Ứng dụng PLC S7 - 1200 điều khiển và giám sát bơm ổn định áp suất nước :Khóa luận tốt nghiệp Đại học khoa Công nghệ Điện

i

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN

ii

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………

iii

MỤC LỤC

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN..................................................................................i

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN .................................................................ii

MỤC LỤC.......................................................................................................................... iii

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ ..........................................................................................vii

DANH SÁCH CÁC BẢNG .................................................................................................x

CHƯƠNG 1: LỜI MỞ ĐẦU................................................................................................1

1.1 Lý do chọn đề tài.....................................................................................................1

1.2 Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................1

1.3 Phạm vi nghiên cứu.................................................................................................1

1.4 Ý nghĩa khoa học của đề tài....................................................................................2

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ÁP SUẤT...........................3

2.1 Phương thức điều khiển bơm..................................................................................3

2.2 Nguyên tắc điều khiển trong hệ thống ...................................................................4

2.2.1 Mô tả hoạt động của hệ thống.................................................................................4

2.2.2 Những ưu điểm khi điều khiển tốc độ bơm bằng thiết bị biến tần .........................5

2.3 Các hệ thống điều khiển áp suất hiện nay và trên thế giới .....................................6

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT.....................................................................................8

3.1 Tổng quan về PLC S7-1200....................................................................................8

3.1.1 Giới thiệu chung......................................................................................................8

3.1.2 Cấu tạo PLC S7-1200 .............................................................................................9

3.1.3 Các bảng tín hiệu ..................................................................................................11

3.1.4 Các module tín hiệu. .............................................................................................12

3.1.5 Các module truyền thông......................................................................................13

3.1.6 Ưu điểm PLC S7-1200 so với những dòng PLC trước.........................................13

3.1.6.1 Về phần cứng.....................................................................................................13

3.1.6.2 Về kết nối, phần mềm........................................................................................15

3.2 Giới thiệu biến tần Mitsubishi FR-D700 ..............................................................16

iv

3.2.1 Khái niệm biến tần ................................................................................................16

3.2.2 Vai trò của biến tần ...............................................................................................16

3.2.3 Nguyên lý hoạt động.............................................................................................17

3.2.4 Đấu nối thiết bị......................................................................................................17

3.2.5 Biến tần Mitsubishi FR-D700...............................................................................22

3.2.5.1 Thông số kỹ thuật ..............................................................................................22

3.2.5.2 Chức năng các phím ..........................................................................................23

3.3 Tổng quan về bơm và ghép bơm...........................................................................24

3.3.1 Khái niệm và phân loại bơm.................................................................................24

3.3.1.1 Khái niệm ..........................................................................................................24

3.3.1.2 Phân loại ............................................................................................................24

3.3.2 Ghép bơm..............................................................................................................25

3.3.2.1 Ghép bơm song song .........................................................................................25

3.3.2.2 Ghép bơm nối tiếp .............................................................................................27

3.4 Tổng quan bộ điều khiển PID ...............................................................................30

3.4.1 Tổng quan bộ điều khiển PID ...............................................................................30

3.4.2 Tìm hiểu khối hàm PID_Compact trong Tia Portal..............................................32

3.5 Mạng truyền thông trong công nghiệp – mạng RS 485........................................35

3.5.1 Khái niệm và vai trò mạng truyền thông công nghiệp..........................................35

3.5.1.1 Khái niệm ..........................................................................................................35

3.5.1.2 Vai trò ................................................................................................................35

3.5.2 Chuẩn truyền thông RS485...................................................................................36

3.5.2.1 Tổng quan RS485 ..............................................................................................36

3.5.2.2 Đặc tính kỹ thuật................................................................................................37

3.5.3 Board truyền thông CB 1241 RS485 ....................................................................38

3.6 Tổng quan phần mềm Tia Portal...........................................................................40

3.6.1 Giới thiệu phần mềm Tia Portal............................................................................40

3.6.2 Cách tạo project ....................................................................................................41

3.6.3 Làm việc với một trạm PLC .................................................................................46

v

3.6.3.1 Quy định địa chỉ IP cho Module PLC ...............................................................46

3.6.3.2 Đổ chương trình xuống CPU.............................................................................47

