viết chương trình giám sát hệ thống nhiều máy nén khí ứng dụng thiết bị logic khả trình plc s7-200

Theo nguyên lí làm việc , gồm có : + Máy nén thể tích : Trong máy này áp khí tăng do nén cỡng bức nhờgiảm thể tích dãn cách không gian làm việc , loại này có máy nén pittong,máy nén rôto

chơng I:

tổng quan về máy nén

1.1 kháI niệm chung

Khí nén có nhiều công dụng :là nguyên liệu sản xuất (trong công nghiệphoá học),là tác nhân mang năng lợng (khuấy trộn tạo phản ứng),là tác nhân mang tín hiệu điều khiển (trong kĩ thuật tự động bằng khí nén ),là nguồn

động lực ,cấp hơI khí cho kích,tua bin…

Nguồn cấp khí nén là máy nén khí Máy nén là máy để nén khí với cơ

số tăng áp ε > 1,15 và có làm lạnh nhân tạo ở nơi xảy ra quá trình nén khí.Công dụng của máy nén khí là nén khí và di chuyển khí nén đến nơi tiêu thụtheo hệ thống ống dẫn

1.1.1 Phân loại máy nén khí [1]

a Theo nguyên lí làm việc , gồm có :

+ Máy nén thể tích : Trong máy này áp khí tăng do nén cỡng bức nhờgiảm thể tích dãn cách không gian làm việc , loại này có máy nén pittong,máy nén rôtor (cánh trợt , bánh răng …)

+ Máy nén động học : Trong máy này áp khí tăng do đợc cấp độngnăng cỡng bức nhờ có cơ cấu làm việc , loại này có máy nén li tâm, máy nénhớng trục

b Theo áp suất có :

+ Máy nén áp suất cao

+ Máy nén áp suất trung bình

+ Máy nén áp suất thấp

f Theo cấu tạo

0-30000 0-6000 0-30000 6000-300000 6000-900000 Rất lớn

) (

+ Công suất của máy nén (N) : là công suất tiêu hao để nén và truyềnkhí

Ngoài ra máy nén còn có các thông số về hiệu suất máy nén, về khínén (nhiệt độ, áp suất khí vào ra, lí tính và hoá tính của khí với các thông sốkhí đặc trng)

1.1.3 Đặc tính của máy nén [1]

a)Máy nén pittông:là loại máy nén thể tích Tuỳ theo áp suất làm việc chia

ra:máy hút chân không ,máy nén áp suất thấp (<10 at),áp suất trung bình(10-100 at)và áp suất cao (>100 at)

Hình 1-1:Sơ đồ của máy nén pittong và đồ thị chu trình

nén lý thuyết

Một chu kì làm việc của máy nén gồm các giai đoạn:hút,nén và đẩy khí (hình 1-1)và đờng biểu diễn một chu trình nén về lí thuyết gồm:đờng hút 1-2với áp suất vào pv không đổi,đờng nén 2-3 tăng áp suất cỡng bức từ pv lên pr

và đờng đẩy 3-4 với áp suất ra pr không đổi

Công tiêu hao cho một chu trình lí thuyết biểu thị bởi diện tích 1-2-3-4-1bao gồm:

-Công hút khí (âm) biểu thị bởi diện tích 0-2’-2-1-0

dấu (-) là do thể tích giảm khi nén

-Công đẩy khí (dơng) biểu thị bởi diện tích 3-4-0-3’-3

p

p T

R vdp

3

2  

 [J/kg] (1-4)trong đó :R-hằng số khí (lí tởng),R=8,31.103 J/kmol.0K

3 2

k k

v

r t

p T R k

k vdp W

 [J/kg] (1-5)Trong đó :k-chỉ số đoạn nhiệt khí (lí tởng),là tỉ số giữa nhiệt dung đẳng áp và

đẳng tích của khí

v

p C

n v

r t

p T R n

n vdp W

 [J/kg] (1-6)Trong đó: n-chỉ số đa biến

Hình 1-2:Đồ thị chu trình (lí thuyết)máy nén với các chỉ số

đa biến khác nhau

Khi giá trị n=1 hay n=k ,ta có quá trình đẳng nhiệt hay đoạn nhiệt.Với cácgiá trị khác nhau của n,công và đồ thị chu trình cũng khác nhau

Các máy nén đều thực hiện chu trình nén khí thực nên công thực cũng lớnhơn công tính cho chu trình lí tởng

