ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ ĐỒ ÁN MÔN HỌC Trang bị điện điện tử các máy công nghiệp dùng chung Đề tài số 19 “Thiết kế hệ thống điều khiển bơm vận chuyển chất lỏng trên tuyến ống dài ” MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết của đề tài 2 Mục đích của đề tài 3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT VỀ DỰ ÁN THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG BƠM VẬN CHUYỂN CHẤT LỎNG TRÊN TUYẾN ỐNG DÀI 1 1 Các yêu cầu kỹ thuật đối với dự án 1 2 1 Đặt vấn đề về bài toán điều khiển 1.
ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ ĐỒ ÁN MÔN HỌC Trang bị điện-điện tử máy công nghiệp dùng chung Đề tài số 19: “Thiết kế hệ thống điều khiển bơm vận chuyển chất lỏng tuyến ống dài.” MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Mục đích đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài CHƯƠNG : KHÁI QUÁT VỀ DỰ ÁN THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG BƠM VẬN CHUYỂN CHẤT LỎNG TRÊN TUYẾN ỐNG DÀI 1.1 Các yêu cầu kỹ thuật dự án 1.2.1 Đặt vấn đề toán điều khiển 1.2.2 Yêu cầu kỹ thuật với thiết bị thực điều khiển 1.3 Sơ đồ P&ID hệ thống điều khiển hệ thống bơm CHƯƠNG : XÂY DỰNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG 2.1 Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển 2.2 Lựa chọn thiết bị truyền động điện thiết bị điều khiển 2.3 Nguyên lý thực hệ thống điều khiển bơm CHƯƠNG : THỰC HIỆN GIÁM SÁT VÀ XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VỚI STEP7 3.1 Xây dựng sơ đồ hệ thống bơm tuyến ống dài 3.1.1 Mạch cấp nguồn 3.1.2 Mạch động lực 3.1.3 Các mạch role trung gian 3.2 Xây dựng chương trình điều khiển hệ thống bơm tuyến ống dài 3.2.1 Lựa chọn cấu hình trạm PLC S7-300 3.2.2 Đề xuất tín hiệu vào ra, biến trung gian PLC 3.2.3 Thuật tốn chương trình điều khiển PLC KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO Hải Phòng, ngày 20 tháng năm 2019 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN LỜI MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong sinh hoạt đời sống hẳn nhìn thấy hoạt động máy bơm, thấy lợi ích mà chúng mang lại cho đời sống Nhưng công nghiệp, kinh tế quốc dân hệ thống bơm cịn đóng vai trị lơn nhiều Chất lỏng nói chung muốn đưa xa ta phải cung cấp cấp cho lượng, dùng máy bơm lựa chọn đắn Với tiến không ngừng khoa học kỹ thuật ngày nay, hệ thống đại hóa, cơng nghiệp hóa có vai trị quan trọng lĩnh vực: sản xuất, dịch vụ, tiêu dùng Vậy nên trạm bơm vận chuyển chất lỏng tuyến ống dài (ví dụ xăng, dầu, nước ) cần ứng dụng tự động hóa để tăng suất, giảm sức lao động người đáp ứng yêu cầu kỹ thuật Thông qua học phần Trang bị điện – điện tử máy công nghiệp dùng chung, em giao đồ án môn học với