Điều khiển, giám sát hệ thống tự động ổn định theo mức với biến tần và plc
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.1 MB, 57 trang )
TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÙNG VƯƠNG
KHOA: KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ
-----------------------
NGUYỄN MINH TUẤN
ĐIỀU KHIỂN, GIÁM SÁT HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ỔN ĐỊNH THEO
MỨC VỚI BIẾN TẦN VÀ PLC
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Ngành: CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT - ĐIỆN ĐIỆN TỬ
Phú Thọ, 2022
i
MỤC LỤC
MỤC LỤC………………………………………………………………………i
DANH MỤC HÌNH
ẢNH……………………………………………………...iii
DANH MỤC BẢNG
BIỂU………………………………………………….....iii
PHẦN I: MỞ ĐẦU……………………………………………………………..1
1.1. Lý do chọn đề tài ____________________________________________ 1
1.2. Mục tiêu nghiên cứu _________________________________________ 1
1.3. Ý nghĩa khoa học của đề tài ___________________________________ 2
1.4. Phạm vi nghiên cứu __________________________________________ 2
PHẦN II: NỘI DUNG……………………………………………………….....3
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂM MỨC………3
2.1. Nguyên tắc điều khiển trong hệ thống ____________________________ 3
2.2. Hệ thống điều khiển mức _____________________________________ 6
CHƢƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU…………..8
2.1. Đối tượng nghiên cứu ________________________________________ 8
2.2. Phạm vi nghiên cứu __________________________________________ 8
2.3. Nội dung nghiên cứu _________________________________________ 8
2.4. Phương pháp nghiên cứu ______________________________________ 8
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU…………………………………....23
3.1. Kết quả nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển __________________ 23
3.2. Chương trình lập trình PLC S7-1200 và HMI Siemens KT900 _______ 24
3.3. Lập trình cho PLC S7-1200___________________________________ 33
3.4. Lập trình HMI _____________________________________________ 37
3.5. Thiết kế tủ điện ___________________________________________ 43
PHẦN III: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ…………………………………...47
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………49
PHỤ LỤC……………………………………………………………………..49
ii
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1 Biểu đồ minh họa hoạt động điều khiển bơm ....................................... 6
Hình 2. 1 CPU 1414C AC/DC/Rly 6ES7212-1AE31-0XB0 ................................ 9
Hình 2. 2: Thành phần của PLC .......................................................................... 10
Hình 2. 3 Sơ đồ đấu nối đầu vào/ra của PLC ...................................................... 11
Hình 2. 4 Biến tần G110...................................................................................... 13
Hình 2. 5 Cách đấu nối mạch lực ........................................................................ 14
Hình 2. 6 Các đầu dây điều khiển ....................................................................... 14
Hình 2. 7 Sơ đồ nguyên lý................................................................................... 14
Hình 2. 8 Cảm biến mức ..................................................................................... 19
Hình 2. 9 Cách hoạt động của cảm biến mức ..................................................... 19
Hình 2. 10 Các bộ phận chính của cảm biến ....................................................... 20
Hình 2. 11 Cách đấu nối dây từ PLC sang biến tần ............................................ 21
Hình 2. 12 Dây kết nối Ethernet.......................................................................... 22
Hình 3. 1: Sơ đồ khối của hệ thống ..................................................................... 23
Hình 3. 2 Kết cấu làm việc vói TIA PORTAL ................................................... 24
Hình 3. 3 Hình ảnh trong chương trình HMI ................................................... 42
Hình 3. 4 Kết quả khi tải chương trình vào HMI ................................................ 43
Hình 3. 5 Cách sắp xếp thiết bị trong tủ ........................................................... 43
Hình 3. 6 Sơ đồ đấu nối thiết bị ....................................................................... 44
Hình 3. 7 Cách nối cảm biến với PLC .............................................................. 44
Hình 3. 8 Tủ điện sau khi lắp đặt ...................................................................... 45
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1 Các phím chức năng biến tần................................................................. 15
Bảng 2 Bảng số liệu đo và dùng thử hệ thống .................................................... 46
iii
PHẦN I: MỞ ĐẦU
1.1. Lý do chọn đề tài
Trên thế giới và ở Việt Nam hiện nay nhu cầu tiêu thụ năng lượng ngày
càng tăng dần và đã có rất nhiều cảnh báo về tiết kiệm năng lượng. Các ngành
công nghiệp nói chung và ngành lưu trữ chất lỏng nói riêng vẫn sử dụng cơng
nghệ truyền động khơng thích hợp, điều khiển thụ động, không linh hoạt. Đối
với nhà máy nước, yếu tố cấu thành giá nước bị chi phối phần lớn bởi chi phí
điện bơm nước, và nước tràn ra do khơng kiểm sốt được lưu lượng.
