Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.LÊ QUANG ĐỨC

SVTH: VÕ TRUNG CAN Page ii
ĐẶNG XUÂN HỮU
TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA
o0o

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:
ĐIỀU KHIỂN BƠM ỔN ĐỊNH MỨC
DÙNG PLC VÀ BIẾN TẦN

GVHD:
SVTH:
TS. LÊ QUANG ĐỨC
VÕ TRUNG CAN
ĐẶNG XUÂN HỮU

0851050005
0851050025 TP. HỒ CHÍ MINH – 09/2012
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.LÊ QUANG ĐỨC

SVTH: VÕ TRUNG CAN Page iii
ĐẶNG XUÂN HỮU
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Xin chân thành cảm ơn cô Đoàn Diễm Vương đã góp ý và tạo điều kiện thuận lợi cho
chúng em hoàn thành luận văn này.
Xin gởi lời cảm ơn đến tất cả bạn bè, người thân đã động viên, ủng hộ chúng em trong
thời gian làm luận văn.
Cuối cùng vì kinh nghiệm và kiến thức còn hạn chế, khả năng tiếp thu vấn đề còn giới
hạn nên không thề trách được những sai sót, chúng em mong nhận được sự quan tâm giúp
đỡ của các thầy (cô) để luận văn này được đầy đủ và hoàn thiện hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Người viết
Đặng xuân Hữu
Võ Trung Can
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.LÊ QUANG ĐỨC

SVTH: VÕ TRUNG CAN Page vii
ĐẶNG XUÂN HỮU
TÓM TẮT

Trong luận văn này chúng em vận dụng các kiến thức cơ bản được học tại trường để
ứng dụng vào việc xây dựng các hệ thống ngoài thực tế, nhóm đã chọn bài toán ổn định
mức nước trong bồn chứa công nghiệp qua đó vừa củng cố kiến thức vừa tìm hiểu, thiết
kế và thi công hệ thống với những mục tiêu sau:
 Tổng kết và phân tích các ứng dụng và giải pháp thực tế vấn đề điều khiển mức
nước của bồn chứa trong công nghiệp.
 Giải pháp tiết kiệm năng lượng.
 Tìm hiểu giao thức USS để xây dựng truyền thông giữa PLC S7-200 và biến tần
qua đó có thể cài đặt, giám sát hoạt động của hệ thống.
 Tính toán, lựa chọn các thiết bị động lực và điều khiển
 Tìm hiểu biến tần MM420 của Siemens, sử dụng chức năng điều khiển PI trong
biến tần để ổn định mức nước, tiến hành việc cài đặt các thông số phù hợp với hệ
thống bơm ổn định mức.

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN LÍ THUYẾT 8
2.1. Nhiệm vụ đề tài 8
2.1.1. Giới thiệu chung về bồn nƣớc 8
2.1.2. Bồn nƣớc sử dụng trong đề tài 9
2.2. Động cơ không đồng bộ ba pha 10
2.2.1. Cấu tạo 10
2.2.2. Nguyên lí hoạt động 11
2.3. Cảm biến đo mức 12
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.LÊ QUANG ĐỨC

SVTH: VÕ TRUNG CAN Page ix
ĐẶNG XUÂN HỮU
2.4. Giải thuật PID 13
2.4.1. Điều khiển bằng khâu tỉ lệ P 13
2.4.2. Điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ PD 13
2.4.3. Điều khiển bằng khâu tỉ lệ tích phân PI 15
2.4.4. Điều khiển bằng khâu vi tích phân tỉ lệ PID 16
2.4.5. ứng dụng điều khiển PI trong biến tần 17
CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG 19
3.1. Vấn đề điều khiển lƣu lƣợng của bơm 19
3.1.1. Điều khiển theo kiểu truyền thống 19
3.1.2. Điều khiển bằng biến tần 19
3.2. Đặc tính của bơm 21
3.3. Điểm làm việc của tải bơm 21
3.3.1. Dùng van tiết lƣu điều chỉnh lƣu lƣợng 22
3.3.2. Dùng biến tần thay đổi tốc độ động cơ 23
3.4. Tính toán công suất bơm 23
3.5. So sánh dùng van và dung biến tần 24
CHƯƠNG 4: GIAO THỨC USS 25
4.1. Tổng quan về giao thức USS 25