nhiệm vụ là: “Thiết kế giám sát cho hệ thống bơm vận chuyển chất lỏng cho tuyến ống dài ” để nghiên cứu trình hoạt động hệ thống bơm, đề xuất giải pháp thiết kế giám sát trình hoạt động hệ thống , cải thiện khả làm việc hệ thống Với đồ án em tìm hiểu cách giám sát hệ thống bơm vận chuyển chất lỏng tuyến ống dài 10km, thân em tìm hiểu loại bơm, vấn đề trang bị cho trạm bơm thực tế Trong trạm nhiều bơm vấn đề giám sát cần giải giám sát tình trạng hoạt động động cơ, hệ thống, mức chất lỏng áp suất bình kín, đưa tín hiệu cảnh báo hệ thống bị lỗi Mục đích nghiên cứu đề tài Nghiên cứu nguyên lý giám sát hệ thống bơm cấp nước ống dài để đưa giải pháp ổn định sát áp suất, lưu lượng, cơng suất làm việc, độ an tồn hệ thống bơm vận chuyển chất lỏng tuyến ống dài Đối tương phạm vi nghiên cứu a Đối tượng nghiên cứu - Nghiên cứu thiết kế hệ thống giám sát toàn hệ thống bơm chất lỏng cho tuyến ống dài b Phạm vi nghiên cứu - Đồ án môn học giới hạn nghiên cứu phạm vi hệ thống bơm (gồm nhiều máy bơm) sử dụng việc cung cấp nước, xăng , dầu, cho địa điểm vận chuyển từ nơi cung cấp đến nơi sử dụng Ý nghĩa khoa học đề tài a Ý nghĩa khoa học đề tài Nắm rõ nguyên lý hệ thống để xây dựng hệ thống giám sát trình vận hành hệ thống bơm , giảm thiểu sức lao động người, giảm thiểu rủi ro, tăng tính ổn định , bền vững cho hệ thống b Ý nghĩa thực tiễn đề tài Xây dựng hệ thống giám sát hoạt động hệ thống bơm vận chuyển chất lỏng tuyến ống dài có khả áp dụng vào thực tiễn Mục Lục LỜI MỞ ĐẦU MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1.3a Sơ đồ cơng nghệ hệ thống bơm trạm 10 Hình 1.3b Sơ đồ cơng nghệ hệ thống bơm trạm 11 Hình 2.1 SITRANS P DS III Siemens 14 Hình 2.2 Đồng hồ áp suất 15 Hình 2.3 Cảm biến áp suất SR1F002A00 Georgin – Pháp 16 Hình 2.4 Biến tần MicroMaster 440 SIMENS .17 Hình 3.1 Mạch cấp nguồn cho hệ thống 21 Hình 3.2 Sơ đồ mạch cấp nguồn cho động M1,M2 .23 Hình 3.3 Sơ đồ mạch cấp nguồn cho động M3,M4 24 Hình 3.4 Sơ đồ mạch cấp nguồn cho động M5,M6 24 Hình 3.5 Sơ đồ mạch điều khiển rơ le thứ tự pha PMR .28 Hình 3.6: Mạch rơ le trung gian cho biến tần inverter 29 Hình 3.7 Mạch role trung gian cho cảm biến áp suất bơm 30 Hình 3.8 Mạch role trung gian cho cảm biến áp suất bơm 30 Hình 3.9 Mạch role trung gian cho cảm biến áp suất bơm 31 Hình 3.10 Mạch role trung gian cho cảm biến áp suất bơm 31 Hình 3.11 Mạch role trung gian cho cảm biến áp suất bơm 32 Hình 3.12 Mạch role trung gian cho cảm biến áp suất bơm .32 Hình 3.13 Mạch role trung gian cho cảm biến áp suất đường ống .33 Hình 3.14 Mạch role trung gian cho cảm biến áp suất đường ống .33 Hình 3.15 Mạch module đầu vào số PLC (1/4) 35 Hình 3.16 Mạch module đầu vào số PLC (2/4) 35 Hình 3.17 Mạch module