ung-dung-plc-on-dinh-he-thong-on-dinh-ap-suat-a-tuanbao__t10.2017

ỨNG DỤNG PLC VÀ BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT HỆ THỐNG CẤP NƯỚC DÂN DỤNG Phạm Văn Tuấn - Lê Thị Hồng Nhinh Hệ thống bơm nước Nhà máy, Khu cơng nghiệp, Tịa nhà đa phần hoạt động liên tục 100% tải từ khởi động dừng hệ thống Việc gây nhiều hạn chế lãng phí cho hệ thống như: - Khi thời gian cao điểm: Lượng nước đầu cần sử dụng nhiều hệ thống chạy 100% tải không đủ nước cung cấp cho Nhà máy → Thiếu nước Nếu muốn bổ sung thêm nước người vận hành phải tự Đóng Bằng Tay thêm bơm khác vào hệ thống việc có nhiều hạn chế việc sử dụng nước đầu không cố định thay đổi liên tục - Khi thời gian thấp điểm: Lượng nước đầu sử dụng bơm chạy 100% cơng suất → Gây lãng phí Vì việc nghiên cứu, ứng dụng hệ thống điều khiển ổn định áp suất cho đường ống nước PLC biến tần cần thiết, đắn đáp ứng nhu cầu ngày tăng xã hội đại hóa Tổng quan hệ thống điều khiển áp suất Mỗi trạm bơm thường có nhiều máy bơm cấp nước vào đường ống Áp lực lưu lượng đường ống thay đổi hàng theo nhu cầu Bơm thiết bị kèm đường ống van, đài nước thiết kế với lưu lượng nước bơm lớn Vì điều chỉnh lưu lượng nước bơm thực phương pháp sau: - Điều chỉnh cách khép van ống đẩy bơm - Điều chỉnh đóng mở máy bơm hoạt động đồng thời - Điều khiển thay đổi tốc độ quay khớp nối thủy lực Điều khiển theo phương pháp không tiết kiệm lượng điện tiêu thụ mà cịn gây nên hỏng hóc thiết bị đường ống chấn động đóng mở van gây nên, đồng thời máy bơm cung cấp không bám sát chế độ tiêu thụ mạng lưới Để giải vấn đề kể sử dụng phương pháp điều khiển truyền động biến đổi tốc độ thiết bị biến tần Thiết bị biến tần thiết bị điều chỉnh biến đổi quay động cách thay đổi tần số dòng điện cung cấp cho động 1.1.Nguyên tắc điều khiển hệ thống Đầu PLC nối với biến tần để điều khiển biến tần từ biến tần điều khiển tốc độ động Khi sử dụng thiết bị biến tần cho phép điều chỉnh cách linh hoạt lưu lượng áp lực cấp vào mạng lưới theo yêu cầu tiêu thụ Với tín hiệu từ cảm biến áp lực phản hồi PLC, PLC so sánh giá trị truyền với giá trị đặt để từ lệnh cho biến tần giúp thay đổi tốc độ động cách thay đổi tần số dòng điện đưa vào động để đảm bảo áp suất nước đường ống ổn định Sự điều chỉnh linh hoạt máy bơm sử dụng biến tần cụ thể sau: - Điều chỉnh tốc độ quay áp suất thay đổi - Đa dạng phương thức điều khiển máy bơm trạm bơm Một thiết bị biến tần điều khiển tới máy bơm 1.1.1 Phương thức điều khiển bơm Có phương thức điều khiển máy bơm: + Điều khiển theo mực nước Trên sở tín hiệu mực chất lỏng bể hút hồi tiếp PLC Bộ vi xử lý so sánh tín hiệu hồi tiếp với mực chất lỏng cài đặt Trên sở kết so sánh PLC điều khiển đóng mở máy bơm cho phù hợp để mực chất lỏng bể giá trị cài đặt Ngược lại tín hiệu hồi tiếp lớn giá trị cài đặt, biến tần điều khiển bơm để mực chất lỏng đạt giá trị đặt + Điều khiển theo hình thức chủ động thụ động Mỗi máy bơm nối với biến tần có biến tần chủ động, biến tần khác thụ động Khi tín hiệu hồi tiếp biến tần chủ động vi xử lý biến tần so sánh với tín hiệu đặt để từ tác động