công nghệ cung cấp nước điều khiển theo áp suất trên đường ống

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập - Tự do - Hạnh phúc BÀI TẬP LỚN MÔN: HỆ THU THẬP DỮ LIỆU ĐIỀU KHIỂN VÀ TRUYỀN SỐ LIỆU ĐỀ TÀI: CÔNG NGHỆ CUNG CẤP NƯỚC ĐIỀU KHIỂN THEO ÁP SUẤT TRÊN ĐƯỜNG ỐNG Giảng viên hướng dẫn : Sinh viên thực hiện : Lớp : HÀ NỘI-2013 BÀI TẬP LỚN Trang 1 MỤC LỤC Nội dung BÀI TẬP LỚN Trang 2 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, con người cùng với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến của thế giới, chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn. Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ…là những yếu tố rất cần thiết góp phần cho hoạt động của con người đạt hiệu quả ngày càng cao hơn. Tự động hóa đang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ. Tự động hóa đã đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng của các ngành, lĩnh vực khác nhau cho đến nhu cầu thiết yếu của con người trong cuộc sống hàng ngày. Một trong những sản phẩm tiên tiến của nó là biến tần.Ứng dụng rất quan trọng của ngành công nghệ tự động hóa là việc điều khiển tốc độ động cơ bằng việc thay đổi tần số với độ chính xác rất cao, với những thiết bị điều khiển từ xa rất tinh vi và đạt được năng suất, kinh tế thật cao . Xuất phát từ những ứng dụng đó, chúng em xin phép được thiết kế một mạch ứng dụng của biến tần đó là “xây dựng công nghệ cung cấp nước điều khiển theo áp suất trên đường ống” dùng PLC điều khiển biến tần Đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trong khoa điện đặc biệt là giảng viên TỐNG THỊ LÝ- giảng viên khoa điện trường ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI người đã trực tiếp giảng dạy và cho em kiến thức để hoàn thành đồ án môn học này. Em kính mong cô giáo góp ý để em hoàn thành bài tập lớn này được tốt hơn sau này. Em xin chân thành cảm ơn cô giáo! Sinh viên thực hiện BÀI TẬP LỚN Trang 3 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN 1.1.Đặt vấn đề Sự phát triển của PLC đã đem lại nhiều thuận lợi và làm cho các thao tác máy trở nên nhanh, nhạy, dễ dàng và tin cậy hơn. Nó có khả năng thay thế hoàn toàn cho các phương pháp điều khiển truyền thống dùng relay; khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng và linh hoạt dựa trên việc lập trình trên các lệnh logic cơ bản; giải quyết các vấn đề toán học và công nghệ; Biến tần (Inverter, Variable Speed Drive – VSD) là thiết bị dùng để điều khiển tốc độ động cơ dựa trên sự thay đổi tần số làm việc. Trên thế giới hiện nay, biến tần được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp. Ngoài ý nghĩa về mặt điều khiển, nó còn có nhiều chức năng khác như khởi động mềm, hãm, đảo chiều, điều khiển thông minh… Trong đa số trường hợp, việc sử dụng biến tần còn mang lại hiệu quả kinh tế (tiết kiệm điện năng tiêu thụ). Biến tần được ứng dụng nhiều cho các động cơ có yêu cầu về thay đổi tốc độ như: bơm, quạt, băng tải, thang máy… 1.2. Lý do chọn đề tài Các trạm bơm cung cấp nước với công suất lớn thường được sử dụng trong khu công nghiệp, khu dân cư, các chung cư, khác sạn và tòa nhà cao tầng, hệ thống phân phối nước sạch trong mạng lưới cấp nước sinh hoạt, các trạm cấp nước nông thông… Các trạm bơm nước phổ biến hiện nay đều được thiết kế theo phương pháp truyền thống với đặc điểm là các bơm được khởi động trực tiếp sao/ tam giác và tất cả các động