Hình (1-3) cho đồ thị của một chu trình thực Trong chu trình thực ,khipittong đổi chiều bắt đầu chu kì mới thì giai đoạn hút không xảy ra ngay mà

có giai đoạn giãn (da),đờng hút và đờng đẩy không thẳng (không đẳng áp)và

có đờng cực tiểu (đờng hút) và cực đại (đờng đẩy),các điểm bắt đầu và kếtthúc giai đoạn hút và đảy không nằm trên đờng áp suất trong ống hút và

đẩy…

Có sự khác nhau gia chu trình thực và lí tởng là do:

-Xi lanh có một phần thể tích vô ích VH giữa pittong (ở vị trí chết cuốiquá trình đẩy) và xi lanh (gọi là khoảng hại VH ) nên giai đoạn hút chỉ bắt

đầu khi áp suất khí nén còn lại trong VH giảm xuống bằng áp suất hút Do

vậy,thể tích khí hút đợc (Vh)bị giảm Mặc dù thể tích xi lanh Vx và thể tíchquét VQ=Vx-VH lớn.

Hình 1-3:Đồ thị một chu trình nén khí thực

-Xu páp có trở lực (chủ yếu do lực lò xo )nên giai đoạn hút và đẩy chỉ xảy

ra khi áp suất khí trong xi lanh nhỏ hơn áp suất pv trong ống hút và cao hơn

áp suất pr trong ống đảy Trở lực xu páp thay đổi theo cả khoảng dời pittongvì vận tốc khí thay đổi và nó có giá trị lớn nhất khi xu páp bắt đầu mở Do đócác đờng hút và đảy không thẳng Do trở lực xu páp mà công tiêu hao củamáy nén khí tăng lên

-áp suất trong ống hút và ống đảy dao động theo vị trí pittong gây rachuyển động không ổn định của dòng khí

-Khi khí bị hút vào xi lanh ,khí thu nhiệt vì nhiệt độ thấp hơn thành xilanh Đầu giai đoạn nén ,khí vẫn thu nhiệt từ xi lanh (n > k).Trong giai đoạnnén tiếp ,khí tăng nhiệt độ dần và tới lúc nào đó ,khí có nhiệt độ bằng xi lanh(n = k) rồi sau đó cao hơn và cấp nhiệt cho xi lanh (n < k) Vậy trong giai

đoạn nén ,chỉ số đa biến giảm từ n >k đến n < k

Trong giai đoạn đảy ,khí vẫn cấp nhiệt cho xi lanh

Trong giai đoạn giãn ,chỉ số đa biến tăng từ n < k đến n > k

-Do có khí dò qua xu páp ,xéc măng ,nên đờng cong nén thoảI hơn và ờng cong giãn dốc hơn Do đó chỉ số đa biến của đờng cong nén sẽ thấp hơn

đ-và của đờng cong dãn sẽ cao hơn chỉ số đa biến khi không có rò khí

Do trong máy nén có khoảng hại VH nên tỉ số nén

v

r p

p



 bị hạn chế ờng hợp cần tỉ số nén cao ,ngời ta dùng cách nén nhiều cấp,có làm lạnh đẳng

.Tr-áp trung gian

Tơng quan giữa số cấp phù hợp và tỉ số nén của các máy nén cho ở bảng 1-2:

Số cấp z 1 2 3 4 5 6 7

Tỉ số nén 7 5-30 13-150 35-400 150-1000 200-1100 450-1100

Các máy nén pittong có giảI năng suất từ vài m3/ph đến 100m3/ph, áp suất

ra từ vài át đến 300 at và công suất từ vài kw đến 2000 kw

b)Máy nén rotor :là loại máy nén thể tích

Hình (1-4) biểu thị một loại rotor máy nén cánh trợt.Máy có vỏ hình trụ 4

và nắp 9 có nớc làm lạnh Rotor 7 lắp vào trục 6 đặt lệch tâm trong vỏ Rotor

có nhiều khe trong đó có các tấm chuyển động 8 (cánh trợt) bằng thép dày0,8 2,5 mm

Khi rotor quay theo chiều mũi tên ,các cánh trợt văng ra ,ép vào thànhtrong của 2 vòng gang tự do 3 và kéo chúng cùng quay ,các tấm trợt chiakhông gian làm việc hình lỡi liềm thành các phòng nhỏ mà thể tích bị giảmdần theo chiều quay từ phía hút sang phía đảy.ổ đỡ trục 2 đợc bịt kín bằngbạc nhẵn 1.Phía đảy có xu páp một chiều

