Mô hình điều khiển và ổn định áp suất trong đường ống của hệ thống nước 8

Nguyễn Hoàng Hiệp Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Quang Huy Trần Văn Sang 69 CHƯƠNG 8 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH 8 1 Khái quát hệ thống Mô hình điều khiển trạm bơm ổn định áp suất được thiết kế với mục đích mô tả một hệ thống cung cấp nước sinh hoạt cho nhà cao tầng hoặc nước sản xuất cho một nhà máy với áp suất nước được giữ ổn định với lưu lượng mong muốn Mô hình được thiết kế với hệ thống 2 bơm công suất nhỏ bơm một pha sẽ là động cơ chính dùng để duy trì nước trong đường ống, bơm còn lại là một.

Nguyễn Hoàng Hiệp Nguyễn Quang Huy Trần Văn Sang Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MƠ HÌNH 8.1 Khái qt hệ thống Mơ hình điều khiển trạm bơm ổn định áp suất thiết kế với mục đích mơ tả hệ thống cung cấp nước sinh hoạt cho nhà cao tầng nước sản xuất cho nhà máy với áp suất nước giữ ổn định với lưu lượng mong muốn Mô hình thiết kế với hệ thống bơm công suất nhỏ: bơm pha sẽ động dùng để trì nước đường ống, bơm cịn lại động ba pha điều khiển thông qua biến tần giúp điều chỉnh lưu lượng nước, ổn định áp suất nước đường ống 8.2 Sơ đồ ngun lý hoạt động mơ hình PLC HMI PC Systems Biến tần Cảm biến Hình 8.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động  Nguyên lý hoạt động Bơm pha có chức trì áp suất đường ống giống lưu lượng nước thủy cục cấp cho khu vực sử dụng Khi đến cao điểm có nhiều hộ dân sử dụng nên áp suất đường ống giảm xuống mức cho phép làm cho nước cấp trở nên yếu thì bơm ba pha sẽ giải vấn đề cách cảm biến áp suất sẽ đo 69 Nguyễn Hoàng Hiệp Nguyễn Quang Huy Trần Văn Sang Đồ án tốt nghiệp áp suất đường ống lúc Thì lúc cảm biến áp suất sẽ trả tín hiệu PLC CPU PLC sẽ nhận tín hiệu bắt đầu xử lý điều khiển thông qua chương trình điều khiển PID lập trình Giá trị sẽ so sánh với giá trị áp suất mong muốn điều chỉnh giá trị ngõ cấp cho biến tần cho biến tần điều khiển động ba pha bơm với tốc độ tương ứng để đáp ứng áp suất mong muốn trì đường ống 8.3 Lưu đồ giải thuật Khi hệ thống bắt đầu hoạt động chương trình sẽ kiểm tra lỗi hệ thống (lỗi (*)), có lỗi chương trình sẽ dừng lại báo động sau khắc phục lỗi nhấn nút reset chương trình sẽ kiểm tra lỗi lại Nếu kiểm tra khơng có lỗi chương trình sẽ cho phép chọn chế độ hoạt động - Chế độ manual Khi chọn chế độ Manual sẽ ON, OFF động pha pha tay Động pha chạy thì động pha quyền chạy Khi động chạy nhấn Stop động thì động dừng Ở chế độ chương trình sẽ quét lỗi (*) xảy lỗi sẽ dừng hệ thống báo động đồng thời thoát chế độ Manual - Chế độ Auto Khi chế độ Auto nhấn Start động 1P chạy delay khoảng thời gian cài đặt để kiểm tra áp suất chạy động 