cơ đều hoạt động ở tốc độ định mức. Phương pháp này có nhược điểm chính là tổn hao điện năng lớn và khó kiểm soát được áp suất trong đường ống nước. BÀI TẬP LỚN Trang 4 Trên cơ sở những kiến thức được trang bị trên ghế nhà trường, dựa vào những tính năng ưu việt của PLC và biến tần. Em xin được lựa chọn đề tài “Điều khiển và giám sát hệ thống bơm ổn định áp suất” với những chức năng cơ bản giống với một hệ thống biến tần đa bơm. 1.3. Mục tiêu của đề tài Mục tiêu của đề tài là ổn định áp suất trong đường ống ở một ngưỡng đặt trước thông qua sự điều khiển của PLC đối với biến tần, hệ thống bơm dựa trên tín hiệu mà cảm biến áp suất trong đường ống đưa về. 1.4. Giới hạn nghiên cứu của đề tài Do kiến thức, thời gian, kinh nghiệm thực tế, còn hạn chế nên đề tài chỉ được thực hiện dưới dạng thiết kế một mô hình với 2 bơm có công suất nhỏ, áp suất đặt trong đường ống không lớn (0 – 1 bar). 1.5. Ý nghĩa khoa học thực tiễ của đề tài Điều khiển tự động là xu thế phát triển tất yếu trong các lĩnh vực công nghiệp cũng như sinh hoạt bởi những ưu điểm vượt trội của nó. Ở các hệ thống điều khiển tự động có quy mô vừa và lớn thì PLC được sử dụng làm thiết bị điều khiển cho toàn hệ thống. Kết hợp xây dựng một hệ thống điều khiển tự động với các thiết bị điện tử công suất có ý nghĩa khoa học lớn trong việc xây dựng một hệ thống tự động hoàn chỉnh cả về chức năng lẫn hiệu quả kinh tế. Đề tài “ Điều khiển và giám sát hệ thống bơm ổn định áp suất ” xây dựng mô hình kết hợp PLC với biến tần để ổn định áp suất nước trong đường ống một cách tối ưu nhất. Về mặt thực tiễn, đề tài đi theo hướng phát triển mới cho các hệ thống cung cấp nước cho các tòa nhà, khu dân cư…, khắc phục được các nhược điểm trong hệ thống cung cấp nước cũ. BÀI TẬP LỚN Trang 5 BÀI TẬP LỚN Trang 6 CHƯƠNG II: TRẠM BƠM CẤP NƯỚC 2.1. Thực trạng và nhu cầu thực tế Do nhu cầu sử dụng nước của các hộ tiêu thụ nước (cơ quan, gia đình, nhà hàng,…) rất khác nhau trong những thời điểm của ngày (cao điểm và thấp điểm tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng nước của hộ tiêu thụ), yêu cầu đặt ra là phải giải quyết được việc tự động ổn định áp suất trên đường ống cấp nước và tiết kiệm năng lượng cho hệ thống. 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 một số bất lợi sau: - Áp lực nước trong hệ thống đôi khi tăng quá cao không cần thiết, một 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. - Các bơm phải chạy liên tục dẫn đến giảm tuổi thọ cơ khí. 2.2. Vấn đề điều khiển lưu lượng Các trạm bơm nước phổ biến hiện nay đều được thiết kế có tối thiểu 2 bơm, cùng cấp nước vào một đường ống chính. - Các bơm được khởi động trực tiếp hoặc sao/tam giác và tất cả các động cơ đều hoạt động ở tốc độ định mức. - Trong quá trình trạm bơm hoạt động, thường luôn luôn để một bơm ở chế độ dừng (mang tính dự phòng). - Thay đổi góc mở các van (van tay hoặc van điện) trong trường hợp sự thay đổi áp lực ở khoảng cho phép. - Trường hợp áp lực vẫn thiếu hoặc thừa ta có thể ngắt hoặc đóng thêm bơm (có thể là một hoặc nhiều bơm). BÀI TẬP LỚN Trang 7 - Việc thay đổi áp suất trên đường ống bằng valve hay tắt/mở các bơm có các nhược điểm: - Các bơm vẫn chạy đầy tải và liên tục, điều này gây lãng phí năng lượng điện vì có những thời điểm nhu cầu sử dụng nước - giảm xuống thì bơm chỉ cần chạy - 50 ÷ 60 % công suất là đã đáp ứng được. - Việc vận hành khó khăn và