Các máy nén cánh trợt tạo đợc áp suất tới 4at và năng suất tới 1604000

m3/h

Hình 1-4:Máy nén rotor cánh trợt

c)Máy nén ly tâm :là loại máy nén động học

Đối với áp suất nhỏ ,ngời ta dùng tua bin thổi khí một cấp Loại này tạo

áp suất không quá 0,15at Về bản chất đó là quạt cao áp

Đối với áp suất 1,34at, có tua bin thổi khí nhiều cấp

Đối với áp suất 4 10at hay hơn ,có máy nén tua bin

Máy nén li tâm có hiệu suất thấp hơn máy nén pittong nhất là khi năngsuất máy nhỏ và áp suất cần cao ( nén nhiều cấp)

Do kết cấu đơn giản ,kích thớc và khối lợng nhỏ ,nối trực tiếp đợc với

động cơ,khí nén ra liên tục ,đều ,không bị bẩn bởi dầu bôi trơn (nh ở máy

nén thể tích) nên máy nén li tâm ,mặc dù hiệu suất thấp ,vẫn đợc sử dụngrộng rãi ở dải năng suất cao hơn 100m3/ph và áp suất nhỏ hơn 12at.

1.2 yêu cầu về trang bị điện cho máy nén [1]

Máy nén không đòi hỏi về thay đổi tốc độ,trừ trờng hợp đặc biệt.Dovậy ,với máy nén có năng suất dới 10m3/ph thờng kéo bằng động cơ không

đồng bộ Nếu lới điện khoẻ ,có thể mở máy trực tiếp với động cơ rotor ngắnmạch.Nếu lới điện yếu thì dùng động cơ rotor dây quấn,mở máy gián tiếpqua điện trở mở máy Trong cả hai trờng hợp thì momen mở máy không nhỏhơn 0,4Mđm và momen cực đại không quá 1,5Mđm

Máy nén có năng suất lớn hơn 20m3/ph thờng kéo bằng động cơ không

đồng bộ Trờng hợp này cần momen mở máy không dới 0,4Mđm và momenkhi kéo vào đồng bộ không dới 0,6Mđm Động cơ đồng bộ kéo máy nénpittong thờng đóng trực tiếp vào lới

Máy nén tua bin (turbocompressor)cũng dùng động cơ đồng bộ để truyền

động Nếu công suất lớn (vài ngàn kW)thì mở máy qua cuộn kháng hoặcbiến áp tự ngẫu Điện áp mở máy ban đầu đặt vào động cơ khoảng 0,64Uđm Tính công suất động cơ truyền động máy nén có thể theo công thức

2 102

600

a i td k

L L Q

Trong đó: Q-năng suất máy nén [m3/ph]

k-hiệu suất máy nén , k=0,5 0,8;

td-hiệu suất bộ truyền;truyền đai thì td=0,85

Li,La-công nén đẳng nhiệt và đoạn nhiệt (kGm)

La 12.900 17.100 20.500 23.500 26.100 28.600 30.700 32.700

1.3 tự động khống chế máy nén [1]

Để đảm bảo cấp khí nén hợp lí cho các thiết bị tiêu dùng máy nén phải

đợc tự động khống chế nhằm thoả mãn 2 điều kiện chính :

- Đảm bảo lu động tiêu thụ

- Đảm bảo áp suất khí yêu cầu, thờng giới hạn  ( 8-10 %) áp suấtyêu cầu Ngoài ra khí nén còn phải đợc đảm bảo về chất lợng nh độ ẩm, sạchtheo yêu cầu riêng

…

Máy nén khí thờng kèm theo các bộ lọc và bình chứa khí với mục đích :

- Điều hoà lu lợng, áp suất, khử các xung áp trong kênh tiêu thụ đốivới máy nén piston

- Làm việc dễ dàng việc điều chỉnh giới hạn cực đại hoặc cực tiểu của

áp suất, hạn chế tới giá trị có thể của tần suất mở máy động cơ lai

- Tránh các sụt áp đột ngột của khí khi có tiêu thụ đột ngột trong mộtthời gian ngắn ( nh phanh khí nén, chuyển động của kích khí có piston lớn)

…

- Làm mát khí nén và ngng tụ hơi nớc, tạp chất …

Đối với thiết bị dới 10KW ngời ta thờng dùng tiếp điểm áp khí đảmbảo dừng động cơ khi bình chứa áp suất (đặt) cực đại và chạy lại động cơ khi

điều hành tiếp điểm áp khí lấy từ bình chứa, thờng tiếp điểm áp khí đóngmạch cho động cơ khi p  9-10 bar và ngắt mạch động cơ khi p  2-3 bar

Đối với thiết bị trên 10KW ngời ta thờng dùng cơ cấu điện khí, khi áp

kế đạt giá trị cực đại, tiếp điểm áp kế mở ra và động cơ dừng Bình thờng van

điện không hút và đờng xả khí đóng kín Khi áp suất giảm tới giá trị cực tiểu,tiếp điểm áp kế sẽ đóng lại do lực lò xo điều chỉnh áp suất Động cơ mở máy

kéo máy nén Van điện đợc cấp điện 5-6s để mở cửa xả, giảm tải cho độngcơ khi mở máy