1P Nếu áp suất bật bơm 1P > áp suất đặt sẽ dừng động 1P báo động Nếu áp suất bật bơm 1P < áp suất đặt sẽ chạy bơm 3P tiến hành điều khiển PID Khi PV < SP PID sẽ giảm giá trị ngõ (tần số) để giảm tốc động 3P Khi PV > SP PID sẽ tăng giá trị ngõ (tần số) để tăng tốc động 3P Khi PV = SP PID sẽ giữ nguyên giá trị ngõ (tần số) động 3P Khi PV ≠ SP mà tần số đạt giá trị Max Or Min chương trình sẽ delay khoảng thời gian, sau áp suất khơng thể đạt mức cài đặt sẽ báo động dừng động cơ, thoát chế độ Auto Khi chế độ Manual/Auto hệ thống gặp phải lỗi (*) thực dừng chương trình báo động, hiển thị lỗi 70 Nguyễn Hoàng Hiệp Nguyễn Quang Huy Trần Văn Sang Đồ án tốt nghiệp Hình 8.2 Lưu đồ giải thuật 71 Nguyễn Hoàng Hiệp Nguyễn Quang Huy Trần Văn Sang Đồ án tốt nghiệp 8.4 Tính tốn lựa chọn thiết bị * Tính tốn lựa chọn bơm Chọn bơm nước bình thường cơng nghiệp yếu tố lưu lượng, kích thước đường ống, cột áp độ nhớt Trong cột áp phần phức tạp nhất, ta chọn tuyết đường ống dài từ nơi đặt bồn nước bơm đến vị trí cần bơm, tổn thất cột áp đoạn cao Trong tuyến đường có nhiều kích thước đường ống khác ta tính tổn thất đoạn Sau cộng tổng cộng cột áp lại cột áp tổng toàn tuyến ống Tuy nhiên có nhiều cách để tính tốn bơm nước dân dụng theo kinh nghiệm, hay dự thầu hay cơng trình lớn cần q trình tính tốn chi tiết để chọn bơm xác  Về lưu lượng: đơn vị m3/h lít/phút (l/min) Chọn theo lưu lượng cần  Về kích thước đường ống: D=√ 4𝑄 𝜋∗𝑉 Trong đó: D: đường kính ống (m) Q: Lưu lượng ống (l/s) V: Vận tốc nước (m/s) Vận tốc nước dựa vào tiêu chuẩn việt nam 4513-1988 Lấy vận tốc nước dùng cho nhu cầu sinh hoạt V = 1,2 m/s chữa cháy 2,5 m/s  Cột áp H = H1+H2+H3 - H1: tổng cột áp cao (tức áp lực nước theo độ cao từ vị trí đặt bơm đến nơi xa hệ thống) Kinh nghiệm mét ngang mét cao - H2: cột áp để phun nước đầu lấy mét phun theo độ cao) - H3 = ΔPma sát + ΔPcục Trong đó: ΔPms : Tổn thất ma sát đường ống ΔPcb: Tổn thất áp suất cục (tổn thất áp co cút tê đường ống) * Tính tốn theo cơng thức bên cứu hỏa ΔPcb = 10%ΔPms ΔPms = A*L*Q2 72 Nguyễn Hoàng Hiệp Nguyễn Quang Huy Trần Văn Sang Đồ án tốt nghiệp Trong đó: Q: lưu lượng nước qua ống (l/s) L: chiều dài đoạn ống (m) A: sức cản ma sát từ ống (thông số A lấy theo tiêu chuẩn Việt Nam 4513 -1988) * Tính tốn theo công thức chi tiết ΔPms = ΔPcb = 𝑙𝜌𝜔² 2𝑑 𝜉𝜌𝜔² Trong đó: Pa Pa l: chiều dài đoạn ống (m) ρ: mật độ nước ρ = 1000kg/m3 ω: tốc độ nước (m/s) d: đường kính ống (m) ξ: hệ số trở kháng cục xác định theo thông số nhà sản xuất λ: hệ số trở kháng ma sát xác định theo công thức sau: - Khi dòng chảy với Re ≤ 2*103 (hệ số Reynol: Re = λ= 𝜔𝑑 𝛾 ) 64 𝑅𝑒 γ: độ nhớt động học nước (m2/s) - dòng chảy với Re ≥ 104 λ= (1.82∗log 𝑅𝑒−1.64)² Hình 