6.3.2. Sự cố hƣ biến tần, PLC, cảm biến 55
6.4. Sự cố hƣ hỏng thiết bị truyền thông 55
CHƯƠNG 7: GIẢI THUẬT CHƯƠNG TRÌNH 56
7.1. Sơ đồ tổng quát hệ thống 56
7.1.1. Giao tiếp giữa PC và PLC 56
7.1.2. Giao tiếp PLC và biến tần 57
7.1.3. Cảm biến áp suất và biến tần 57
7.2. Giải thuật chƣơng trình 58
CHƯƠNG 8: LỰA CHỌN THIẾT BỊ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG 60
8.1. Lựa chọn thiết bị 60
8.1.1. Lựa chọn thiết bị động lực 60
8.1.2. Lựa chọn thiết bị mạch điều khiển 63
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.LÊ QUANG ĐỨC

SVTH: VÕ TRUNG CAN Page xi
ĐẶNG XUÂN HỮU
8.2. Thiết kế hệ thống 64
8.2.1. Thiết kế phần cơ khí 64
8.2.2. Thiết kế hệ thống điện 65
8.3. Thi công hệ thống 66
CHƯƠNG 9: THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA CHO HỆ THỐNG 67
9.1. Giới thiệu chung về các chức năng sử dụng trong WinCC 67
9.1.1. WinCC 67
9.1.2. Đặc trƣng cơ bản 68
9.1.3. Cơ sở dữ liệu ODBC/SQL 68
9.1.4. Các chức năng sử dụng trong WinCC 70
9.2. Thiết kế giao diện SCADA trong đồ án 78
9.2.1. Giao diện điều khiển trung tâm 78
9.2.3. Giao diện đọc ghi thông số biến tần 83
9.2.4. Giao diện Alarm 84

Hình 1.1: hệ thống bơm nƣớc cho chung cƣ cao tầng 3
Hình 2.1: Bồn kín sử dụng trong công nghiệp 8
Hình 2.2: Bồn hở sử dụng trong công nghiệp. 9
Hình 2.3: Bồn nƣớc sử dụng trong đồ án 10
Hình 2.4: Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu tỉ lệ (P) 13
Hình 2.5: Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PD) với P = 1 14
Hình 2.6: Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PI) với P = 1 15
Hình 2.7: Sơ đồ điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID 17
Hình 3.1 Họ đƣờng cong đặc tính bơm 21
Hình 3.2 Điểm làm việc của bơm dùng van tiết lƣu 22
Hình 3.3 Công suất tổn hao với hệ thống dùng van tiết lƣu 22
Hình3.4 Điểm làm việc của bơm dùng biến tần 23
Hình 4.1 Cấu trúc tổng thể bức điện 26
Hình 4.2 Cấu tạo khối dữ liệu 26
Hình 4.3 Cấu trúc PKE 27
Hình 4.4: Cấu trúc lệnh USS_INIT 33
Hình 4.5: Sử dụng lệnh USS_INT trong đề tài 34
Hình 4.6: Cấu trúc lệnh USS_CTRL 34
Hình 4.7: Sử dụng lệnh USS_CTRL trong đề tài 37
Hình 4.8: Cấu trúc lệnh USS_RPM_x 37
Hình 4.9: Sử dụng lệnh USS_RPM_R đọc giá trị dòng điện động cơ 39
Hình 4.10: Cấu trúc lệnh USS_WPM_x 39
Hình 4.11: Sử dụng lệnh USS_WPM_R thay đổi giá trị Kp trong điều khiển PI 41
Hình 7.1: Sơ đổ tổng quát hệ thống 56
Hình 8.2 Bản vẽ thiết kế cơ khí hệ thống 64
Hình 8.3 Bản vẽ hệ thống điện 65
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.LÊ QUANG ĐỨC