Với ngành liên quan tới nhiên liệu và chất đốt, đảm bảo không bị tràn
trong khi vẫn lưu trữ tối đa lượng chất lỏng giúp tiết kiệm chi phí vận chuyển.
Trước đây tồn tại quan điểm việc đầu tư vào tiết kiệm năng lượng là một công
việc tốn kém và không mang lại hiệu quả thiết thực. Với cơng nghệ biến tần tính
tốn đã chỉ ra việc đầu tư vào hệ thống điều khiển tiết kiệm năng lượng cho trạm
bơm có thời gian hoàn vốn đầu tư hết sức ngắn và giảm được chi phí cho cơng
tác quản lí vận hành thiết bị. Trong phạm vi đồ án, chúng ta chỉ đề cập đến việc
sử dụng thiết bị biến tần trong điều khiển tốc độ máy bơm mà vẫn ổn định mức
dung dịch trong bể chứa.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu
Với đề tài này, chúng em đã mơ hình hóa hệ thống nên chỉ sử dụng biến
tần công suất nhỏ và động công suất nhỏ để mô tả hoạt động của hệ thống. Một
phần vì máy bơm ba pha thường rất to và nặng kéo theo hệ thống sẽ không đơn
giản, lý do nữa là chi phí cho một đồ án như vậy là quá lớn với khả năng của
chúng em. Để thực hiện được đề tài chúng em đã:
-
Nghiên cứu kĩ hệ thống bơm cấp nước trong thực tế, nắm rõ trình tự điều
khiển từng máy bơm
-
Tìm hiểu về PLC Simatic S7-1200: Nghiên cứu cấu trúc phần cứng, cấu
trúc bộ nhớ của PLC S7-1200
-
Tìm hiểu về cách sử dụng biến tần G110
-
Lựa chọn biến tần và động cơ có cơng suất hợp lý
-
Tìm hiểu giao tiếp giữa PLC S7-1200 và biến tần.
1
-
Lập trình PLC và HMI
-
Tìm hiểu cách sử dụng phần mềm TIA PORTAL dùng để lập trình cho
PLC S7-1200 và phần mềm EBPro dùng để lập trình cho HMI Weintek
1.3. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Đề tài cho thấy việc ứng dụng của tự động hóa vào cuộc sống là rất cần
thiết, nó giúp ta tiết kiệm được thời gian, công sức, tiền bạc nhưng vẫn mang lại
hiệu quả kinh tế cao và hoạt động rất ổn định.
Từ đề tài nghiên cứu về hệ thống ổn định mức dung dịch trong bể chứa,
chúng ta có thể mở rộng cho hệ thống điều khiển lị nhiệt, hệ thống điều hịa
khơng khí,…
1.4. Phạm vi nghiên cứu
Từ những kiến thức cơ sở học được tại trường và ngồi thực tế, do cịn hạn chế
về kiến thức cũng như về khả năng kinh tế và thời gian có hạn nên chúng em chỉ
có thể tạo mơ hình mang tính chất mơ phỏng cao để thể hiện quy trình hoạt động
của hệ thống cấp nước trong thực tế. Trong đó, chúng em đã thực hiện một số
cơng việc:
-
Lập trình PLC theo thuật tốn đưa ra
-
Giao tiếp PLC với HMI giám sát hệ thống
-
Giao tiếp giữa PLC với biến tần
-
Thiết kế giao diện điều khiển tự động với EBPro
-
Cài đặt biến tần cho động cơ hoạt động theo giá trị tần số yêu cầu
2
PHẦN II: NỘI DUNG
CHƢƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂM MỨC
Mỗi trạm bơm thường có nhiều máy bơm cùng cấp chất lỏng vào cùng
một bể. Lưu lượng chảy của chất lỏng thay đổi theo lượng dung dịch đang có
trong bể. Điều chỉnh lưu lượng nước bơm được thực hiện bằng phương pháp
thay đổi tần số dòng điện cấp cho động cơ nhờ vào biến tần.
