Đề tài 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
 1.2.2. 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
 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 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
 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