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

0851050005
0851050025

TP. HỒ CHÍ MINH – 09/2012
SVTH: VÕ TRUNG CAN
ĐẶNG XUÂN HỮU

Page ii


NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SVTH: VÕ TRUNG CAN
ĐẶNG XUÂN HỮU

Page iii


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
SVTH: VÕ TRUNG CAN
ĐẶNG XUÂN HỮU

Page vi


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


NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP................................................................................iii
BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP.......................................................................iv
BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP.........................................................................v
LỜI CẢM ƠN...................................................................................................................vi
TÓM TẮT....................................................................................................................... vii
MỤC LỤC....................................................................................................................... viii
DANH SÁCH HÌNH VẼ...................................................................................................x
DANH SÁCH BẢNG BIỂU...........................................................................................xiii
DANH SÁCH CÔNG THỨC..........................................................................................xiv
DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT..........................................................................................xv
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI..................................................1
Hình 2.1: Bồn kín sử dụng trong công nghiệp.................................................................8
Hình 2.3: Bồn nước sử dụng trong đồ án.......................................................................10
CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG...............................................18
Hình 3.2 Điểm làm việc của bơm dùng van tiết lưu.......................................................21
CHƯƠNG 4: GIAO THỨC USS.....................................................................................23
Hình 4.2 Cấu tạo khối dữ liệu.........................................................................................25
Bảng 4.1 Ý nghĩa của tham số AK..................................................................................26
Bảng 4.2 Ý nghĩa tham số AK trong bức điện trả lời.....................................................27
Bảng 4.3 Mở rộng thông số.............................................................................................28
Bảng 4.5 Giá trị tham số STW........................................................................................29
Bảng 4.6 Giá trị tham số ZSW........................................................................................30
Hình 4.10: Cấu trúc lệnh USS_WPM_x.........................................................................38
Hình 4.11: Sử dụng lệnh USS_WPM_R thay đổi giá trị Kp trong điều khiển PI.........39
Bảng 5.1: Thông số Reset giá trị mặc định.....................................................................40
SVTH: VÕ TRUNG CAN
ĐẶNG XUÂN HỮU

Page viii



DANH SÁCH HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1: hệ thống bơm nước cho chung cư cao tầng Error: Reference source not found
Hình 2.1: Bồn kín sử dụng trong công nghiệp............Error: Reference source not found
Hình 2.2: Bồn hở sử dụng trong công nghiệp.............Error: Reference source not found
Hình 2.3: Bồn nước sử dụng trong đồ án....................Error: Reference source not found
Hình 2.4: Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu tỉ lệ (P)....Error: Reference source not
found
Hình 2.5: Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PD) với P = 1.......Error:
Reference source not found
Hình 2.6: Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PI) với P = 1........Error:
Reference source not found
Hình 2.7: Sơ đồ điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID.......Error: Reference source not
found
Hình 3.1 Họ đường cong đặc tính bơm........................Error: Reference source not found
Hình 3.2 Điểm làm việc của bơm dùng van tiết lưu.....Error: Reference source not found
Hình 3.3 Công suất tổn hao với hệ thống dùng van tiết lưu.Error: Reference source not
found
Hình3.4 Điểm làm việc của bơm dùng biến tần...........Error: Reference source not found
Hình 4.1 Cấu trúc tổng thể bức điện............................Error: Reference source not found
Hình 4.2 Cấu tạo khối dữ liệu...................................... Error: Reference source not found
Hình 4.3 Cấu trúc PKE................................................. Error: Reference source not found
Hình 4.4: Cấu trúc lệnh USS_INIT.............................Error: Reference source not found
Hình 4.5: Sử dụng lệnh USS_INT trong đề tài...........Error: Reference source not found
Hình 4.6: Cấu trúc lệnh USS_CTRL...........................Error: Reference source not found
Hình 4.7: Sử dụng lệnh USS_CTRL trong đề tài........Error: Reference source not found
Hình 4.8: Cấu trúc lệnh USS_RPM_x.........................Error: Reference source not found
SVTH: VÕ TRUNG CAN

Hình 9.19: Đồ thị tần số động cơ.................................Error: Reference source not found
Hình 9.20: Đồ thị điện năng tiêu thụ...........................Error: Reference source not found
Hình 9.21: Đồ thị mức nước......................................... Error: Reference source not found
Hình 9.22: Mạng LAN gồm 4 máy tính........................Error: Reference source not found
SVTH: VÕ TRUNG CAN
ĐẶNG XUÂN HỮU