8.3 Đường cong biểu diễn độ nhớt nước theo nhiệt độ 73 Nguyễn Hoàng Hiệp Nguyễn Quang Huy Trần Văn Sang Đồ án tốt nghiệp * Tính tốn theo kinh nghiệm H = H1+H2+H3 H1: Điểm thấp đến điểm cao trừ cột áp hồi (tức nước tự tuần hoàn trở lại bơm) H2: Lấy theo kinh nghiệp co vuông 3% cột áp tổng, tê lấy % cột áp tổng Lấy mét theo chiều ngang mét theo chiều cao H3: Tổn thất áp chạy qua tải tải có sẳn thơng số tổn thất áp lực Sau có cột áp nhân thêm hệ số an toàn 1,4 lần cột áp tổng  Tra đồ thị chọn bơm Hình 8.4 Tra đồ thị chọn bơm hãng Ebara * Tính tốn lựa chọn CB dây dẫn  Lựa chọn CB, dây dẫn cho bơm pha: Bơm pha có P = 250W, Cos(Ꝕ) = 0.8, Uđm = 220V,  = 0.85 Ta có: P = U*I*Cos(Ꝕ)* => Itt = P U∗cos(Ꝕ)∗ = 250 220∗0.8∗0.85 = 1.67 (A) Ib = Iđm*Ku*Ks = 1.67*1*1 = 1.67 (A) (Do hệ thống bơm hoạt động liên tục, thiết bị nên chọn Ku = 1, Ks = 1) Iz ≥ Ib K1∗K2∗K3 K1 = = 1.67 1∗0.82∗0.94 = 2.16 (A) (Cáp máng nhựa chữ E) K2 = 0.82 (3 mạch dây hàng đơn máng đứng) K3 = 0.94 (Dây cách điện PVC nhiệt độ môi trường 35*C) 74 Nguyễn Hoàng Hiệp Nguyễn Quang Huy Trần Văn Sang Đồ án tốt nghiệp Tra bảng tiết diện dây dẫn theo dòng điện theo tiêu chuẩn IEC, chọn dây dẫn cho mạch bơm 1pha 2x-CV 1x2.5mm2 có dịng điện cho phép dây dẫn Icp = 15A Chọn CB có dòng định mức Icp = 15*1*0.82*0.94 = 11.56A > ICB > Ib = 1.67A => Chọn CB 2P có Iđm = 10A  Chọn Contactor, Relay nhiệt Chọn contactor có dòng định mức > Itt = 1.67A => Chọn rơle nhiệt có Iđm = 10A (Vì Contactor hãng nhỏ thường 9A)  Chọn CB cho biến tần bơm pha Biến tần có P = 750W, Cos(Ꝕ) = 0.8, Uđm = 220V,  = 0.9 => Itt = P U∗cos(Ꝕ)∗ = 750 220∗1∗0.9 = 3.79 (A) Ib = Iđm*Ku*Ks = 3.79*1*1 = 3.79 (A) (Do hệ thống bơm hoạt động liên tục, thiết bị nên chọn Ku = 1, Ks = 1) Ib Iz ≥ K1∗K2∗K3 = 3.79 1∗0.82∗0.94 = 4.9 (A) (Cáp máng nhựa chữ E) K1 = K2 = 0.82 (3 mạch dây hàng đơn máng đứng) K3 = 0.94 (Dây cách điện PVC nhiệt độ môi trường 35*C) Tra bảng tiết diện dây dẫn theo dòng điện theo tiêu chuẩn IEC, chọn dây dẫn cho mạch bơm 1pha 2xCV 1x2.5mm2 có dịng điện cho phép dây dẫn Icp = 15A Chọn CB có dịng định mức Icp = 15*1*0.82*0.94 = 11.56A > ICB > Ib = 3.79A => Chọn CB 2P có Iđm = 10A  Chọn CB cho nguồn tổ ong Nguồn tổ ong có I = 5A, U = 24V,  = 0.75 = Pout Pin => Pin = => Itt = Pout  Pin U = = 24∗5 0.75 160 220 = 160 (W) = 0.73 (A) 75 Nguyễn Hoàng Hiệp Nguyễn Quang Huy Trần Văn Sang Đồ án tốt nghiệp Ib = Iđm*Ku*Ks = 1.67*1*1 = 0.73 (A) (Do hệ thống hoạt động liên tục, thiết bị nên chọn Ku = 1, Ks = 1) Iz ≥ Ib K1∗K2∗K3 K1 = = 0.73 1∗0.82∗0.94 = 0.94 (A) (Cáp máng nhựa chữ E) K2 = 0.82 (3 mạch dây hàng đơn máng đứng) K3 = 0.94 (Dây cách điện PVC nhiệt độ môi trường 35*C) Tra bảng tiết diện dây dẫn theo dòng điện