-
Điều chỉnh bằng cách khép van trên ống đẩy của bơm
-
Điều chỉnh bằng cách đóng mở các máy bơm hoạt động đồng thời
-
Điều khiển thay đổi tốc độ quay bằng khớp nối
Điều khiển theo những phương pháp trên không những không tiết kiệm
được năng lượng điện tiêu thụ mà cịn 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 biến tần kết hợp với thuật toán điều
khiển của PLC. Thiết bị biến tần là thiết bị điều chỉnh biến đổi tốc độ quay của
động cơ bằng cách thay đổi tần số của dòng điện cung cấp cho động cơ.
2.1. Nguyên tắc điều khiển trong hệ thống
Đầu ra của PLC được nối với biến tần để điều khiển biến tần và từ dây
biến tần điều khiển tốc độ động cơ. 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 mức phản hồi về PLC, PLC sẽ so sánh giá trị
truyền về này với giá trị đặt để từ đó ra lệnh cho biến tần giúp thay đổi tốc độ
của động cơ bằng cách thay đổi tần số dòng điện đưa vào động cơ để đảm bảo
áp suất nước trong đường ống được ổn định.
Sử điều chỉnh linh hoạt các máy bơm khi sử dụng biến tần được cụ thể
như sau:
-
Điều chỉnh tốc độ quay khi mức thay đổi
3
-
Đa dạng trong phương thức điều khiển các máy bơm trong trạm bơm. Một
thiêt bị biến tần có thể điều khiển tới 5 máy bơm
2.1.1. Phƣơng thức điều khiển bơm
Có 3 phương thức điều khiển các máy bơm:
-
Điều khiển theo mực nước:
Trên cơ sở tín hiệu mực chất lỏng trong bể hút hồi tiếp về PLC. 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, PLC 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 hiệu hồi tiếp lớn hơn
giá trị cài đặt, biến tần sẽ điều khiển các bơm để mực chất lỏng luôn đạt giá trị
đặt.
-
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
là chủ động, 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 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 đập thủy lực phản hồi từ hệ thống. Phương
thức điều khiển này là linh hoạt nhất khắc phục những khó khăn trong q trình
vận hành bơm khác với thiết kế. Phương thức này được sử dụng cho trường hợp
thay đổi cả về lưu lượng và mức trên mạng lưới.
-
Điều khiển theo hình thức biến tần điều khiển một bơm:
Một máy bơm chính thơng qua thiết bị biến tần, các máy bơm cịn lại
đóng mở trực tiếp bằng khởi động mềm. Khi tín hiệu mức và trên mạng lưới hồi
tiếp về PLC, bộ xử lý sẽ so sánh với giá trị cài đặt và điều khiển tốc độ máy bơm
chính chạy với tốc độ phù hợp. Đây cũng chính là cách mà em đã tiến hành làm.
Khi mà bơm được điều khiển bằng biến tần hoạt động ở chế độ định mức
quá lâu mà vẫn chưa đáp ứng được mức dung dịch thì PLC sẽ ra lệnh để đưa các
máy bơm khởi động mềm tham gia vào hệ thống nhằm duy trì được áp suất
mong muốn trong đường ống. Đến một lúc nào đó, khi mà dung dịch trong bể
đạt tới mức nhất định thì PLC sẽ ngắt các bơm phụ ra dần dần tránh mức cao
4
gây tràn bể. Trong lúc khi đó, PLC sẽ ra lệnh cho biến tần để biến tần giảm dần
tần số của động cơ để giảm dần lưu lượng nước. Tất cả những việc này được
theo dõi và giám sát bằng Tia Portal qua màn hình HMI (hoặc máy tính).
2.1.2. Những ƣu điểm khi điều khiển tốc độ bơm bằng thiết bị biến tần
-
Hạn chế dòng khởi động cao
-
Tiết kiệm năng lượng
-
Điều khiển linh hoạt các máy bơm
-
Dãy công suất rộng từ 1,1 – 400KW
-
Tự động ngừng khi đạt tới điểm cài đặt
-
Tăng tốc nhanh giúp biến tần bắt kịp tốc độ hiện thời của động cơ
-
Tự động tăng tốc giảm tốc tránh quá tải hoặc quá 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 được với máy tính chạy trên hệ điều hành Window
-
Kích thước nhỏ gọn, khơng chiếm diện tích trong nhà trạm
-
Mơ-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
2.1.3. Mô tả hoạt động của hệ thống (đƣợc điều khiển theo hình thức biến
tần điều khiển một bơm)
Trong hệ thống có 1 cảm biến mức để định vị mức dung dịch hiện có rồi
gửi thơng tin về PLC, sau đó PLC xử lý rồi xuất tín hiệu ra biến tần. Biến tần sẽ
điều khiển trực tiếp máy bơm 3 pha.
