử dụng một loại bộ vi xử lý, nhưng khác nhau về
cổng vào/ra onboard cũng như các khối hàm đặc biệt được tích hợp sẵn
trong thư viện của hệ điều hành phục vụ cho việc sử dụng các cổng
vào/ra onboard này sẽ được phân biệt với nhau trong tên gọi bằng thêm
cụm chữ cái IFM (Intergrated Function Module). Ví dụ modul 312 IFM,
modul 314 IFM...
Page 12
Ngoài ra còn có các loại modul CPU với hai cổng truyền thông, trong
đó cổng truyền thông thứ hai có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng
phân tán. Tất nhiên kèm theo cổng truyền thông thứ hai này là những phần
mềm tiện dụng thích hợp cũng đã được cài sẵn trong hệ điều hành. Các
loại CPU được phân biệt với những modul CPU khác bằng thêm cụm từ
DP (Distributed Port) trong tên gọi. Ví dụ modul 315-DP, 315-2DP
Hình 1.6 Hình ảnh thực tế các module mở rộng của PLC S7-300
2. Module nguồn – PS ( Power supply)
Có chức năng cung cấp nguồn cho các module của hệ Simatic
S7_300. Module nguồn có 3 loại : 2A, 5A, 10A
*PS 307 2A dòng ra 2A
Điện áp ra: 24VDC, chống ngắn mạch
Nối với hệ thống AC một pha (điện áp vào 120/230 VAC tần số 50/60
Hz)
*PS 307 5A dòng ra 5A
Điện áp ra: 24VDC, chống ngắn mạch
Nối với hệ thống AC một pha (điện áp vào 120/230 VAC tần số 50/60
Hz)
*PS 307 10A dòng ra 10A
Page 13
Điện áp ra: 24VDC, chống ngắn mạch
Nối với hệ thống AC một pha (điện áp vào 120/230 VAC tần số 50/60
Hz)
3. Module ghép nối IM (Interface module)
Modul ghép nối đây là loại modul chuyên dụng có nhiệm vụ nối từng
nhóm các modul mở rộng lại với nhau thành một khối và được quản ly
chung bởi modul CPU. Thông thường các modul mở rộng được gá liền với
nhau trên một thanh đỡ gọi là rack. Trên mỗi một rack chỉ có thể gá được
nhiều nhất 8 modul mở rộng (không kể modul CPU, modul nguồn nuôi.
Một modul CPU S7-300 có thể làm việc trực tiếp được với nhiều nhất 4
Racks và các Racks này phải được nối với nhau bằng modul IM
4. Module tín hiệu SM (Signal module)
SM (Signal modul): modul mở rộng cổng tín hiện vào/ra bao gồm:
+ DI (digital input): modul mở rộng các cổng vào số. Số các cổng vào
số mở rộng có thể là 8, 16, hoặc 32 tuỳ theo từng loại module.
+ DO (digital output): modul mở rộng các cổng ra số. Số các cổng ra số
mở rộng có thể là 8, 16, hoặc 32 tuỳ theo từng loại modul
+ DI/DO (digital input/digital output): modul mở rộng các cổng vào/ra
số. Số các cổng vào/ra số mở rộng có thể là 8vào/8ra, 16vào/16 ra theo
từng loại modul.
+ AI (analog input): Modul mở rộng các cổng vào tương tự. Về bản
chất chúng chính là các bộ chuyển đổi tương tự số12 bit (AD), tức là mỗi
tín hiệu tương tự được chuyển thành một tín hiệu số (nguyên) có độ dài
12 bit. Số các cổng vào tương tự có thể là 2, 4 hoặc 8 tuỳ từng loại
modul.
Page 14
+ AO (analog output): Modul mở rộng các cổng ra tương tự. Về bản
chất chúng chính là các bộ chuyển đổi số tương tự (DA). Số các cổng ra
tương tự có thể là 2 hoặc 4 tuỳ từng loại modul.
+
AI/AO (analog input/analog output): Modul mở rộng các cổng
vào/ra tương tự. Số các cổng vào/ra tương tự có thể là 4 vào/2 ra hoặc
4vào/4 ra tuỳ từng loại modul.
5. Module truyền thông CP ( Communication module)
Phục vụ truyền thông trong mạng giữa các PLC với nhau hoặc giữa
PLC với máy tính.
1.3.2.1. Cách thức PLC thực hiện chương trình
PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp, mỗi vòng lặp được gọi
là vòng quét (scan), mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ
liệu từ các cổng vào số tới vùng bộ đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực
hiện chương trình.Trong từng vòng quét chương trình được thực hiện từ
lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OB1 (Block End). Sau giai đoạn
thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đếm ảo Q
tới các cổng ra số, vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn truyền thông
nội bộ và kiểm soát lỗi.
Page 15
Truyền thông
và kiểm tra nội
Chuyển dữ liệu từ
cổng vào tới I
VÒNG
QUÉT
Chuyển dữ liệu từ
Thực hiện
chương trình
Q tới cổng ra
Hình 1.7 vòng quét chương trình
Thời gian cần thiết để PLC thực hiện được một vòng quét gọi là thời
gian vòng quét (Scan time). Thời gian vòng quét không cố định tức là
không phải vòng quét nào cũng thực hiện trong khoảng thời gian như
nhau. Có vòng quét thực hiện lâu có vòng quét thực hiện nhanh tuỳ thuộc
vào số lệnh trong chương trình được thực hiện, vào khối dữ liệu được
truyền thông trong vòng quét đó.