3.6.3.3 Giám sát và thực hiện chương trình ..................................................................49

3.6.3.4 Tag của PLC......................................................................................................49

3.6.3.5 Hướng dẫn tạo PLC Tag....................................................................................50

3.6.4 Kĩ thuật lập trình ...................................................................................................50

3.6.4.1 Vòng quét chương trình .....................................................................................50

3.6.4.2 Khối Tổ Chức Ob – Oganization Blocks...........................................................52

3.6.4.3 Hàm chức năng – FUNCTION..........................................................................53

3.7 Giới thiệu tổng quan về phần mềm ứng dụng WinCC .........................................54

3.7.1 Khái niệm..............................................................................................................54

3.7.2 Chức năng .............................................................................................................54

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ THI CÔNG VÀ LẬP TRÌNH ...................................................56

4.1 Mô hình hệ thống ..................................................................................................56

4.2 Lựa chọn thiết bị ...................................................................................................58

4.2.1 PLC S7-1200 CPU 1212 (DC/DC/DC) ................................................................58

4.2.2 Bơm 1 pha .............................................................................................................62

4.2.3 Cảm biến áp suất nước..........................................................................................63

4.3 Thiết kế và lắp đặt tủ điện.....................................................................................64

4.4 Chương trình lập trình trên Tia Portal và cấu hình Module .................................70

4.4.1 Lưu đồ giải thuật...................................................................................................70

4.4.2 Chương trình xử lý tín hiệu Analog......................................................................71

4.4.3 Chương trình truyền thông biến tần......................................................................74

4.4.3.1 Cấu hình biến tần FR-D700...............................................................................75

4.4.3.2 Modbus-RTU biến tần FR-D700.......................................................................75

4.4.3.3 Làm cáp truyền thông........................................................................................77

4.4.3.4 Chương trình lập trình trong tia portal ..............................................................79

4.4.4 Chương trình lập trình PID ...................................................................................83

4.4.4.1 Mô hình hóa hệ thống, tính toán các thông số PID ...........................................83

vi

4.4.4.2 Mô phỏng hệ thống trong Matlab......................................................................84

4.4.4.3 Chương trình PLC .............................................................................................86

4.4.5 Tạo giao diện điều khiển Win CC và kết nối........................................................94

4.4.5.1 Cấu hình và kết nối............................................................................................94

4.4.5.2 Thiết kế giao diện Win CC................................................................................97

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN..................................................................................................99

5.1 Kết quả đạt được ...................................................................................................99

5.2 Hạn chế .................................................................................................................99

5.3 Hướng phát triển của đề tài...................................................................................99

TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................100

vii

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Figure 2.2-1 Biểu đồ minh họa hoạt động điều khiển bơm..................................................5

Figure 2.3-1 Hệ thống tăng áp bằng bơm tăng áp ................................................................7

Figure 2.3-2 Biến tần cho bơm điều áp ................................................................................7

Figure 3.1-1 Thành phần của PLC .......................................................................................9

Figure 3.1-2 Các bảng tín hiệu của PLC S7-1200..............................................................12

Figure 3.1-3 Các Module tín hiệu của PLC S7-1200 .........................................................12

Figure 3.1-4 Các Module truyền thông của PLC S7-1200.................................................13

Figure 3.1-5 PLC S7-1200 và S7-200 ................................................................................14

Figure 3.2-1 Nguyên lý hoạt động của biến tần .................................................................17

Figure 3.2-2 Đấu nối động lực biến tần..............................................................................17

Figure 3.2-3 Sơ đồ đấu nối biến tần Mitshubishi FR-D700...............................................18

Figure 3.2-4 Biến tàn Mitsubishi FR-D700........................................................................22

Figure 3.3-1 Hệ thống hai bơm (cùng đặc tính) ghép song song .......................................25

Figure 3.3-2 Đặc tính làm việc song song của hai bơm giống nhau ..................................26

Figure 3.3-3 Hệ thống 2 bơm (cùng đặc tính) ghép nối tiếp ..............................................28

Figure 3.3-4 Đặc tính làm việc của hai bơm ghép nối tiếp ................................................29

Figure 3.3-5 Đặc tính làm việc của hai bơm ghép nối tiếp ................................................29

Figure 3.4-1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vòng kín ......................................................30