Khởi động hệ thống lên thì máy bơm 3 pha được điều khiển bằng biến tần
sẽ được chạy cho đến khi đạt được mức đặt, khi mức trong bể chứa đã bằng mức
đặt thì biến tần sẽ giữ ổn định tốc độ của máy bơm này. Trường hợp tải thay đổi
tức là mức thay đổi, tùy theo mức chất lỏng tăng hay giảm thì biến tần sẽ điều
khiển máy bơm chạy nhanh hay chậm.
Khi tải tăng tức là mức giảm, lúc này muốn ổn định mức thì biến tần sẽ
điều khiển máy bơm chạy nhanh hơn (tăng tần số của máy bơm 3 pha) cho tới
5
khi đạt áp suất đặt. Ngược lại, khi mức giảm thì biến tần sẽ giảm tần số của máy
bơm xuống cho phù hợp với mức.
Nếu lúc tải giảm mạnh nhất (mức tăng lên cao) thì biến tần ngừng hoạt
động của động cơ ( đưa tần số về 0Hz) cho tới khi mức dung dịch chạm mức
thấp nhất. Hệ thống cứ hoạt động liên tục như vậy, mức trong bể luôn ln giữ
ổn định khi cần thiết tránh tình trạng tràn bể.
2.2. Hệ thống điều khiển mức
Sử dụng biến tần Siemens G110 điều khiển động cơ bơm, công suất tiêu
thụ của động cơ sẽ được biến tần điều chỉnh cho phù hợp với nhu cầu phụ tải.
Một sensor mức được đặt phía trên bể để đo mức chất lỏng đưa về hệ thống điều
khiển.
Hệ thống điều khiển là 1 PLC S7-1200 (Siemens) đảm bảo cho việc tự
động hóa hồn tồn q trình bơm cấp nước của Nhà máy. Vận hành hệ thống
thơng qua Tia Portal.
Tần số
Tần số
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Mức 200
Hình 1. 1Biểu đồ minh họa hoạt động điều khiển bơm
Như vậy với viêc đưa biến tần vào hệ thống sẽ hoạt động bám sát theo
đúng thực tế mức dung dịch, do vậy sẽ giảm đáng kể dung dịch tràn không cần
thiết khi bể gần đầy. Hệ thống sẽ tự động giám sát mức nước trong bể và điều
khiển ngược lại để đảm bảo giữ đúng áp suất theo yêu cầu. PLC sẽ điều khiển
6
động cơ phụ thuộc mức dung dịch trong bể, tức là hệ thống sẽ điều khiển tốc độ
bơm theo mức thực.
Hệ thống điều khiển tự động này thực hiện một số chức năng chính sau:
- Đo lường: đầu đo mức đo lường và chuyển đổi để đưa về CPU của S7-1200
- Xử lý thông tin: bộ điều khiển trung tâm sẽ đảm nhiệm vấn đề này
- Điều khiển: S7-1200 sẽ phối hợp với biến tần làm việc này theo yêu cầu
- Giám sát: S7-1200 sẽ kết nối đầu đo mức để giám sát hệ thống hoạt động
- Giao tiếp giữa người vận hành và thiết bị: sử dụng màn hình cảm ứng HMI
Siemens 900 Basics.
7
CHƢƠNG 2:
NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Đối tƣợng nghiên cứu
-
Nghiên cứu về các hệ thống chống tràn ở các trạm bơm nước, bơm xăng
dầu
-
Nghiên cứu về công nghệ, thiết bị cần thiết trong hệ thống
-
Nghiên cứu, thiết lập hệ thống điều khiển và giám sát sự hoạt động trong
hệ thống bơm
2.2. Phạm vi nghiên cứu
-
Thời gian: Từ tháng 10 năm 2021 đến tháng 4 năm 2022.