đầu vào số PLC (3/4) 36 Hình 3.18 Mạch module đầu vào số PLC (4/4) 36 Hình 3.19 Mạch đầu vào tương tự cảm biến lưu lượng 42 Hình 3.20 Sơ đồ mạch mudle đầu vào tương tự 42 Hình 3.21 Sơ đồ tủ điện tập trung hệ thống .43 Hình 3.22 Lựa chọn cấu trúc trạm PLC 43 Hình 2.23 Bảng tín hiệu đầu vào S7 300 (1/2) 45 Hình 2.24 Bảng tín hiệu đầu vào S7 300 (2/2) 46 CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ DỰ ÁN THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG BƠM VẬN CHUYỂN CHẤT LỎNG TRÊN TUYẾN ỐNG DÀI 1.1 Giới thiệu chung hệ thống bơm chất lỏng cho tuyến ống dài Bơm chất lỏng cho tuyến ống dài sử dụng phổ biến việc cấp nước sinh hoạt hệ thống cơng nghiệp Để vận chuyển chất lỏng xa, ta cần sử dụng hế thống bơm tăng giảm áp nhằm gia tăng giảm áp lực lưu thông chất lỏng đường ống Trong đồ án em thiết kế điều khiển hệ thống bơm chất lỏng cho tuyến ống dài 15 km Ta sử dụng hai hệ thống bơm quãng đường 15 km, mắc nối tiếp với nhằm ổn định áp suất cho hệ thống, cấp lại gồm bơm mắc song song trở nên (gồm bơm bơm dự phịng) tùy thuộc vào áp suất đầu theo thiết kế Trong thực tiễn, lúc đường ống dẫn trì mức áp lực định mà thay đổi, xa áp lực thấp Hoặc q trình hoạt động xảy cố chất lỏng bị dị dỉ; khơng lưu thông hay lượng áp suất vượt mức cho phép gây vỡ đường ống làm hư hỏng hệ thống Do vấn đề điều khiển cần giải điều khiển hoạt động động cơ, hệ thống, mức chất lỏng bồn chứa áp suất đường ống, đưa tín hiệu cảnh báo hệ thống bị lỗi 1.2 Các yêu cầu kỹ thuật dự án - Điều khiển hoạt động trang thiết bị truyền động điện hệ thống bơm chất lỏng tuyến ống dài + Hiển thị công suất hoạt động động bơm hệ thống - Điều khiển lưu lượng, áp suất đầu trạm bơm tăng giảm áp + Khi bắt đầu vận hành, bơm bắt đầu chạy mà áp suất ống khơng tăng cần kiểm tra hoạt động hệ thống + Khi hoạt động ổn định cần kiểm tra áp suất lưu lượng đường ống để tăng giảm công suất bơm nhằm đạt mức chất lỏng ổn định trọng đường ống - Điều khiển lưu lượng, áp suất đầu cuối nơi tiếp nhận nhiên liệu: Kiểm tra áp suất lưu lượng cuối xem có đạt yêu cầu cung cấp nhiên liệu * Đề xuất phương án điều khiển Bơm cấp nguồn trực tiếp qua nguồn điện lưới, điều khiển bật tắt thông qua PLC Điện áp ba pha 380v cấp nguồn cho toàn trạm cấp tới động qua Aptomat MCB Động khởi động đổi nối tam giác giúp giảm dòng khởi động bảo vệ role nhiệt đảm bảo hoạt động ổn định động lai bơm Hệ thống bơm dùng phương án có đặc điểm chung là: • Điều khiển lưu lượng, áp lực • Tắt mở qua PLC 1.2.1 Yêu cầu kỹ thuật với thiết bị thực điều khiển • Hệ thống có chế độ tay, chế độ tự động thêm chế độ điều khiển trực tuyến thơng qua mạng • Các trạm bơm sử dụng PLC S7-300 để xây dựng chương trình điều khiển tự động bắt tắt