Như vậy giữa việc đọc dữ liệu từ đối tượng để xử lý, tính toán và việc
gửi tín hiệu điều khiển tới các đối tượng có một khoảng thời gian trễ đúng
bằng thời gian vòng quét. Nói cách khác thời gian vòng quét quyết định
tính thời gian thực của chương trình điều khiển trong PLC. Thời gian vòng
quét càng ngắn thì tính thời gian thực của chương trình càng cao
1.3.2.2. Module analog
Module analog là một công cụ để xử lý các tín hiệu tương tự thông qua
việc xử lý các tín hiệu số
Page 16
Analog input: Thực chất nó là một bộ biến đổi tương tự - số (A/D). Nó
chuyển tín hiệu tương tự ở đầu vào thành các con số ở đầu ra. Dùng để kết
nối các thiết bị đo với bộ điều khiển: chẳng hạn như đo nhiệt độ.
Analog output : Analog output cũng là một phần của module analog.
Thực chất nó là một bộ biến đổi số - tương tự (D/A). Nó chuyển tín hiệu
số ở đầu vào thành tín hiệu tương tự ở đầu ra. Dùng để điều khiển các thiết
bị với dải đo tương tự. Chẳng hạn như điều khiển Van mở với góc từ 0-
100%, hay điều khiển tốc độ biến tần 0-50Hz.
Thông thường đầu vào của các module analog là các tín hiệu điện áp
hoặc dòng điện. Trong khi đó các tín hiệu tương tự cần xử lý lại thường là
các tín hiệu không điện như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, lưu lượng, khối
lượng . . . Vì vậy người ta cần phải có một thiết bị trung gian để chuyển
các tín hiệu này về tín hiệu điện áp hoặc tín hiệu dòng điện – thiết bị này
được gọi là các đầu đo hay cảm biến.
Để tiện dụng và đơn giản các tín hiệu vào của module Analog Input và
tín hiệu ra của module Analog Output tuân theo chuẩn tín hiệu của công
nghiệp.Có 2 loại chuẩn phổ biến là chuẩn điện áp và chuẩn dòng điện.
-
-
Điện áp : 0 – 10V, 0-5V,
5V…
Dòng điện : 4 – 20 mA, 0-20mA,
10mA.
Trong khi đó tín hiệu từ các cảm biến đưa ra lại không đúng theo chuẩn
. Vì vậy người ta cần phải dùng thêm một thiết chuyển đổi để đưa chúng
về chuẩn công nghiệp.
Kết hợp các đầu cảm biến và các thiết bị chuyển đổi này thành một bộ
cảm biến hoàn chỉnh , thường gọi tắt là thiết bị cảm biến, hay đúng hơn là
thiết đo và chuyển đổi đo ( bộ transducer).
Page 17
Module analog
Thiết bị cảm biến
0 – 10V
Thiết bị
Analog Input
( A/D)
chuyển
Đầu đo
Tín hiệu vào
không điện
4-20 mA
Analog Output
( D/A)
Tín hiệu ra tương tự
0 – 10 V
Các con số
Hình 1.8. Quá trình chuyển đổi ADC (analog to digital conveter)
SM 334 là 1 module tương tự gồm có 4AI và 2AO 12bit có tích hợp
bộ chuyển đổi ADC ( analog to digital converter)
Hình 1.9. Hình ảnh module analog SM331
Page 18
Hình 1.10. Sơ đồ khối của Module analog SM331
1.3.3 Tìm hiểu về HMI
1.3.3.1 Tìm hiểu về HMI
HMI là từ viết tắt của Human-Machine-Interface, có nghĩa là thiết bị
giao tiếp giữa người điều hành thiết kế với máy móc thiết bị.
Nói một cách chính xác, bất cứ cách nào mà con người “giao tiếp” với
một máy móc thì đó là một HMI. Cảm ứng trên lò viba của bạn là một
HMI, hệ thống số điều khiển trên máy giặt, bảng hướng dẫn lựa chọn phần
mềm
hoạt
động
từ
xa
trên
TV
đều
là
HMI,…
Các ưu điểm của HMI:
Ưu điểm lớn nhất là trong các máy tính nhúng có hình dạng nhỏ gọn
giúp nó thay thế hiển thị 2 đường trên một công cụ thông thường hay trên
bộ
truyền
với
một
HMI
có
đầy
đủ
tính
năng.
Page 19
Người điều khiển làm việc trong không gian rất hạn chế tại sản nhà máy.
Đôi khi không có chỗ cho họ, các công cụ, phụ tùng và HMI cỡ lớn nên họ
cần có HMI có thể di chuyển được.
- Một số hệ thống HMI
Hình 1.10. HMI điều khiển trực tiếp 1 bộ điều khiển thông qua
PROFIBUS
Hình 1.11HMI điều khiển nhiều bộ điều khiển thông PROFIBUS
Page 20
Tải về để xem bản đầy đủ
51 trang
28/03/2022
27720
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đồ án Thiết kế thống điều khiển và giám sát mức nước và áp suất của một nồi hơi", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- do_an_thiet_ke_thong_dieu_khien_va_giam_sat_muc_nuoc_va_ap_s.doc