Figure 3.4-2 Sơ đồ khối PID ..............................................................................................31

Figure 3.4-3 Khối PID Compact trong Tia Portal ..............................................................32

Figure 3.5-1 Board truyền thông CB 1241 RS485.............................................................38

Figure 3.6-1 Kết cấu làm việc vói Tia Portal .....................................................................41

Figure 3.6-2 Tạo Project.....................................................................................................44

Figure 3.6-3 Thêm Module vào Project .............................................................................45

Figure 3.6-4 Xóa Module ...................................................................................................46

Figure 3.6-5 Địa chỉ IP của PLC ........................................................................................47

Figure 3.6-6 Bảng Tag........................................................................................................50

Figure 3.6-7 Cấu trúc lập trình ...........................................................................................51

Figure 3.6-8 Tạo khối mới trong Tia Portal .......................................................................52

Figure 3.6-9 Chèn các OB vào chương trình......................................................................52

viii

Figure 4.1-1 Thiết kế mô hình 3D......................................................................................57

Figure 4.1-2 Mô hình hệ thống thực tế...............................................................................58

Figure 4.2-1 CPU 1212C DC/DC/DC 6ES7212-1AE31-0XB0.........................................59

Figure 4.2-2 Sơ đồ kết nối..................................................................................................59

Figure 4.2-3 Bơm 1 pha......................................................................................................62

Figure 4.2-4 Cảm biến áp suất............................................................................................63

Figure 4.3-1 Bản vẽ bên trong tủ........................................................................................65

Figure 4.3-2 Mặt trước và mặt bên tủ.................................................................................66

Figure 4.3-3 Mặt trong tủ và thiết bị khi hoàn thành .........................................................67

Figure 4.3-4 Mặt trong cửa tủ khi hoàn thành....................................................................67

Figure 4.3-5 Mặt trước của tủ khi hoàn thành....................................................................68

Figure 4.3-6 Sơ đồ đấu dây ngõ vào PLC ..........................................................................69

Figure 4.3-7 Sơ đồ đấu dây ngõ ra PLC.............................................................................69

Figure 4.4-1 SCALE_X......................................................................................................71

Figure 4.4-2 NORM_X ......................................................................................................71

Figure 4.4-3 Cấu hình phần cứng PLC 1212 DC/DC/DC..................................................72

Figure 4.4-4 Cấu hình đầu vào analog................................................................................73

Figure 4.4-5 Xử lí Analog ..................................................................................................74

Figure 4.4-6 Jack RJ-45......................................................................................................77

Figure 4.4-7 Cấu hình truyền thông ...................................................................................79

Figure 4.4-8 Tạo chu kỳ quét, xử lý truyền thông..............................................................81

Figure 4.4-9 Khai báo truyền thông ...................................................................................81

Figure 4.4-10 Start, stop biến tần .......................................................................................82

Figure 4.4-11 Truyền tần số cho biến tần...........................................................................82

Figure 4.4-12 Đặc tính của động cơ ...................................................................................83

Figure 4.4-13 Mô hình Simulink-Matlab ...........................................................................85

Figure 4.4-14 Thông số PID...............................................................................................85

Figure 4.4-15 Kết quả mô phỏng PID ................................................................................86

Figure 4.4-16 Tạo chương trình ngắt trong PLC................................................................87

Figure 4.4-17 Chọn loại điều khiển PID trong PID compact.............................................88

Figure 4.4-18 Chọn parameters ngõ vào, ngõ ra ................................................................88

Figure 4.4-19 PID Parameter..............................................................................................89

ix

Figure 4.4-20 Chương trình PID Compact.........................................................................89

Figure 4.4-21 Chương trình sửa lỗi PID và Auto run ........................................................90

Figure 4.4-22 Tinh chỉnh PID ............................................................................................93

Figure 4.4-23 Start, stop lamp, RS-485..............................................................................93

Figure 4.4-24 Kiểm tra setpoint run PID và RS-485..........................................................94

Figure 4.4-25 Tạo WinCC RT............................................................................................94

Figure 4.4-26 CP IE ( IE general) ......................................................................................95

Figure 4.4-27 Kiểm tra connect..........................................................................................95

Figure 4.4-28 Set PG/PC interface .....................................................................................96

Figure 4.4-29 IP của WinCC và PLC.................................................................................96