-
Nội dung nghiên cứu tập trung thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển
-
Quy mô của thiết bị: Hệ thống điều khiển nằm trong tủ điện có kích thước
40x70, hệ thống giám sát được gắn bên cạnh tủ. Do thiếu sót về thiết bị, sử dụng
động cơ 3 pha mô phỏng bơm
2.3. Nội dung nghiên cứu
-
Nội dung 1: Nghiên cứu, tính tốn phương thức điều khiển
-
Nội dung 2: Nghiên cứu, lập trình phần mềm PLC và HMI; cài đặt biến
tần
-
Nội dung 3: Kết nối các thiết bị thành một hệ thống hoàn chỉnh
-
Nội dung 4: Chạy thử, đánh giá kết quả nghiên cứu
2.4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Tiến trình nghiên cứu bao gồm:
-
Nghiên cứu cách thức hoạt động, cách lập trình và sử dụng PLC S7 1200
để điều khiển hệ thống: đọc ngõ vào analog, cách điều khiển biến tần.
-
Viết chương trình, lập trình và chạy thử bằng các thiết bị có cùng tính
năng với phần còn lại của hệ thống ( bộ nguồn điều áp 0-10V thay cho cảm biến,
các đầu ra biểu thị điều khiển biến tần).
-
Nghiên cứu, cài đặt biến tần phù hợp với cách thức điều khiển của PLC.
-
Viết chương trình, lập trình HMI điều khiển, giám sát hệ thống.
8
-
Nghiên cứu các loại cảm biến phù hợp với yêu cầu, chọn ra và nghiên cứu
kĩ hơn loại phù hợp nhất.
-
Thiết lập các liên kết giữa các thiết bị để tạo nên hệ thống điều khiển hoàn
chỉnh.
2.4.1. Nghiên cứu về PLC Siemens S7 1200
PLC là từ viết tắt của Programmable Logic Controller (Bộ điều khiển
logic khả trình), được dùng để thay thế chức năng của các bộ rơle, bộ đếm hay
bộ định thời trong các thiết bị điều khiển, đồng thời có thêm khả năng tính tốn
cơ bản giúp khả năng điều khiển dễ dàng được thực hiện.
Với đề tài được giao, chúng em lựa chọn PLC S7-1200 CPU 1212
DC/DC/DC, vì đây là loại CPU có đầy đủ chức năng để thực hiện bài tốn: kết
nối đầu vào là tín hiệu analog, biến tần, số ngõ vào/ra nhiều, có tích hợp bộ điều
khiển PID,… và hơn hết là phù hợp với điều kiện sinh viên chúng em.
Hình 2. 1 CPU 1414C AC/DC/Rly 6ES7212-1AE31-0XB0
Đây là một thiết bị với các chỉ tiêu kỹ thuật nhằm đáp ứng những yêu cầu điều
khiển sau:
-
Dễ lập trình và thay đổi chương trình điều khiển.
-
Cấu trúc dạng mơ-đun dễ mở rộng, dễ bảo trì và sửa chữa.
-
Đảm bảo độ tin cậy hơn bộ điều khiển rơle.
9
-
Đầu ra có khả năng kết nối tới các thiết bị khác tùy vào mục đích.
-
Có hiệu quả kinh tế hơn so với bộ điều khiển rơle.
-
Đọc được tín hiệu analog từ thiết bị ngồi.
-
Trang bị bộ nhớ có khả năng lập trình được.
-
Có khả năng mở rộng mà khơng cần phải thay đổi tồn bộ hệ thống.
Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chương
trình điều khiển:
-
Tất cả các CPU đều cung cấp bảo vệ bằng password chống truy cập vào
PLC
-
Tính năng “Know-how protection” để bảo vệ các block đặc biệt của mình
S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP.
Ngồi ra, có thể dùng các Module truyền thông mở rộng kết nối bằng RS485
hoặc RS232.
Cấu tạo PLC S7-1200
Hình 2. 2: Thành phần của PLC
1.
Bộ phận kết nối nguồn.
2.
Các bộ phận kết nối nối dây của người dùng có thể tháo được (phía sau
các nắp che) và khe cắm thẻ nhớ nằm dưới cửa phía trên.
3.
Các LED trạng thái dành cho I/O tích hợp.
10
4.