1.4 cấu trúc tổng quát của hệ thống khí nén sử dụng máy nén piston

+Trục khuỷu

Nối các tay biên 2 nối với pit tông 3 chuyển dộng trong xi lanh 4.Cáckhớp nối này phảI đợc bôi trơn bằng dầu nhờn áp suất bôi trơn thông thờngtạo ra bằng bơm độc lập

+Các-te của máy nén đồng thời là bệ máy

-áp suất nớc làm mát

Pnớc vào :đo áp suất (đo3)

Tín hiệu đo áp suất dùng để báo động áp suất nớc làm mát máy nén

-Đầu ra của nớc làm mát :đo nhiệt độ nớc làm mát (đo2) :báo trạng thái bìnhthờng hoặc báo cao

-Ap suất dầu bôi trơn (đo1) là thông số điều khiển máy nén quan trọngnhất.Thông thờng nó đợc thiết kế đo ở các mức:

-Cho phép hoạt động

-Dừng máy nén

Đồng thời các tín hiệu này đợc đa đến để báo động

+Các đầu ra (cửa đẩy của pittong) thờng đợc nối bởi van một chiều Trongquá trình hoạt động cửa đẩy của máy nén có hai thông số cần đợc bảo vệ:

- áp suất lớn nhất

- bảo vệ nhiệt độ đầu đẩy

+Đo đầu góp chung (đo6) hai thông số

- áp suất

- nhiệt độ Đa đến mức điều khiển và báo động

+Đo 4 :đo mức và nhiệt độ dầu nhờn ở các te.Tín hiệu này dùng để chỉ báo

và báo động trạng thái của dầu trong các-te

+Trớc khi nạp khí nén vào bình khí Khi máy nén hoạt động các van y1 và y2lắp song song với nhau làm hai chức năng cơ bản trong hệ thống khí nén:

- Trong thời gian khởi động ,các cuộn hút đợc cấp điện để nối đầu gópchung với máy tính bên ngoài để giảm tải cho máy nén (8 đến 20giây)

- Giai đoạn đầu của quá trình khởi động máy nén mở hai van ra nhằmthổi nớc trong đờng khí ra ngoài

+Bình khí nén (chai gió) :Phải đợc cấp chứng chỉ

chơng II:

thiết kế hệ thống điều khiển khởi động động cơ trong hệ

thống máy nén khí nhiều máy nén

2.1 Giới thiệu chung về hệ thống máy nén khí

Hiện nay do yêu cầu kích thớc gọn nhẹ, độ tin cậy cao nên tự động hoá là

xu hớng phát triển chung trong thực tế chế tạo và vận hành máy nén Trongcác hệ thống máy nén khí, tự động hoá nhằm đạt đợc các mục đích và yêucầu sau đây :

- Giảm bớt hoặc giảm hẳn sự phục vụ của con ngời đối với hoạt độngcủa hệ thống

- Nâng cao tính kinh tế, tính an toàn, độ tin cậy và tuổi thọ của hệthống

Việc tự động hoá hệ thống máy nén khí đợc chia thành các nhóm, tuỳ theo nhiệm vụ và chức năng của các thiết bị nh sau :

1 Tự động kiểm tra, báo hiệu khi hệ thống gặp sự cố

2 Tự động điều chỉnh, duy trì mức khí nén cần thiết

3 Tự động bảo vệ hệ thống

4 Tự động điều khiển các chức năng liên quan

Dựa trên các tiêu chí trên ta xây dựng một hệ thống máy nén khí gồm 3 máy nén với yêu cầu duy trì mức khí nén đủ cung cấp cho các hộ tiêu thụ khi nhu cầu sử dụng có sự thay đổi liên tục hoặc không liên tục

Dới đây là sơ đồ mạch động lực của hệ thống máy nén khí gồm 3 máy nén Việc đo các thông số của các máy nén đợc đo bằng các đồng

hồ,cảm biến đặt trên máy nén và các đờng dẫn khí Để phục vụ cho việc giám sát các thông số đợc đo này đợc biến đổi thành tín hiệu đa đến các thiết bị điều khiển logic khả trình nh PLC.