đến biến tần thụ động điều chỉnh tốc độ quay máy bơm cho phù hợp không gây tượng đập thủy lực phản hồi từ hệ thống Phương thức điều khiển linh hoạt khắc phục khó khăn trình vận hành bơm khác với thiết kế Phương thức sử dụng có trường hợp thay đổi lưu lượng áp suất mạng lưới + Điều khiển theo hình thức biến tần điều khiển bơm Một máy bơm thơng qua thiết bị biến tần, máy bơm cịn lại đóng mở trực tiếp khởi động mềm Khi tín hiệu áp lực lưu lượng mạng lưới hồi tiếp PLC Bộ vi xử lý so sánh với giá trị cài đặt điều khiển tốc độ máy bơm chạy với tốc độ phù hợp Khi mà bơm điều khiển biến tần hoạt động chế độ định mức mà chưa đáp ứng áp suất ống PLC lệnh để đưa máy bơm khởi động mềm tham gia vào hệ thống nhằm trì áp suất mong muốn đường ống Đến lúc đó, mà áp suất đường ống đủ PLC ngắt bơm phụ tránh áp suất cao gây nguy hiểm cho đường ống Trong trường hợp ngắt tất bơm mà áp suất cịn cao PLC lệnh cho biến tần để biến tần giảm dần tần số động để đưa áp suất đường ống gần giá trị đặt nhanh thời gian Tất việc theo dõi giám sát WinCC qua hình máy tính (hoặc điều khiển tay) 1.1.2 Những ưu điểm điều khiển tốc độ bơm thiết bị biến tần - Hạn chế dòng khởi động cao - Tiết kiệm lượng - Điều khiển linh hoạt máy bơm - Dãy công suất rộng từ 1,1 – 400Kw - Tự động ngừng đạt tới điểm cài đặt - Tăng tốc nhanh giúp biến tần bắt kịp tốc độ thời động - Tự động tăng tốc giảm tốc tránh tải điện áp khởi động - Bảo vệ động khi: ngắn mạch, pha, lệch pha, tải, dòng, nhiệt… - Kết nối với máy tính chạy hệ điều hành Windows - Kích thước nhỏ gọn khơng chiếm diện tích nhà trạm - Mô-men khởỉ động cao với chế độ tiết kiệm lượng - Dễ dàng lắp đặt vận hành - Hiển thị thông số động biến tần 1.1.3.Mô tả hoạt động hệ thống (được điều khiển theo hình thức biến tần điều khiển bơm) Trong hệ thống có máy bơm: Một máy bơm pha máy bơm pha Biến tần điều khiển trực tiếp máy bơm pha, máy bơm pha bơm dự phòng mà máy bơm pha chạy hết công suất định mức mà áp suất chưa ổn định giá trị setpoint Máy bơm dự phòng điều khiển trực tiếp điện lưới 220V Khởi động hệ thống lên máy bơm pha điều khiển biến tần điều khiển động chạy đạt áp suất đặt Khi áp suất đường ống áp suất đặt biến tần giữ ổn định tốc độ máy bơm Trường hợp tải thay đổi tức áp suất thay đổi, tùy theo tải tăng hay giảm biến tần điều khiển máy bơm chạy nhanh hay chậm Khi tải tăng tức áp suất giảm, lúc muốn ổn định áp suất biến tần điều khiển máy bơm chạy nhanh (tức tăng tần số máy bơm pha) đạt áp suất đặt Ngược lại, tải giảm biến tần giảm tần số máy bơm xuống đạt áp suất đặt Nếu lúc tải giảm mạnh (áp suất tăng lên cao) bơm dự phịng tự động dừng cịn bơm biến tần hoạt động Hệ thống hoạt động liên tục vậy, áp suất đường ống ln giữ ổn định tránh tình trạng áp suất tăng cao gây vỡ đường ống cấp nước 1.2.Hệ thống điều khiển áp suất 1.2.1.Yêu cầu công nghệ Sử dụng biến tần điều khiển trơn cho động bơm, công suất tiêu thụ động biến tần điều chỉnh cho phù hợp với nhu cầu phụ tải Động thứ sử dụng chạy sau phụ tải phát triển lớn Một sensor áp suất đưa vào đầu cấp nước Nhà máy để đo áp lực nước