Tài liệu Đồ án chuyên môn đo lường và điều khiển thiết kế hệ 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 2019 Page 1 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. 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. 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 1.3.Tìm hiểu về PLC..............................................................................................9 1.3.1.Khái quát chung về PLC S7-300..................................................................9 1.3.2.Các Module.................................................................................................10 1.3.2.1. Cách thức PLC thực hiện chương trình.............................................15 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 CHƯƠNG II : THIẾT KẾ HỆ THỐNG..................................................................26 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 Page 3 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 2.6. Thiết kế giao diện HMI...............................................................................51 3.1 – Kết quả đạt được.........................................................................................52 3.2-Hạn chế tồn tại và phương hướng khắc phục................................................52 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, 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 - Áp suất có đơn vị đo là pascal (Pa) - Trong công nghiệp còn dùng đơn vị đo là bar (1bar= 10^5 Pa) Page 6 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 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). Page 8 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. 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 Page 10 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 Điện áp ra: 24VDC, chống ngắn mạch Page 13 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. + 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. Page 14 + 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. Truyền thông và kiểm tra nội VÒNG Chuyển dữ liệu từ cổng vào tới I QUÉT Chuyển dữ liệu từ Q tới cổng ra Thực hiện chương trình Hình 1.7 vòng quét chương trình Page 15 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 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 0100%, 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 Page 16 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). Module analog Thiết bị cảm biến Tín hiệu vào không điện Đầu đo Thiết bị chuyển đổi Tín hiệu ra tương tự 0 – 10V Analog Input 4-20 mA ( A/D) Các con số Analog Output ( D/A) 0 – 10 V 4 – 20 mA Các con số Hình 1.8. Quá trình chuyển đổi ADC (analog to digital conveter) Page 17 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 Hình 1.10. Sơ đồ khối của Module analog SM331 Page 18 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. 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 Page 19 Hình 1.11 HMI điều khiển nhiều bộ điều khiển thông PROFIBUS Hình 1.12HMI kết nối với máy chủ thông qua đường truyền LAN(TCP/IP) 1.3.3.2 Tìm hiểu về WINCC WinCC (Window Control Center) là phần mềm tạo dựng hệ SCADA và HMI rất mạnh của hãng SIEMENS hiện đang được dùng phổ biến trên thế giới và Việt Nam. WinCC hiện có mặt trong rất nhiều lĩnh vực như sản xuất xi măng, giấy, théo, dầu khí,… WinCC là một hệ thống điều khiển trung lập có tính công nghiệp và có tính kỹ thuật, hệ thống màn hình hiển thị đồ họa và điều khiển nhiệm vụ trong sản xuất và tự động hóa quá trình. Hệ thống này đưa ra những module chức năng tích hợp công nghiệp cho hiển thị đồ họa, những thông Page 20