Bộ phận kết nối PROFINET (phía trên của CPU
Sơ đồ đấu nối:
Hình 2. 3 Sơ đồ đấu nối đầu vào/ra của PLC
2.4.2. Nghiên cứu về biến tần
Biến tần SINAMICS G110s Siemens là một loạt các bộ biến tần để điều
khiển tốc độ của động cơ xoay chiều ba pha, kết hợp với mô-đun công suất được
điều khiển CPM 110. Ở đồ án này, em chọn phương thức điều khiển biến tần
bằng tần số cố định.
Thông số
- Dải công suất: 0.1 – 3.7 Kw
- Tần số ngõ ra: 0.2 đến 60 Hz
- Khả năng chịu quá tải: 150% trong 60s, 200% trong 0.5s
- Ngõ vào analog: 2 cổng
- Tín hiệu ngõ vào analog: 0 – 10V, 0 – 5V, 4 – 20mA
- Ngõ vào digital: 4 cổng
- Tín hiệu ngõ vào digital: 24 VDC, điều khiển Run/Stop, Forward/Reverse,
Multi Speed
11
Chức năng cơ bản
- Khả năng làm việc an tồn và đơn giản, G110 là dịng biến tần mới với thiết kế
nhỏ gọn và có nhiều cải tiến về chức năng làm việc.
- G110 đặc biệt thuận tiện cho việc lắp đặt cũng như thân thiện với người sử
dụng. Ứng dụng sản phẩm: động cơ, cấp liệu, băng tải, dụng cụ gia cơng cơ khícắt gọt, cửa và cổng tự động.
- An tồn với khả năng tự tìm lỗi: biến tần có bộ kiểm tra hoạt động với chức
năng đảm bảo an tồn khi làm việc. Ví dụ: nếu tốc độ quay của quạt giảm 50%
thì nó sẽ nhanh chóng báo động. Bộ giám sát chương trình bên trong đo sự già
hoá của tụ điện và bộ đếm giờ vận hành làm cho người vận hành có thời gian lên
kế hoạch bảo trì, bảo dưỡng máy. Chức năng bảo vệ và quá tải với hệ thống
kiểm tra sự cố phase cho cả đầu vào và ra đảm bảo hoạt động khơng xảy ra hỏng
hóc.
- Tăng khả năng tiết kiệm điện: G110 với chức năng OEC giúp sự tiêu hao năng
lượng, công suất của động cơ trở nên tối ưu hơn. Kết quả là làm giảm đi nhu cầu
năng lượng hơn so với các biến tần bình thường.
Nguyên lý hoạt động
Tín hiệu vào là điện áp xoay chiều một pha hoặc ba pha. Bộ chỉnh lưu có
nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều. Bộ lọc có nhiệm vụ san
phẳng điện áp một chiều sau chỉnh lưu.
Nghịch lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay
chiều có tần số có thể thay đổi được. Điện áp một chiều được biến thành điện áp
xoay chiều nhờ việc điều khiển mở hoặc khóa các van công suất theo một quy
luật nhất định. Bộ điều khiển có nhiệm vụ tạo tín hiệu điều khiển theo một luật
điều khiển nào đó đưa đến các van cơng suất trong bộ nghịch lưu. Ngồi ra nó
cịn có chức năng sau:
- Theo dõi sự cố lúc vận hành.
- Xử lý thông tin từ người sử dụng.
- Xác định thời gian tăng tốc, giảm tốc hay hãm.
- Xác định đặc tính - momen tốc độ.
12
- Xử lý thông tin từ các mạch thu thập dữ liệu.
- Kết nối với máy tính.
Mạch kích là bộ phận tạo tín hiệu phù hợp để điều khiển trực tiếp các van
công suất trong mạch nghịch lưu.Mạch cách ly có nhiệm vụ cách ly giữa mạch
cơng suất với mạch điều khiển để bảo vệ mạch điều khiển. Màn hình hiển thị và
điều khiển có nhiệm vụ hiển thị thơng tin hệ thống như tần số, dòng điện, điện
áp... và để người sử dụng có thể đặt lại thơng số cho hệ thống.
Các mạch thu thập tín hiệu như dịng điện, điện áp nhiệt độ... biến đổi
chúng thành tín hiệu thích hợp để mạch điều khiển có thể xử lý được. Ngồi ra
cịn có các mạch làm nhiệm vụ bảo vệ khác như bảo vệ chống quá áp hay thấp
áp đầu vào...Các mạch điều khiển, thu thập tín hiệu đều cần cấp nguồn, các
nguồn này thường là nguồn điện một chiều 5, 12, 15VDC yêu cầu điện áp cấp
phải ổn định. Bộ nguồn có nhiệm vụ tạo ra nguồn điện thích hợp đó.