tốn chi phí nhân công vì phải cần công nhân vận hành trực tiếp điều khiển góc mở valve hoặc tắt mở bơm. - Các bơm phải chạy liên tục dẫn đến giảm tuổi thọ phần cơ khí. - Khi thay đổi hệ thống hoặc nhu cầu sử dụng nước tăng lên, chi phí đầu tư sẽ tăng lên - do phải tăng số lượng bơm. - Khó kiểm soát áp lực nước làm ảnh hưởng tuổi thọ của đường ống, ảnh hưởng tuổi thọ các mối nối. 2.3. Điều khiển áp suất trên đường ống bằng biến tần a. Nguyên lý làm việc Quá trình điều khiển chủ yếu được thực hiện từ PLC. PLC nhận tín hiệu analog từ cảm biến áp suất (được gắn trên đường ống chính) đưa về, sau khi PLC sử lý tín hiệu đó bằng logic, PLC sẽ ra quyết định điều khiển biến tần bằng tín hiệu analog ở ngõ ra; biến tần sẽ tự động thay đổi tần số theo tín hiệu analog đó, từ đó thay đổi tốc độ bơm, vì thế việc khống chế áp lực trên đường ống trở nên dễ dàng hơn nhiều. Khi nhu cầu sử dụng nước cao, thì biến tần sẽ tự động điều khiển động cơ quay ở tốc độ cao để duy trì áp suất. Ngược lại khi nhu cầu sử dụng nước thấp, cần áp lực thấp, biến tần sẽ điều khiển động cơ giảm tốc độ xuống hoặc dừng hẳn. Khi đó năng lượng điện được tiết kiệm. BÀI TẬP LỚN Trang 8 Nguyên lý hệ thống bơm điều áp b. Ưu điểm của phương pháp dùng biến tần cho hệ thốngbơm điều áp So với phương pháp truyền thống, phương pháp dùng biến tần cho hệ thống bơm điều áp có những ưu điểm: - Việc điều chỉnh áp lực trên đường ống hoàn toàn tự động, tiết kiệm được chi phí nhân công. - Hệ thống bơm được điều khiển hoàn toàn tự động, tốc độ bơm có thể thay đổi một cách linh hoạt. - Áp suất toàn hệ thống không đổi với mọi lưu lượng. - Dòng khởi động được hạn chế sẽ không gây sụt áp khi khởi động, giảm tổn hại cho động cơ về mặt cơ khí, cho hệ thống truyền động cũng như về mặt điện. - Tiết kiệm năng lượng khi nhu cầu xử dụng thay đổi nhiều. - BÀI TẬP LỚN Trang 9 CHƯƠNG III:THIẾT BỊ VÀ PHẦN MẾM SỬ DỤNG 3.1.Sơ đồ tổng quan Một số thiết bị được dùng: • PLC S7-200 • Module EM235 • Biến tần MM440 • Truyền thông RS485 BÀI TẬP LỚN Trang 10 [...]... 1được điều khiển bằng biến tần sẽ được khởi động chạy cho tới khi đạt được áp suất đặt, khi áp suất trong đường ống đã bằng áp suất đặt thì biến tần sẽ giữ ổn định tốc độ của máy bơm này Trường hợp tải thay đổi tức là áp suất thay đổi, tùy theo tải tăng hay giảm thì Biến tần sẽ điều khiển máy bơm chạy nhay hay chạy chậm Khi tải tăng tức là áp suất sẽ giảm, lúc này muốn ổn định áp suất thì Biến tần sẽ điều. .. Chính sẽ tự động điều chỉnh tốc độ liên tục để đảm bảo duy trì đúng áp suất đặt Khi áp suất đặt thấp hơn áp suất thực tế thì quá trình sẽ diễn ra theo trình tự ngược lại: bơm Chính giảm dần tốc độ cho đến khi xuống đến tốc độ tối thiểu 0Hz mà áp suất vẫn cao thì hệ thống điều khiển sẽ tắt bơm Phụ khi đó chỉ chạy duy nhất bơm chính để áp ứng yêu cầu 4.3.Sơ đồ đấu dây 4.4 Lập trình trên S7-200 Chương... đồ khối Quá trình điều khiển chủ yếu được thực hiện từ PLC PLC nhận tín hiệu analog từ cảm biến áp suất (được gắn trên đường ống chính) đưa về, sau khi PLC sử lý tín hiệu đó bằng logic, PLC sẽ ra quyết định điều khiển biến tần bằng tín hiệu analog ở ngõ ra; biến tần sẽ tự động thay đổi tần số theo tín hiệu analog đó, từ đó thay đổi tốc độ bơm, vì thế việc khống chế áp lực trên đường ống trở nên dễ dàng... biến tần để điều khiển trạm bơm gồm 2 bơm như sau: BÀI TẬP LỚN Trang 27 Nguyên lý làm việc của hệ thống: Với mô