đưa hệ thống điều khiển Hệ thống điều khiển PLC đảm bảo cho việc tự động hóa hồn tồn trình bơm cấp nước Nhà máy Vận hành hệ thống thông qua WinCC Hệ thống hoạt động chế độ tay WinCC Việc chuyển đổi hai chế độ tự động tay thực công tắc chuyển đổi vị trí Hệ thống cũ đấu nối đảm bảo xác, vận hành an tồn tình Đảm bảo tính an tồn cao hệ thống Hình 1: Biểu đồ minh họa hoạt động điều khiển bơm Như với việc đưa biến tần vào hệ thống hoạt động bám sát theo thực tế lưu lượng phụ tải, giảm đáng kể lượng tiêu hao không cần thiết vào phụ tải thấp điểm Hệ thống tự động giám sát áp suất nước đường ống mạng điều khiển ngược lại để đảm bảo giữ áp suất theo yêu cầu PLC điều khiển áp suất nước đường ống mạng theo đồ thị phụ tải ngày, tức hệ thống điều khiển áp suất theo thời gian thực Hệ thống điều khiển tự động số chức sau:  Đo lường: Do đầu đo áp suất đo lường chuyển đổi để đưa CPU PLC  Xử lý thông tin: Bộ điều khiển trung tâm đảm nhiệm vấn đề  Điều khiển: PLC phối hợp với biến tần làm việc theo yêu cầu  Giám sát: PLC kết đầu đo áp suất để giám sát hệ thống hoạt động  Giao tiếp người vận hành thiết bị: Sử dụng phần mềm giao diện người máy (HMI) WinCC  Hệ thống chuyển đổi qua lại motor bơm chạy với biến tần nhằm mục đích nâng cao tuổi thọ bơm, phục vụ bảo trì bảo dưỡng mà không làm gián đoạn sản xuất Đồng thời phép mở rộng phát triển phụ tải sau này, hệ thống sử dụng lúc hai bơm cần Bơm thứ hai đươc tự động đóng chạy trực tiếp thơng qua cơngtắctơ bơm bơm có biến tần chạy điều chỉnh đỉnh cho phù hợp với phụ tải 1.2.2 Sơ đồ khối hệ thống Hình 2: Sơ đồ khối hệ thống Một số ứng dụng biến tần hệ thống cấp nước 2.1 Giải pháp công ty A2S *Phương án 1: Điều khiển tầng (Master/Slave) - Sơ đồ nguyên lý Hình 3: Dùng 01 biến tần điều khiển bơm theo kiểu Master/Slave Khi có tín hiệu áp suất đưa vào biến tần người lắp biến tần cài đặt thông số biến tần tích hợp điều khiển thơng minh khuếch đại – tích phân – vi phân (bộ điều khiển PID) để ổn định giá trị áp suất mong muốn người vận hành - Hình ảnh trạm bơm Càng Long – Trà Vinh Hình 4: Ttrạm bơm cấp nước 100 m3/h thị trấn Càng Long - Trà Vinh + Ưu điểm o Giá thành đầu tư thấp + Nhược điểm o Không luân phiên thời gian sử dụng cho bơm o Chưa tiết kiệm điện nhiều o Chưa có phương án điều khiển tương đương có cố biến tần o Chưa lưu trữ thông số, kiện, thời gian trình hoạt động *Phương án 2: Điều khiển bình đẳng - Sơ đồ nguyên lý Hình 5:Dùng 01 biến tần điều khiển bơm theo kiểu Master/Slave, luân phiên biến tần cho Master Khi giá trị áp suất đưa biến tần, nhờ thông số cài đặt điều khiển PID biến tần điều khiển ổn định giá trị áp suất mong muốn Nhờ thiết kế theo nguyên lý nên luân phiên bơm làm master để phân bố thời gian hoạt động bơm hệ thống - Hình ảnh trạm bơm Phước Sơn – Bình Định Hình 6: Trạm bơm 3000 m3/ngày – nhà máy nước Phước Sơn tỉnh Bình Định + Ưu điểm o Hệ thống luân phiên bơm, tạo thời gian hoạt động bình đẳng + Nhược điểm o Các bơm phải công suất, hãng để sử dụng chung biến tần o Chi phí lắp đặt khơng rẻ o Chưa tiết kiệm điện nhiều, lắp đặt sửa chữa phức