Figure 4.4-30 Giao diện trang Home..................................................................................97

Figure 4.4-31 Giao diện trang điều khiển...........................................................................97

Figure 4.4-32 Giao diện PID ..............................................................................................98

x

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Table 3.1-1 Thông số kĩ thuật PLC S7-1200......................................................................10

Table 3.1-2 Các Module mở rộng ......................................................................................11

Table 3.1-3 Bảng I/O trên PLC ..........................................................................................14

Table 3.2-1 Cài đặt thông số biến tần.................................................................................21

Table 3.2-2 Chức năng các phím trên biến tần...................................................................23

Table 3.4-1 Ảnh hưởng của các thành phần Kp, Ki, Kd với hệ kín...................................31

Table 3.4-2 Thông số bộ PID_Compact.............................................................................34

Table 3.5-1 Đặc tính kỹ thuật chuẩn truyền RS485 ...........................................................37

Table 3.5-2 Thông số kỹ thuật Board truyền thông CB 1241 RS485 ................................40

Table 4.2-1 Vị trí chân kết nối của CPU 1212 DC/DC/DC ...............................................60

Table 4.2-2 Thông số kĩ thuật PLC 1212 DC/DC/DC ......................................................61

Table 4.2-3 Thông số kĩ thuật bơm 1 pha...........................................................................63

Table 4.2-4 Thông số kĩ thuật cảm biến áp suất.................................................................64

Table 4.4-1 Cài đặt chung thông số biến tần để truyền thông............................................74

Table 4.4-2 Cấu hình thông số biến tần..............................................................................75

Table 4.4-3 Bảng địa chỉ Modbus ......................................................................................77

Table 4.4-4 Sơ đồ chân vào biến tần ..................................................................................78

Table 4.4-5 Sơ đồ chân vào board truyền thông ................................................................78

Khóa luận tốt nghiệp Trần Việt Hưng Đặng Huy Hoàng Thái Bá Hồng

1

CHƯƠNG 1: LỜI MỞ ĐẦU

1.1 Lý do chọn đề tài

Nước có một vai trò hết sức quan trọng trong hoạt động sinh hoạt hàng ngày của

chúng ta. Trong hệ thống cung cấp nước cho thành phố, khu đô thị, khu dân cư, nhà cao

tầng,…nhu cầu sử dụng nước luôn thay đổi theo từng thời điểm dẫn đến áp lực trên đường

ống thay đổi. Trong giờ thấp điểm nhu cầu sử dụng nước ít, áp lực trên đường ống tăng có

thể phá vỡ đường ống, ngược lại trong giờ cao điểm nhu cầu sử dụng nước nhiều làm áp

lực của hệ thống giảm dẫn đến ảnh hưởng đến lưu lượng của các hộ tiêu thụ và đặc biệt

những hộ ở cuối nguồn có thể không có nước để sử dụng. Để giải quyết vấn đề này, phương

pháp cổ điển để thay đổi áp suất đó là đóng mở các bơm cấp nước bằng tay. Phương pháp

này đơn giản, dễ thực hiện và thiết bị đơn giản. Nhưng nhược điểm rất lớn đó là tiêu hao

khá nhiều điện năng, tuổi thọ động cơ giảm và áp lực nước không ổn định. Để khắc phục

nhược điểm của phương pháp cũ cũng như giải quyết vấn đề trên, nhóm chúng em đã nghiên

cứu và xây dựng mô hình Điều khiển và giám sát hệ thống ổn định áp suất nước sử

dụng biến tần kết hợp thuật toán PID và điều khiển bằng PLC S7-1200.

1.2 Phương pháp nghiên cứu

Đối với các hệ thống bơm cấp nước trong thực tế, 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 cả khu

công nghiệp. Với đề tài này, chúng em Mô hình hóa hệ thống nên chỉ sử dụng biến tần

công suất nhỏ, bơm công suất nhỏ, PLC Siemens S7-1200 kết hợp thuật toán điều khiển

PID 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.

1.3 Phạm vi nghiên cứu

Từ những kiến thức cơ sở học được tại trường và ngoài thực tế, do còn hạn chế về

kiến thức cũng như về khả năng kinh tế và thời gian có hạn nên chúng em chỉ có thể xây