SVTH: VÕ TRUNG CAN Page xiv
ĐẶNG XUÂN HỮU


SVTH: VÕ TRUNG CAN Page xv
ĐẶNG XUÂN HỮU

Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.LÊ QUANG ĐỨC

SVTH: VÕ TRUNG CAN Page xvi
ĐẶNG XUÂN HỮU
DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 4.1 Ý nghĩa của tham số AK 28
Bảng 4.2 Ý nghĩa tham số AK trong bức điện trả lời 29
Bảng 4.3 Mở rộng thông số 29
Bảng 4.5 Giá trị tham số STW 31
Bảng 4.6 Giá trị tham số ZSW 32
Bảng 5.1: Thông số Reset giá trị mặc định 42
Bảng 5.2: Cài đặt nhanh thông số động cơ 42
Bảng 5.3: Nhập thông số biến tần và bảo vệ quá tải động cơ 43
Bảng 5.4: Cài đặt bảo vệ biến tần và động cơ 44
Bảng 5.5: Cài đặt chức năng khởi động bám 45
Bảng 5.6: Cài đặt chức năng tự khởi động lại 45
Bảng 5.7: Tối ƣu đặc tính tăng, giảm tốc 46
Bảng 5.8: Chức năng giám sát Moment trong MM430 47
Bảng 5.9: Cài đặt đầu vào tƣơng tự ADC 47
Bảng 5.11: Giá trị đặt PI-MOP và giá trị mức nƣớc thực tế 49
Bảng 5.12: Cài đặt giao thức USS 50
Bảng 6.1: Cài đặt chức năng tự khởi động lại 52
Bảng 6.2: Cài đặt chức năng khởi động bám 52
Bảng 6.3: Chức năng giám sát Moment trong MM430 53
Bảng 6.4: Cài đặt đầu vào tƣơng tự ADC 54
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.LÊ QUANG ĐỨC

SVTH: VÕ TRUNG CAN Page xviii
ĐẶNG XUÂN HỮU
DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.LÊ QUANG ĐỨC

SVTH: VÕ TRUNG CAN Page 1
ĐẶNG XUÂN HỮU

CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1. Đặt vấn đề
Tự động hóa quá trình công nghệ đã thực sự phát triển và ứng dụng mạnh mẽ trong
công nghiệp, là sự lựa chọn tối ưu trong mọi lĩnh vực nhằm tạo ra sản phẩm chất lượng
cao, tiết kiệm chi phí sản xuất tạo khả năng cạnh tranh mạnh mẽ trên thị trường.
Hiện nay, sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa ngày càng phát triển mạnh mẽ, sự
tiến bộ của khoa học kỹ thuật, trong đó kỹ thuật điều khiển tự động cũng góp phần rất lớn
tạo điều kiện để nâng cao hiệu quả trong quá trình sản xuất.
Trong các ngành công nghiệp sản xuất chất lỏng như hóa chất, nước uống đóng chai,
sữa, nước mắm, dầu ăn, dầu khí, … vấn đề cần điều khiển mức lưu lượng dòng chảy cần
đáp ứng với độ chính xác cao để phục vụ quá trình sản xuất đạt hiệu quả tốt hơn, đảm bảo
quá trình sản xuất các chất lỏng không bị gián đoạn, tăng tuổi thọ thiết bị, người vận
hành không cần phải trực tiếp kiểm tra trong các bồn chứa hoặc đóng mở bơm liên tục,
vấn đề bị cạn hay tràn trong bồn chứa chất lỏng hoàn toàn được khắc phục cho dù đầu ra
thay đổi.
Chính vì vậy chúng em chọn đề tài là: Điều Khiển Bơm Ổn Định Mức Chất Lỏng.


SVTH: VÕ TRUNG CAN Page 3
ĐẶNG XUÂN HỮU

Hình 1.1: hệ thống bơm nƣớc cho chung cƣ cao tầng
1.2.2. Giải pháp công nghệ đang đƣợc sử dụng
Trong ngành công nghiệp hiện nay các hệ thống bơm ồn định mức hầu hết được thiết
kế với các đặc điểm sau:
- Trạm thường có tối thiểu 2 bơm trở lên, cùng cấp nước vào một đường ống chính.
- Các bơm được khởi động trực tiếp hoặc sao/tam giác và tất cả các động cơ đều
hoạt động ở tốc độ định mức.
- Trong quá trình trạm bơm hoạt động, thường luôn luôn để một bơm ở chế độ dừng
(mang tính dự phòng).
- Việc điều chỉnh áp lực trên đường ống chính hay mức nước được thực hiện bằng 2
cách:
o Thay đổi góc mở các van (van tay hoặc van điện) trong trường hợp sự thay
đổi áp lực ở khoảng cho phép. Trường hợp áp lực vẫn thiếu hoặc thừa ta có
thể ngắt hoặc đóng thêm bơm (có thể là một bơm, hoặc nhiều hơn).
o Điều khiển ON/OFF.
 Điều khiển ON/OFF
Là kiểu diều khiển khi bơm nước tới một mức nào đó (đặt) thì cho bơm ngừng hoạt
động, và khi nước được tiêu thụ và giảm xuống tới mức đặt thấp thì cho bơm chạy.
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.LÊ QUANG ĐỨC