Page xi


Hình 9.23: Kiểu mạng LAN đấu BUS..........................Error: Reference source not found
Hình 9.24: Kiểu mạng LAN đấu RING........................Error: Reference source not found
Hình 9.25: Kiểu mạng LAN đấu sao............................Error: Reference source not found
Hình 9.26: Khởi tạo kết nối ở máy chủ........................Error: Reference source not found
Hình 9.27: Điều khiển, giám sát từ máy khách qua mạng LAN Error: Reference source
not found
Hình 9.28: Giao diện SCADA trên máy khách............Error: Reference source not found

SVTH: VÕ TRUNG CAN
ĐẶNG XUÂN HỮU

Page xii


DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 4.1 Ý nghĩa của tham số AK................................ Error: Reference source not found
Bảng 4.2 Ý nghĩa tham số AK trong bức điện trả lời...Error: Reference source not found
Bảng 4.3 Mở rộng thông số.......................................... Error: Reference source not found
Bảng 4.5 Giá trị tham số STW...................................... Error: Reference source not found
Bảng 4.6 Giá trị tham số ZSW...................................... Error: Reference source not found

2.1: Quan hệ mức nước với áp suất.............................................................................. 13
2.2: Hàm truyền khâu điều khiển tỉ lệ. ........................................................................13
2.3: Hàm truyền khâu điều khiển vi phân tỉ lệ...............................................................14
2.4: Hàm truyền khâu điều khiểntích phân tỉ lệ.............................................................15
2.5: Hàm truyền bộ điều khiển PID...............................................................................17
2.6: Mối quan hệ giữa tín hiệura u(t) với tín hiệu sai lệch e(t) trong bộ PI...................17
3.1: Mối quan hệ Momen và tốc độ động cơ tải bơm (quạt)..........................................20
3.2: Mối quan hệ công suất, monen vả tốc độ động cơ tải bơm(quạt)...........................20
3.3: Mối quan hệ công suất vả tốc độ động cơ tải bơm(quạt)........................................20
3.4: Tính chọn công suất bơm.......................................................................................23
5.1: Công thức nội suy 2 điểm........................................................................................50

SVTH: VÕ TRUNG CAN
ĐẶNG XUÂN HỮU

Page xiv


DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT

SVTH: VÕ TRUNG CAN
ĐẶNG XUÂN HỮU

Page xv


CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1.


1.2. Tìm hiểu về đối tượng
1.2.1. Ứng dụng
Hệ thống bơm ổn định mức được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp nói chung
và ngành công nghiệp chất lỏng nói riêng như hóa chất, nước uống đóng chai, dầu ăn, sản
xuất xi măng, sản xuất giấy, sản xuất điện năng… Đặc biệt trong hệ thống cung cấp nước
cho hộ dân, khu chung cư, nhà cao tầng.
Ví dụ thực tế:
-

Nhu cầu sử dụng nước trong khu công nghiệp, khu dân cư rất khác nhau trong các
thời điểm của ngày (cao điềm và thấp điểm), yêu cầu đặt ra là phải giải quyết được
việc tự động ổn định áp suất trên đường ống nước cấp, mức nước trên bồn chứa, và

-

tiết kiệm năng lượng cho hệ thống cấp nước.
Để đáp ứng nhu cầu áp lực nước trong hệ thống luôn đủ khi nhu cầu sử dụng nước
thay đổi bất thường, các bơm trong hệ thống luôn làm việc liên tục ở chế độ đầy
tải. Tuy nhiên điều này dẫn đến 1 số bất lợi sau:
o Áp lực nước trong hệ thống đôi khi tăng quá cao không cần thiết, 1 số thời
điểm nhu cầu sử dụng nước giảm xuống nhưng hệ thống bơm vẫn chạy đầy
tải. Điều này gây lãng phí năng lượng rất lớn.
o Các bơm phải chạy liên tục dẫn đến giảm tuổi thọ cơ khí.

Hình 1.1: hệ thống bơm nước cho chung cư cao tầng
1.2.2. Giải pháp công nghệ đang được sử dụng
SVTH: VÕ TRUNG CAN
ĐẶNG XUÂN HỮU

Page 2


Ưu điểm: Kiểu điều khiển ON/OFF dễ thiết kế, dễ điều khiển, giá thành thấp, phù

-

hợp với chế độ Stand by.
Nhược 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
mở liên tục gây giảm tuổi thọ.
Điều khiển thay đổi góc mở van

•

Để ổn định mức nước cũng như áp suất trong đường ống thì vấn đề quan tâm nhất là
điều khiển lưu lượng nước bơm lên bồn để ổn định mực nước và áp suất theo một điểm
đặt cố định. Có thể sử dụng van điện với tín hiệu phản hồi của cảm biến đưa về bộ điều
khiển, bộ điều khiển xữ lí đưa ra tín hiệu điều khiển đóng mở van để chỉnh lưu lượng
bơm. Hoặc sử dụng van tay để điều chỉnh trực tiếp.
-

Ưu điểm: Giá thành thấp, dễ thiết kế.