hình sử dụng biến tần để điều khiển trạm bơm gồm 2 bơm như trên, để 2 bơm hoạt động theo một áp lực đặt nhất định (X bar) thì ta sẽ điều khiển hệ thống bơm theo kiểu Chính/phụ dùng biến tần tức là ở đây sẽ chọn bơm số 1 là bơm Chính, bơm số 2 và là bơm phụ Khi khởi động hệ thống lên thì máy... này muốn ổn định áp suất thì Biến tần sẽ điều khiển máy bơm chạy nhanh hơn ( tức là tăng tần số của máy bơm 1) cho tới khi đạt được áp suất đặt Ngược lại, khi tải giảm thì Biến tần sẽ giảm tần số của máy bơm xuống cho tới khi đạt được áp suất đặt BÀI TẬP LỚN Trang 28 Nếu khi bơm Chính đạt tốc độ tối đa 50Hz mà không áp ứng đủ áp lực đặt thì hệ thống điều khiển tiến hành khởi động bơm Phụ chạy với tốc... trở nên dễ dàng hơn nhiều - Bộ điều khiển PLC: CPU 224 AC-DC-Relay và Module Analog EM 235 của Siemens, Module Analog EM 235 dùng để nhận tín hiệu từ cảm biến áp suất chuyển đổi tín hiệu đưa về PLC để xử lý, sau khi xử lý xong thì Modul Analog EM 235 sẽ nhận tín hiệu từ PLC để điều khiên biến tần MM440 - Cảm biến áp suất Sensys 0~3.5 bar ngõ ra 4-20mA đo áp suất đường ống và chuyển đổi để đưa về CPU... một hệ điều khiển tự động Với đề tài này ta sử dụng cảm biến áp suất Sensys M5156-10286X-3.5BG BÀI TẬP LỚN Trang 22 • • • Dải áp suất: 0 ~ 3.5 bar Ngõ ra: 4~20mA Kiểu nối cáp: Mini • • • • • Pressure port: PT1/4" Nhiệt độ hoạt động: -40~125℃ Thân vỏ thép không gỉ Chịu rung 20G, 20~200Hz Giá: 1.890.000N VNĐ Xuất xứ: Korea DIN43650 Nguyên lý làm việc chung của các loại cảm biến áp suất là dựa trên cơ... toán điều khiển Sau khi đưa tín hiệu từ cảm biến áp suất về ngõ vào AIW0 của EM235, viết chương trình điều khiển PID để xuất tín hiệu ra ngõ ra EM235 là AQW0 để điều khiển biến tần EM235 xuất giá trị ±10VDC được đưa vào ngõ vào analog của biến tần Chương trình con cài đặt bộ PID BÀI TẬP LỚN Trang 30  Định ngõ vào ra Địa chỉ I0.0 Kí hiệu Start Chức năng Mở nguồn cho hệ thống I0.1 Stops Tắt nguồn hệ thống... Mở nguồn cho hệ thống I0.1 Stops Tắt nguồn hệ thống AIW0 AIW0 Đầu vào Analog Q0.0 Đèn Run Đèn báo hệ thống đang hoạt động Q0.1 Đèn Stop Đèn báo hệ thống đang dừng Q0.2 Biến tần Công tắc tơ điều khiển biến tần khởi động Q0.3 Bơm phụ Công tắc tơ điều khiển bơm phụ hoạt động AQW0 AIQ0 Đầu ra Anolog điều khiển biến tần Địa chỉ các thông số cho bộ PID VD100 VD104 VD108 BÀI TẬP LỚN Giá trị đặt PV (nằm trong... thì chế độ làm việc của máy cũng khác nhau b Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha - Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số - Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực - Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp - Điều chỉnh tốc độ bằng cách ghép thêm điện trở phụ vào mạch rôto - Điều chỉnh tốc độ bằng nối cấp  Ưu điểm của động cơ không đồng bộ 3 pha Động cơ không . thiết kế một mạch ứng dụng của biến tần đó là “xây dựng công nghệ cung cấp nước điều khiển theo áp suất trên đường ống dùng PLC điều khiển biến tần Đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn. thống, phương pháp dùng biến tần cho hệ thống bơm điều áp có những ưu điểm: - Việc điều chỉnh áp lực trên đường ống hoàn toàn tự động, tiết kiệm được chi phí nhân công. - Hệ thống bơm được điều. sử dụng nước của hộ tiêu thụ), yêu cầu đặt ra là phải giải quyết được việc tự động ổn định áp suất trên đường ống cấp nước và tiết kiệm năng lượng cho hệ thống. Để áp ứng nhu cầu áp lực nước trong