tạp *Phương án 3: Tổ hợp phương án phương án Sơ đồ tổng hợp tối ưu điều khiển trạm bơm nước Hình 7: Dùng 03 biến tần điều khiển bơm theo kiểu Master/Slave luân phiên Master để bình đẳng vai trị thời gian hoạt động Với cách lắp đặt này, giá trị đo áp suất đưa điều khiển PLC PLC điều khiển biến tần cho bơm thay đổi tần số đảm bảo giá trị áp suất mong muốn Nguyên lý ổn định áp suất điều khiển Master/Slaves, chọn bơm làm master được, bơm phụ chạy 100% công suất phương án mà chạy theo tần số chương trình điều khiển yêu cầu - Hình ảnh thực tế trạm bơm nước sử dụng phương án 3: Hình 8: Hình ảnh trạm bơm Xuân Trường – Nam Định Hình 9: Hình ảnh trạm bơm Giao Thủy – Nam Định Hình 10: Hình ảnh mành hình HMI điều khiển cho trạm bơm +Ưu điểm: o Luân phiên thời gian hoạt động cho bơm o Có phương án dự phòng biến tần bị lỗi o Các bơm không thiết công suất, hãng o Tiết kiệm điện nhiều +Nhược điểm: o Chi phí đầu tư cao 2.2.Giải pháp dùng biến tần Delta Hình 11: Sơ đồ khối điều khiển áp suất đường nước dùng biến tần Dalta Bài toán 01: Sử dụng biến tần điều khiển ổn định áp suất cho hệ thống sử dụng 01 bơm - Thiết bị sử dụng: + 01 Biến tần dòng VFD-EL + 01 Cảm biến áp suất DC Box ⇒ Sơ đồ đấu nối cảm biến áp suất Bài toán 02: Sử dụng biến tần điều khiển luân phiên 04 bơm (Tối đa 08 bơm) - Thiết bị sử dụng: + 01 Biến tần dòng VFD-CP2000 + 01 Cảm biến áp suất DC Box + 04 Contactor + Phụ kiện: Tủ điện, nút nhấn - Nguyên lý hoạt động: Biến tần điều khiển luân phiên bơm từ M1 đến M4, khoảng thời gian trễ thời gian hoạt động bơm cài đặt qua biến tần Hình 12: Dùng biến tần điều khiển luân phiên bơm Bài toán 03: Sử dụng biến tần điều khiển ổn định áp suất cho hệ thống sử dụng 04 bơm (Tối đa 08 bơm) - Thiết bị sử dụng: + 01 Biến tần dòng VFD-CP2000 + 01 Cảm biến áp suất DC Box + 04 Contactor + Phụ kiện: Tủ điện, nút nhấn - Nguyên lý hoạt động: Biến tần điều khiển PID bơm M0 tùy theo nhu cầu sử dụng nước đầu Nếu biến tần điều khiển bơm M0 chạy 100% công suất khoảng thời gian đặt 10 trước mà không đáp ứng nhu cầu sử dụng, biến tần tự động gọi bơm từ M1 đến M4 chạy điện lưới trực tiếp vào hệ thống đáp ứng đủ nhu cầu đầu Nếu lượng nước đầu ổn định sau khoảng thời gian đặt trước, biến tần tự động nhả bơm từ M4 đến M1 khỏi hệ thống cho đáp ứng vừa đủ nhu cầu đầu Nếu nhả hết bơm từ M4 đến M1 mà hệ thống dư áp biến tần tự động giảm tốc độ bơm M0 xuống mức thấp trì tần số định đặt trước Khi nhu cầu nước đầu tăng hệ thống lại hoạt động trở lại tự động gọi thêm bơm cần thiết Hình 13: Sử dụng biến tần điều khiển ổn định áp suất cho hệ thống sử dụng 04 bơm Bài toán 04: Sử dụng biến tần điều khiển ổn định áp suất kết hợp luân phiên 04 bơm (Tối đa 08 bơm) - Thiết bị sử dụng: + 01 Biến tần dòng VFD-CP2000 + 01 Cảm biến áp suất DC Box + 08 Contactor + Phụ kiện: Tủ điện, nút nhấn - Nguyên lý hoạt động: Ứng dụng kết hợp toán 02 toán 03 Biến 11 tần vừa điều khiển luân phiên tuần hoàn qua bơm, vừa ổn định áp gọi thêm bơm khác vào chạy điện lưới Hình 14: Sử dụng biến tần điều khiển ổn định áp suất kết hợp luân phiên 04 bơm 12