SVTH: VÕ TRUNG CAN
ĐẶNG XUÂN HỮU

Page 3


-


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
SVTH: VÕ TRUNG CAN
ĐẶNG XUÂN HỮU

Page 4


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.
•

Ưu 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
các chức năng bảo vệ: quá áp, thấp áp, quá nhiệt,bảo vệ nhiệt động cơ, bảo vệ ngắn
mạch,đảo pha, kẹt rotor,…Khởi động bơm từ từ với việc cài đặt thời gian tăng tốc, tránh
gây rung đường ống và sự thay đổi áp suất đột ngột,… tránh ảnh hưởng xấu cho hệ
thống.Có thể kết nối truyền thông với PLC để giám sát mọi hoạt động .Đồng thời với các
chức năng có sẵn ta có thể giải quyết các sự cố kĩ thuật như: hết nước bồn dưới, kẹt

Với các giải pháp điều khiển và giám sát biến tần như trên giải pháp nhóm đưa ra là sử
dụng giao thức USS để kết nối giữa PLC và biến tần, rất phù hợp cho ứng dụng nhỏ và có
khả năng phát triển thành một hệ thống lớn.
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

-



Bồn kín: là loại bồn được chế tạo kín cách li với khí, chất lỏng bên ngoài. Bồn kín
được sử dụng trong các ứng dụng:
 Lưu trữ, ủ … trong các dây chuyền sản xuất thực phẩm, dược
phẩm, hóa chất…
 Trong công nghiệp sản xuất điện năng.
 Trong nồi hơi công nghiệp…

Hình 2.1: Bồn kín sử dụng trong công nghiệp

SVTH: VÕ TRUNG CAN
ĐẶNG XUÂN HỮU

Page 8


-

Bồn hở:
 Sử dụng trong sinh hoạt hàng ngày.
 Cung cấp nước cho các quá trình sản xuất.
 Dùng trong công nghiệp dầu khí.
 Dùng trong công nghiệp sản xuất như giấy, xi măng….

Hình 2.2: Bồn hở sử dụng trong công nghiệp.
2.1.2. Bồn nước sử dụng trong đề tài
Vì là bước đầu làm quen với đối tượng bơm ổn định mức nên nhóm lựa chọn loại bồn
hở có dung tích nhỏ, kích thước nhỏ, độ vọt lố và sai số khi ổn định là tương đối lớn
Hệ thống bồn nước được sử dụng trong đồ án gồm 2 bồn:
-

từ một nguồn 3 pha để tạo ra một từ trường quay. Tốc độ quay của từ
trường này phụ thuộc tần số nguồn điện và số cực của bộ dây quấn.

SVTH: VÕ TRUNG CAN
ĐẶNG XUÂN HỮU

Page 10


-

Roto: cũng có hai phần chính là lõi thép và dây quấn.
 Lõi thép roto hình trụ gồm nhiều lá thép kỹ thuật điện ghép lại. Mặt ngoài
có những rãnh để chứa dây quấn.
Có hai loại: lồng sóc và dây quấn.
o Lồng sóc: gồm các thanh đồng hoặc nhôm đặt trong rãnh, và bị ngắn
mạch bởi hai vành ngắn mạch ở hai đầu. Với động cơ nhỏ, roto được
đúc nguyên khối, gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt và
quạt.Với động cơ lớn, các thanh bằng đồng được đặt vào các rãnh roto và
siết chặt vào vành ngắn mạch. Nhờ không có vành trượt và chổi than
nên rất bền, chắc, ít cần bảo trì. Các thanh dẫn thường nghiêng so với trục
(ta có cảm tưởng như roto bị vặn xoắn); vì các lý do:
 Làm cho momen quay không bị dao động và máy ít ồn khi
làm việc.

Tránh được vị trí ở đó răng roto song song và

đối diện với răng stator, tức là vị trí từ trở cực tiểu và roto
sẽ bị “khóa" ở đó .
 Tăng chiều dài tác dụng của thanh dẫn.