theo tiêu chuẩn IEC, chọn dây dẫn cho mạch bơm 1pha 2xCV 1x1.0mm2 có dịng điện cho phép dây dẫn Iz = 8A Chọn CB có dịng định mức Icp = 8*0.82*0.94 = 6.17A > ICB > Ib = 0.73A => Chọn CB 2P có Iđm = 5A 76 Nguyễn Hoàng Hiệp Nguyễn Quang Huy Trần Văn Sang Đồ án tốt nghiệp 8.5 Thi cơng mơ hình * Danh sách thiết bị sử dụng mơ hình Bảng 8.1 Danh sách thiết bị STT Số lượng Tên thiết bị PLC S7 – 1200 1212C DC/DC/DC 01 Biến tần MITSUBISHI FR - D720 - 0.75K 01 Cảm biến áp suất PR - 23RY Keller 01 HMI WIENTEK MT8070IE 01 Đồng hồ áp suất ~ 5bar 01 Bơm 1P 250W 01 Bơm 3P 370W 01 Mạch chuyển tín hiệu dịng sang áp 01 Cầu chì 2A 03 10 Đèn báo nguồn 220V 03 11 Còi báo 24V 02 12 CB 2P 03 13 Nguồn tổ ong 24V – 5A 01 14 Relay kiếng 24V 05 15 Contactor 10A 01 16 Relay nhiệt ~ 10A 01 17 Domino 03 18 Swich lan 01 19 Nút khẩn 01 20 Vỏ tủ 500 x 400 x 250mm 01 21 Thùng nhựa 45L 02 22 Ống nước ø34 8m 23 Dây cadivi x 2.5mm2 24 Van khóa ø17 03 25 Van khóa ø42 01 26 Phao điện 01 cuộn x 100m Với thiết bị với hỗ trợ cảu thầy Phạm Hồng Đạt thì chi phí để chúng em hồn thiện mơ hình 17 triệu đồng 77 Nguyễn Hoàng Hiệp Nguyễn Quang Huy Trần Văn Sang Đồ án tốt nghiệp * Bản vẽ tủ điều khiển thi cơng lắp ráp mơ hình Hình 8.5 Bản vẽ AutoCad tủ điều khiển thiết bị tủ điều khiển 78 Nguyễn Hoàng Hiệp Nguyễn Quang Huy Trần Văn Sang Đồ án tốt nghiệp Hình 8.6 Vỏ tủ điều khiển Dựa vào vẽ thiết bị, chọn tủ có kích thước 500x400x250mm, loại tủ điện form 2a, cấp bảo vệ IP20 Hình 8.7 Sơ đồ mạch động lực 79 Nguyễn Hoàng Hiệp Nguyễn Quang Huy Trần Văn Sang Đồ án tốt nghiệp Hình 8.8 Sơ đồ mạch điều khiển Bảng 8.2 Danh sách ngõ vào, ngõ PLC STT I/O Chức I0.0 Nút khẩn I0.1 Phao nước I0.2 Lỗi đc 1p I0.3 Lỗi đc 3p AI0 Analog input Q0.0 Run đc 1p Q0.1 Run đc 3p Q0.2 Cịi báo AQ0 Analog output 80 Nguyễn Hồng Hiệp Nguyễn Quang Huy Trần Văn Sang Đồ án tốt nghiệp Hình 8.9 Tủ điện mơ hình sau hồn thiện Hình 8.10 Mơ hình hệ thống bơm hoàn thành 81 Nguyễn Hoàng Hiệp Nguyễn Quang Huy Trần Văn Sang Đồ án tốt nghiệp  Sau thời gian kiểm tra, chỉnh sửa vận hành mơ hình chúng em có đánh giá sau - Mơ hình hoạt động tương đối ổn định - Áp suất mô hình đạt khoảng – 2Bar - Dải áp suất cài đặt ổn chạy ổn định để chạy Auto/PID 0.8 - 1.2Bar - Khi chạy chế độ Manual áp suất ống nước thường hay thay đổi dao động nhiều - Khi chạy chế độ auto mơ hình hoạt động ổn định Thời gian xác lập đạt áp suất cài đặt tương đối ngắn Khi đạt áp suất cài đặt, dao động áp suất nhỏ ± 0.02 Bar 82 ... sau - Mơ hình hoạt động tương đối ổn định - Áp suất mô hình đạt khoảng – 2Bar - Dải áp suất cài đặt ổn chạy ổn định để chạy Auto/PID 0 .8 - 1.2Bar - Khi chạy chế độ Manual áp suất ống nước thường... Về kích thước đường ống: D=√ 4