bơm • Một trạm bơm gồm động khơng đồng rotor lồng sóc lai bơm ly tâm • Mỗi trạm bơm có bơm hoạt động, bơm dự phịng Bơm dự phịng sử dụng trường hợp có sửa chữa thay • Trên đường ống bố trí van chiều tự động van tay, đảm bảo chất lòng chảy đường ống chiều, không chảy ngược lại làm ảnh hưởng đến bơm • Các điểm đo áp suất, lưu lượng đặt đường ống trạm để đo áp suất, lưu lượng, đưa tín hiệu điều khiển hiển thị thông số trạm 1.3 1.3.1 Sơ đồ P&ID hệ thống điều khiển trạm bơm chất lỏng cho tuyến ống dài Sơ đồ P&ID nhánh bơm Theo sơ đồ, trạm bơm có: - Kết nối đầu hút, đẩy bơm tới đường ống khớp nối mềm, đảm bảo hạn chế rung, tiếng ồn trình hoạt động - Van cầu hai đầu bơm cho phép cách ly hoàn toàn bơm khỏi hệ thống cần thiết - Tại đầu đẩy bơm ly tâm, lắp đặt van chiều có tác dụng: + Giảm tải khơi động cho bơm + Ngăn chất lỏng chảy ngược đầu đẩy bơm gây tổn thất hệ thống - Đồng hồ áp suất chân không giúp người vận hành kiểm tra nhanh thông số - Tại vị trí lắp đặt thiết bị đo lường, sử dụng van cửa để thuận tiện tháo lắp đặt thiết bị đo khỏi hệ thống thiết bị hoạt động 1.3.2 Sơ đồ P&ID toàn hệ thống bơm - Để vận chuyển chất lỏng tuyến ống dài khoảng 15 km ta xây dựng sơ đồ P&ID cho hệ bơm tăng giảm áp cấp sử dụng bơm, hai cấp mặc nối tiếp với Mỗi cặp bơm tăng giảm áp gồm bơm mắc song song có hai bơm chính, bơm dự phịng 10 Hình 3.13 Mạch role trung gian cho cảm biến áp suất đường ống Hình 3.14 Mạch role trung gian cho cảm biến áp suất đường ống 35 Trên hình 3.7, hình 3.8, hình 3.9, hình 3.10, hình 3.11, hình 3.12, hình 3.13, hình 3.14 thể mạch role trung gian cho cảm biến bơm đường ống Tên gọi, ký hiệu, chức phần tử mạch hình 3.7 sau: Mạch bao gồm cảm biến SP11, SP12, SP13, SP14, SP15 Cảm biến SP11 có chức cảm biến áp suất mức cao Cảm biến SP12 có chức cảm biến áp suất mức cao Cảm biến SP13 có chức cảm biến áp suất mức trung bình Cảm biến SP14 có chức cảm biến áp suất mức thấp Cảm biến SP15 có chức cảm biến áp suất mức thấp Role trung gian gồm có role RH2P, RH1P, RNP, RL1P, RL2P có chức bảo vệ mạch đầu vào PLC tạo nhiều tiếp điểm để phục vụ trình giám sát điều khiển Các đèn báo WL, GL, RL, YL, BL có chức hiển thị mức chất lỏng tủ điện trạm bơm Nguyên lý hoạt động: Mạch role trung gian lấy nguồn 220 VAC từ tủ cấp nguồn, cảm biến SP11, SP12, SP13, SP14, SP15 bị tác động làm role trung gian cấp nguồn, làm thay đổi trạng thái tiếp điểm role, làm sáng đèn hiển thị gửi tín hiệu đến phịng điều khiển xa Các mạch hình 3.8, hình 3.9, hình 3.10, hình 3.11, hình 3.12, hình 3.13, hình 3.14 có nguyên lý tương tự khác ký hiệu phần tử 36 Đồng hồ đo lưu lượng vị trí: Hình 3.14 Cảm biến lưu lượng các vị trí đặt 3.2 Xây dựng chương trình điều khiển hệ thống bơm ến ống