2.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển khởi động động cơ lai trong hệ thống máy nén gồm ba máy nén (động cơ khởi động sao/tam giác)

- Đ1 :đèn báo máy một đợc cấp nguồn

- Đ2 :đèn báo máy hai đợc cấp nguồn

- Đ3 :đèn báo máy ba đợc cấp nguồn

- Đ4 :đèn báo cần một máy hoạt động

- Đ5 :đèn báo cần hai máy hoạt động

- Đ6 :đèn báo cần ba máy hoạt động

2.2.2 sơ đồ điều khiển

chơng III:

chơng trình điều khiển bằng plc

3.1 Giới thiệu chung [3]

PLC ,viết tắt của Programmable Logic Control ,là thiết bị điều khiểnlogic lập trình đợc,hay khả trình ,cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán

điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình

Từ khi PLC ra đời nó đã đem lại nhiều thuận tiện và làm cho thao tác

máy trở nên nhanh nhẹn, dễ dàng và tin cậy, nó đã từng bớc phát triển tiếp cận theo các nhu cầu của sự phát triển công nghệ Trong thiết bị chấp hành

có thể đợc nối trực tiếp với PLC Chơng trình chỉ ra các phơng thức hoạt

động đợc viết trực tiếp vào bộ nhớ Khi có sự thay đổi nào đó trong cấu trúc

điều khiển ta chỉ cần thay đổi chơng trình trong bộ nhớ

S7-200 là thiết bị điều khiển logic khả trình loại nhỏ của hãng Siemens

(Cộng hoà liên bang Đức),có cấu trúc theo kiểu modul và có các modul mở

rộng.Các modul này đợc sử dụng cho nhiều những ứng dụng lập trình khác nhau

Trong bài thiết kế này ta sẽ sử dụng phơng pháp hình thang (Ladder

Logic viết tắt thành LAD) để lập trình cho S7-200

LAD là một ngôn ngữ lập trình bằng đồ hoạ.Những thành phần cơ bảndùng trong LAD tơng ứng với các thành phần của bảng điều khiển bằng rơ-le.Mạng LAD là đờng nối các phần tử thành một mạch hoàn thiện ,đi từ đờngnguồn bên tráI sang đờng nguồn bên phải.Đờng nguồn bên trái là dây

nóng ,đờng nguồn bên phảI là dây trung hoà (neutral ) hay là đờng trở về

nguồn cấp.Dòng điện chạy từ trái qua các tiếp điểm đóng đến các cuộn dây hoặc trở về bên phải nguồn

3.2 Chơng trình điều khiển

3.2.1 Khối thuật toán xác định số lợng máy nén đang hoạt động

Chức năng : Xác định số máy nén đang hoạt động trong trạm nén Sơ đồ khối :

+ Tín hiệu vào của khối

a1, a2, a3 : Lấy từ tiếp điểm phụ của contactor cấp nguồn cho các độngcơ

a1 = 1 : Máy nén 1 đã đợc cấp nguồn hoạt động

a1 = 0 : Máy nén 1 cha đợc cấp nguồn hoạt động

a2 = 1 : Máy nén 2 đã đợc cấp nguồn hoạt động

a2 = 0 : Máy nén 2 cha đợc cấp nguồn hoạt động

a3 = 1 : Máy nén 3 đã đợc cấp nguồn hoạt động

a3 = 0 : Máy nén 3 cha đợc cấp nguồn hoạt động

+ Tín hiệu ra của khối :các tín hiệu này sẽ đợc đa tới công-tắc-tơ cótiếp điểm cấp điện cho đèn báo

b1 = 1 : Có 1 máy đang hoạt động

b1 = 0 : Có số máy đang hoạt động khác 1 máy

b2 = 1 : Có 2 máy đang hoạt động

b2 = 0 : Có số máy đang hoạt động khác 2 máy

b3 = 1 : Có 3 máy đang hoạt động

b3 = 0 : Có số máy đang hoạt động khác 3 máy

Từ các điều kiện trên ta có bảng sự thật sau :

1 a.a a a a a a a a

3 2 1 3 2 1 3 2 1

2 a a a a a a a a a

3 2 1

3 a a a

3.2.2 Khối thuật toán xác định số lợng máy nén cần thiết

Trạm khí nén gồm 3 máy nén, trạng thái hoạt động của các máy nénnày phụ thuộc vào mức độ của các hộ sử dụng yêu cầu cung cấp Trong một

số trờng hợp, nh tất cả các hộ sử dụng cùng lúc, hoặc hình thành thêm hộ sửdụng thì một máy nén chạy là không đủ đòi hỏi phải có thêm các máy nénkhác cùng hoạt động, them chícả ba máy đều hoạt động cung lúc mới có thể

đáp ứng đợc theo yêu cầu của hộ sử dụng

Ta sẽ xây dựng thuật toán khối để giải quyết bài toán trên