SVTH: VÕ TRUNG CAN Page 4
ĐẶNG XUÂN HỮU
- Ƣu điểm: Kiểu điều khiển ON/OFF dễ thiết kế, dễ điều khiển, giá thành thấp, phù
hợp với chế độ Stand by.
- Nhƣợc điểm: hệ thống không ổn định, đáp ứng chậm và không tốt, mức nước liên
tục giao động xung quanh điểm đặt, dòng điện khởi động lớn gây sụt áp, bơm đóng

f
n
60

(1.1)
Trong đó: n- Tốc độ động cơ (vòng/ phút).
f- tần số động cơ (Hz).
p- Số cặp cực.
Vì vậy để thay đổi tốc độ động cơ ta có thể thay đổi điện áp hoặc thay đổi tần số, việc
thay đổi điện áp lưới là không thể nên thay đổi tần số là hợp lý nhất với việc sử dụng biến
tần ta có thể giải quyết được bài toán ổn định mức cùng với việc hạn chế các nhược điểm
của các phương pháp khác. Với việc hỗ trợ chức năng điều khiển PI, biến tần sẽ nhận tín
hiệu analog (dòng hoặc áp) từ sernsor đưa về, biến tần sẽ tự động thay đổi tần số, từ đó
thay đổi tốc độ bơm, vì thế việc khống chế mức nước trong bồn trở nên dễ dàng hơn rất
nhiều.Khi nhu cầu xử dụng nước cao, thì biến tần sẽ tự động điều khiển động cơ quay ở
tốc độ cao nhất để duy trì mức nước, ngược lại khi nhu cầu xử dụng nước thấp, biến tần
sẽ điều khiển động cơ giảm tốc độ xuống hoặc dừng hẳn. Khi đó năng lượng điện được
tiết kiệm.
 Ƣu điểm khi sử dụng biến tần
Việc điều chỉnh mức nước trong bồn hoàn toàn tự động, điều này sẽ tiết kiệm chi phí
nhân công vì không cần người vận hành.Toàn bộ bơm sẽ được điều khiển thông qua biến
tần.Với phương pháp điều khiền U/f, điều khiển vector, do đó tốc độ bơm có thể thay đổi
một cách linh hoạt. Dòng khởi động được hạn chế sẽ không gây sụt áp khi khởi động sẽ
không ảnh hưởng đến các thiết bị khác.Quá trình stop, start của bơm được êm hơn, tác
dụng giảm tổn hại cho động cơ về mặt cơ khí, cho hệ truyền động cũng như về mặt điện.
Chi phí bảo dưỡng giảm.Tiết kiệm năng lượng khi nhu cầu xử dụng thay đổi nhiều. Có
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.LÊ QUANG ĐỨC

SVTH: VÕ TRUNG CAN Page 6
ĐẶNG XUÂN HỮU

1.3.2. Nhiệm vụ đề tài
Với giải pháp được lựa chọn ở trên nhóm sẽ sử dụng PLC và biến tần để để giải quyết
bài toán bơm ổn định mức với các tính năng sau:
- Tính chọn các thiết bị động lực và điều khiển.
- Hệ thống bơm và điều khiển ổn định mức nước của bồn, hệ thống hoạt động tin
cậy, đảm bảo các thông số kỹ thuật cho trước.
- Chế độ hoạt động manual, chế độ tự động, chế độ giám sát và điều khiển từ xa.
- Hệ thống tự động điều khiển, cho phép cài đặt và thay đổi các chế độ và thông số
hoạt động.
- Giải pháp tiết kiệm và giám sát tiêu thụ điện năng.
- Giải quyết các vấn đề sự cố kỹ thuật như sự cố nguồn điện ngắn hạn, sự cố nguồn
cấp nước, sự cố đường ống, sự cố tràn bồn, sự cố truyền thông.
- Hệ thống SCADA hai cấp: cấp điều khiển trực tiếp và cấp giám sát từ xa thông qua
mạng LAN.
- Hiển thị và giám sát các thông số kỹ thuật của hệ thống như mức nước, tốc độ
bơm, tiêu thụ điện năng.
- Lập báo cáo (report) hàng tuần, hàng tháng vận hành của hệ thống.
- Lưu trữ dữ liệu vận hành. Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.LÊ QUANG ĐỨC

SVTH: VÕ TRUNG CAN Page 8
ĐẶNG XUÂN HỮU
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN LÍ THUYẾT