dài 3.2.1 Mạch kết nối PLC Hình 3.15 Mạch module đầu vào số PLC (1/4) 37 Hình 3.16 Mạch module đầu vào số PLC (2/4) Hình 3.17 Mạch module đầu vào số PLC (3/4) 38 Hình 3.18 Mạch module đầu vào số PLC (4/4) - Các tín hiệu I/O PLC hệ thống: Bảng 3.1 Tín hiệu I/O PLC Đặc I/O trưng B000 Mức Loại tín điện áp I 24VD Ý nghĩa Tên biến hiệu Tiếp C điểm Tín hiệu báo nguồn 1MCB 1MCB B001 I Nt Nt Tín hiệu báo nguồn 2MCB 2MCB B002 I Nt Nt Tín hiệu báo nguồn 3MCB 3MCB B003 I Nt Nt Tín hiệu báo nguồn 4MCB 4MCB B004 I Nt Nt Tín hiệu báo nguồn 5MCB 5MCB B005 I Nt Nt Tín hiệu báo nguồn 6MCB 6MCB 39 B006 I Nt Nt Tín hiệu báo nguồn 7MCB 7MCB B007 I Nt Nt Tín hiệu báo nguồn 8MCB 8MCB B008 I Nt Nt Tín hiệu báo nguồn 9MCB 9MCB B009 I Nt Nt Tín hiệu báo nguồn 10MCB 10MCB B010 I Nt Nt Tín hiệu báo đóng nguồn động lực B00A I Nt Nt Tín hiệu báo lỗi biến tần INV1 RINV1X B00B I Nt Nt Tín hiệu báo lỗi biến tần INV2 RINV2X B00C I Nt Nt Tín hiệu báo lỗi biến tần INV3 RINV3X B00D I Nt Nt Tín hiệu báo lỗi biến tần INV4 RINV4X B00E I Nt Nt Tín hiệu báo lỗi biến tần INV5 RINV5X B00F I Nt Nt Tín hiệu báo lỗi biến tần INV6 RINV6X B011 I Nt Nt Mức áp suất mức cao bơm RH2P1 B012 I Nt Nt Mức áp suất mức cao bơm RH1P1 B013 I Nt Nt Mức áp suất mức trung bơm RNP1 B014 I Nt Nt Mức áp suất mức thấp bơm RL1P1 B015 I Nt Nt Mức áp suất mức thấp bơm RL2P1 B016 I Nt Nt Mức áp suất mức cao bơm RH2P2 B017 I Nt Nt Mức áp suất mức cao bơm RH1P2 B018 I Nt Nt Mức áp suất mức trung bơm RNP2 B019 I Nt Nt Mức áp suất mức thấp bơm RL1P2 B020 I Nt Nt Mức áp suất mức thấp bơm RL2P2 B021 I Nt Nt Mức áp suất mức cao bơm RH2P3 MC 40 B022 I Nt Nt Mức áp suất mức cao bơm RH1P3 B023 I Nt Nt Mức áp suất mức trung bơm RNP3 B024 I Nt Nt Mức áp suất mức thấp bơm RL1P3 B025 I Nt Nt Mức áp suất mức thấp bơm RL2P3 B026 I Nt Nt Mức áp suất mức cao bơm RH2P4 B027 I Nt Nt Mức áp suất mức cao bơm RH1P4 B028 I Nt Nt Mức áp suất mức trung bơm RNP4 B029 I Nt Nt Mức áp suất mức thấp bơm RL1P4 B030 I Nt Nt Mức áp suất mức thấp bơm RL2P4 B031 I Nt Nt Mức áp suất mức cao bơm RH2P5 B033 I Nt Nt Mức áp suất mức cao bơm RH1P5 B034 I Nt Nt Mức áp suất mức trung bơm RNP5 B035 I Nt Nt Mức áp suất mức thấp bơm RL1P5 B036 I Nt Nt Mức áp suất mức thấp bơm RL2P5 B037 I Nt Nt Mức áp suất mức cao bơm RH2P6 B038 I Nt Nt Mức áp suất mức cao bơm RH1P6 B039 I Nt Nt Mức áp suất mức trung bơm RNP6 B040 I Nt Nt Mức áp suất mức thấp bơm RL1P6 B041 I Nt Nt Mức áp suất mức thấp bơm RL2P6 B042 I Nt Nt Mức áp suất mức cao đường RH2P7 ống B043 I Nt Nt Mức áp suất mức cao đường RH1P7 41 ống B044 I Nt Nt Mức áp suất mức trung đường RNP7 ống B045 I Nt Nt Mức áp suất mức thấp đường RL1P7 ống B046 I Nt Nt Mức áp suất mức thấp đường RL2P7 ống B047 I