Hình 2. 4 Biến tần G110
13
Các đầu nối mạch lực:
Hình 2. 5 Cách đấu nối mạch lực
Các đầu dây điều khiển:
Hình 2. 6 Các đầu dây điều khiển
Sơ đồ nguyên lý:
Hình 2. 7 Sơ đồ nguyên lý
14
Các phím chức năng:
Bảng 1 Các phím chức năng biến tần
Cách cài đặt:
- Từ màn hình hiển thị tần số, ấn nút P để truy nhập thông số.
- Ấn mũi tên lên ( ) để chuyển tới dòng lệnh cần chỉnh sửa
- Ấn nút P để tới mức giá trị thông số
- Ấn mũi tên lên (
) hoặc xuống (
) để thay đổi giá trị
- Ấn nút P để xác nhận và lưu lại giá trị
Các thông số cài đặt:
- P0003 = 3 ( Chế độ cài đặt nhà phát triển)
15
- P0010 = 1 ( Cài đặt nhanh)
- P0100 = 0 ( Tiêu chuẩn nguồn điện 50Hz)
- P304 = 380 ( Điện áp định mức động cơ: 380V)
- P305 = 1.1 ( Dòng điện định mức động cơ: 1,1A)
- P0308 = 0.81 ( Hệ số cos φ của động cơ)
- P0310 = 50 ( Tần số định mức động cơ)
- P0311 = 2755 ( Tốc độ định mức động cơ)
- P0700 = 2 ( Nguồn lệnh của biến tần: đầu nối)
- P0701 = 8 ( Tần số đặt 1: 8Hz)
- P0701 = 16 ( Tần số đặt 1: 16Hz)
- P0701 = 24 ( Tần số đặt 1: 24Hz)
- P1000 = 3 ( Điểm đặt tần số: tần số cố định)
- P1080 = 0 ( Tần số nhỏ nhất)
- P1082 = 50 ( Tần số lớn nhất)
- P1120 = 10 ( Thời gian tăng tốc)
- P1121 = 10 ( Thời gian giảm tốc)
- P3900 = 0 ( Kết thúc cài đặt)
2.4.2. Nghiên cứu về HMI
Màn hình HMI SIEMENS là một sản phẩm của hãng SIEMENS, có tác
dụng như một thiết bị giao tiếp giữa con người và máy móc thiết bị. Chính xác
hơn nó là cách để con người giao tiếp với máy móc, thơng qua một màn hình.
Tính năng của màn hình:
- Màn hình cung cấp nhiều chức năng cao cấp.
- Giao tiếp truyền thơng PROFINET INTERFACE, MPI/PROFIBUS DP
INTERFACE.
- Có bộ nhớ làm việc lớn, có thể đến 12MB
- Màn hình có khả năng hiển thị độ sáng từ 0-100% thơng qua màn hình HMI hay
qua PLC.
- Có thiết kế hiện đại, dễ sử dụng.
16
- Có nhiều lựa chọn cho người dùng:dịng màn hình cảm ứng hoặc dịng màn hình
có bàn phím.
- Dữ liệu được bảo vệ thông qua thẻ nhớ SIMATIC HMI Memory Card 2GB.
Cách lập trình:
- Trong phần mềm TIA Portal, sau khi viết chương trình PLC xong, ta nhấn vào
Add new device ở cột bên phải rồi chọn HMI, sau đó tìm tới đúng loại HMI rồi
nhấn OK
- Màn hình hiện lên như sau:
17
- Nhấn vào Browse ở mục Select PLC rồi chọn tới PLC đã chọn ở phần lập trình
trước rồi nhấn Finish.
- Ở bảng bên phải, chọn mục HMI -> Screens -> Add new screen
- Màn hình hiện lên như sau:
- Sử dụng mục Toolbox, Animation, Layout, Instruction ở bên trái để thiết kế
bảng điều khiển, giám sát hệ thống.
18
2.4.2. Nghiên cứu về cảm biến
Cảm biến siêu âm: Cảm biến đo mức nước siêu âm là một thiết bị dùng để
đo mức nước hay mức chất lỏng liên tục. Tín hiệu ngõ ra dạng analog 4-20mA
hay 0-10V để đưa về PLC hoặc bộ đọc tín hiệu mức chất lỏng.