Nt Nt Mức áp suất mức cao đường RH2P8 ống B048 I Nt Nt Mức áp suất mức cao đường RH1P8 ống B049 I Nt Nt Mức áp suất mức trung đường RNP8 ống B050 I Nt Nt Mức áp suất mức thấp đường RL1P8 ống B051 I Nt Nt Mức áp suất mức thấp đường RL2P8 ống B052 I Nt 0-24mA Lưu lượng vị trí bơm FM1 B053 I Nt 0-24mA Lưu lượng vị trí bơm FM2 B054 I Nt 0-24mA Lưu lượng vị trí bơm FM3 B055 I Nt 0-24mA Lưu lượng vị trí bơm FM4 B056 I Nt 0-24mA Lưu lượng vị trí bơm FM5 B057 I Nt 0-24mA Lưu lượng vị trí bơm FM6 42 B058 I Nt 0-24mA Lưu lượng đường ống FM7 B059 I Nt 0-24mA Lưu lượng đường ống FM8 - Mạch module đầu vào tương tự: Hình 3.19 Mạch đầu vào tương tự của các cảm biến lưu lượng 43 Hình 3.20 Sơ đồ mạch mudle đầu vào tương tự Hình 3.21 Sơ đồ tủ điện tập trung của hệ thống 3.2.2 Lựa chọn cấu trúc trạm PLC 44 Hình 3.22 Lựa chọn cấu trúc trạm PLC Slot 1: Module nguồn, chọn nguồn nuôi PS 307 5A Slot 2: Module CPU 312 Slot 4: Module đầu vào số DI16/DO16x24V/0.5A Slot 5: Module đầu vào số DI16/DO16x24V/0.5A Slot 6: Module đầu vào số DI16/DO16x24V/0.5A Slot 7: Module đầu vào số DI16/DO16x24V/0.5A Slot 8: Module đầu vào tương tự AI8x12Bit - Nhập tín hiệu đầu vào S7 300 45 Hình 2.23 Bảng tín hiệu đầu vào S7 300 (1/2) 46 Hình 2.24 Bảng tín hiệu đầu vào S7 300 (2/2) 47 Kết luận Sau khoảng thời gian thực đồ án môn học, với sự giúp đỡ thầy PGS TS Hồng Xn Bình, bạn cố gắng thân đến em hoàn thành đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển bơm vận chuyển chất lỏng tuyến ống dài” Trong đề tài mình, em thực thực yêu cầu sau: - Tìm hiểu hệ thống điều khiển trạm nhiều bơm vận chuyển chất lỏng - tuyến ống dài sensor Lựa chọn thiết bị điện cho trạm Thiết kế vẽ mạch động lực, mạch giám sát, mạch role trung - gian, mạch PLC Ứng dụng Autocad cho việc thực vẽ hệ thống Ứng dụng lập trình điều khiển PLC Tuy nhiên thời gian có hạn trình độ thân cịn nhiều hạn chế nên đề tài thực cịn nhiều thiếu sót Em mong nhận đóng góp ý kiến thầy PGS TS Hồng Xn Bình để đồ án mơn học hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phòng, ngày tháng năm Sinh viên thực 48 ... KHÁI QUÁT VỀ DỰ ÁN THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG BƠM VẬN CHUYỂN CHẤT LỎNG TRÊN TUYẾN ỐNG DÀI 1.1 Giới thiệu chung hệ thống bơm chất lỏng cho tuyến ống dài Bơm chất lỏng cho tuyến ống dài sử dụng... an toàn hệ thống bơm vận chuyển chất lỏng tuyến ống dài Đối tương phạm vi nghiên cứu a Đối tượng nghiên cứu - Nghiên cứu thiết kế hệ thống giám sát toàn hệ thống bơm chất lỏng cho tuyến ống dài.. . vụ là: ? ?Thiết kế giám sát cho hệ thống bơm vận chuyển chất lỏng cho tuyến ống dài ” để nghiên cứu trình hoạt động hệ thống bơm, đề xuất giải pháp thiết kế giám sát trình hoạt động hệ thống , cải