Tầm hoạt động của cảm biến có thể thay đổi trong khoảng 5-250cm
Hình 2. 8 Cảm biến mức
Cơ chế hoạt động:
Hình 2. 9 Cách hoạt động của cảm biến mức
Cảm biến đo mức nước siêu âm hoạt động dựa trên nguyên lý phát một
chùm sóng từ đầu của cảm biến, chùm sóng này sẽ phát ra cho tới khi gặp mức
nước thì sẽ phản hồi lại.Cảm biến siêu âm sẽ nhận lại chùm sóng phản hồi lại
19
này để xác nhận khoảng các từ cảm biến đến mặt chất lỏng. Việc sử dụng cảm
biến đo mức siêu âm phù hợp với các bề mặt phẳng trong chất lỏng hơn là các
bề mặt lồi lõm trong chất rắn. Chính vì thế trong chất rắn chúng ta thường dùng
cảm biến đo mức Radar để đạt độ chính xác theo yêu cầu.
Một cảm biến siêu âm gồm 3 phần chính:
- Bộ phận truyền tín hiệu sóng âm với vai trị phát ra sóng âm truyền đi
- Phần nhận lại tín hiệu sóng âm với vai trị nhận lại sóng âm báo về
- Bộ phận xử lý sóng âm: sau khi nhận được sự phản hồi của tín hiệu đưa về; lập
tức bộ phận này sẽ tính tốn khoảng cách giữa điểm phát sóng; và điểm sóng
chạm vào vật thể thơng qua thời gian sóng phát tới vật thể và vận tốc truyền đi
của song siêu âm; cuối cùng chuyển những thơng tin này thành một tín hiệu
analog truyền về một bộ chun đọc tín hiệu để hiển thị thơng tin cho người sử
dụng.
Hình 2. 10 Các bộ phận chính của cảm biến
Ƣu điểm của sensor siêu âm đo mức chất lỏng:
- Đo mức liên tục một cách ổn định
- Phạm vi đo của sensor đo mực nước đa dạng
20
- Cảm biến siêu âm cho độ chính xác cao (sai số 0,15%).
- Thời gian đáp ứng tự do tùy chỉnh
- Cảm biến đo mức chất lỏng ULM-70 có cấu tạo chống nổ chống cháy, chịu
nhiệt tốt, chống rỉ trong mơi trường hóa chất.
- Thiết kế lớp bảo vệ chống ẩm, chống bụi cao.
2.4.4. Phƣơng thức kết nối giữa các thiết bị
Giữa PLC và biến tần:
Các chân đầu ra của PLC sẽ được nối vơi các chân của biến tần theo hình sau:
Hình 2. 11 Cách đấu nối dây từ PLC sang biến tần
- Đầu ra Q0.0 nối với chân số 3, tương ứng tần số đặt thứ nhất
- Đầu ra Q0.1 nối với chân số 4, tương ứng tần số đặt thứ hai
- Đầu ra Q0.2 nối với chân số 5, tương ứng tần số đặt thứ ba
21
- Đầu ra M nối vào chân số 6, tương ứng chân chung
Giữa PLC và HMI: Sử dụng cáp Ethernet để kết nối
* Chú ý: Cần thiết lập IP tĩnh cho cả PC, HMI và PLC để có thể kết nối, nạp
chương trình
Hình 2. 12 Dây kết nối Ethernet
2.4.5. Thử nghiệm, đánh giá hệ thống.
Sau khi hoàn thiện hệ thống, cho chạy thử với vật cản cứng và điều khiển trên
HMI.
Sau mỗi lần thử, tự tổng kết, tìm ra các điểm hạn chế để khắc phục lại.
Những lỗi thường gặp nhất trong quá trình thử:
- Lỗi kết nối giữa PLC và máy tính
- Lỗi kết nối giữa PLC và HMI
Biện pháp khắc phục:
- Cập nhật phần mềm của thiết bị
- Kiểm tra giao thức kết nối
Kết quả: Sau nhiều lần thử và sửa, hệ thống đã hoạt động ổn định theo
đúng yêu cầu đặt ra
Thiếu sót: Chưa thể giả lập hoạt động trên WinCC do kiến thức và tài liệu
của người thiết kế còn hạn chế.
22
