Nghiên cứu khái quát về hệ thống bơm chất lỏng tăng áp 2 cấp thiết kế điều khiển tự động cho trạm có nhiều bơm tăng áp 2 cấp

Đồ án trang bị điện - điện tử máy công nghiệp dùng chung CHƯƠNG1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG BƠM CHẤT LỎNG Giới thiệu chung hệ thống bơm Khái niệm chung Bơm loại máy thủy lực dùng để hút chất lỏng từ nơi đến nơi khác Chất 1.1 1.1.1 - lỏng dịch chuyển đường ống nên bơm phải tăng áp suất lỏng đầu đường ống để thắng trở lực đường ống thắng hiệu áp suất hai đầu đường ống Năng lượng bơm cấp cho chất lỏng lấy từ động điện từ nguồn động - lực khác (máy nổ, máy nước…) Điều kiện làm việc bơm khác ( nhà, trời, nhiệt độ v.v….) bơm phải chịu tính chất lý hóa chất lỏng vận chuyển 1.1.2 Phân loại Phân loại bơm có nhiều cách a Phân loại theo nguyên lý làm việc hay cách cấp lượng,có - loại bơm Bơm thể tính: bơm loại làm việc thể tích không gian làm việc thay đổi nhở chuyển động tịnh tiến pittông, hay nhờ chuyển động quay roto Kết áp suất chất lỏng tăng lên nghĩa bơm cung cấp áp - cho chất lỏng Bơm động học: loại này, chất lỏng cung cấp động từ bơm áp suất tăng lên Chất lỏng qua bơm, thu động nhờ va đập cánh quạt ( bơm li tâm, bơm vít xoắn, bơm sục khí) nhờ tác dụng trương điện từ ( bơm điện từ) hay trường lực khác b Phân loại theo cấu tạo - Bơm cánh quạt loại bơm này, bơm ly tâm chiếm đa số thường gặp bơm nước - Bơm pittông ( bơm dầu , bơm nước) - Bơm roto ( bơm dầu, hóa chất, bùn…….) Thuộc loại có bơm bánh răng, bơm cánh trượt… Ngồi ra, cịn có loại đặc biệt bơm màng cánh ( bơm xăng), bơm phun tia tạo chân không bơm lớn nhà máy nhiệt điện)… 1.1.3 Sơ đồ phần tử hệ thống bơm Các phần tử giới thiệu hình (1) Đồ án trang bị điện - điện tử máy công nghiệp dùng chung 10 12 11 Hình1:sơ đồ cấu trúc máy bơm Bơm hút chất lỏng từ bể hút qua lọc 3, qua ống hút 5, qua van 6, van đẩy chất lỏng qua ống đẩy vào bể chứa Động lai dùng để quay bơm 2, 11 đồng hồ thị cửa hút 12 đồng hồ thị cửa đẩy Các thông số bơm Cột áp H: lượng tăng lượng riêng cho đơn vị trọng lượng 1.1.4 - chất lỏng chảy qua bơm Cột áp thường tính mét cột chât lỏng tính đổi áp suất bơm P = γH = pgH Trong : γ khối lượng riêng chất lỏng bơm (N/m3) p khối lượng riêng chất lỏng ( kg/m3) g gia tốc trọng trường ( 9,81 m/s2) Trở tùy lực (tổn thất lượng đơn vị ) ống hút ∑h h ống đẩy ∑ hd - Độ chênh lệch áp suất động học(động năng) giữa hai mặt thoáng 2 v − v1 2g Đồ án trang bị điện - điện tử máy công nghiệp dùng chung H = (H h + H d ) + p − p1 v − v12 + ∑ hh + ∑ hd + ρg 2g ∑ hh = vh λh l h ( + ∑ξd ) 2g d h ∑ hh = v d λd l d ( + ∑ξh ) 2g d d Trong đó: vh, vd : vận tốc chất lỏng ống hút ống đẩy (m/s) λh, λd : hệ số trở lực ma sát ống hút ống đẩy lh, ld, dh, dd : chiều dài đường kính ống hút ống đẩy (m) ∑ξ ∑ξ h , d : tổng hệ số trở lực cục ống hút ống đẩy Lưu lượng (năng suất) bơm: thể tích chất lỏng bơm cung cấp vào ống đẩy đơn vị thời gian - Công suất bơm ( P hay N ) Trong số tổ máy bơm cần phải phân biệt loại công suất: Công suất làm việc Ni (công suất hữu ích) cơng để đưa lượng Q chất lỏng lên độ cao H đơn vị thời gian (s) N i = γ * Q * H * 10 −3 Trong : γ [N/ m3 ], Q[ m3 [kW] /s], H[m] Công suất trục bơm N (thường ghi nhãn bơm) Công suất thường lớn Ni có tổn hao ma sát Đồ án trang bị điện - điện tử máy công nghiệp dùng chung Công suất động kéo bơm (Nđc) Công suất thường lớn N để bù hiệu suất truyền động giữa động bơm, dự phòng qúa tải bất thường N đc = k * N k *γ *Q * H = * 10 −3 η tđ η b * η tđ [kW] Trong : k - hệ số dự phịng Cịn với k cơng suất bơm dưới: 2kW, lấy k = 1,50 - kW lấy k = 1,50 - 50kW lấy k = 1,25 ÷ ÷ 1,25 1,15 50 - 100kW lấy k = 1,15 ÷ 1,08 Công suất bơm 100kw lấy k = 1.05 Cũng lấy hệ số dự phịng khi: Q < 100 Q > 100 η tđ m3 / h m3 / h k = 1,2 ÷ k = 1,1 1,15 - hiệu suất truyền Với truyền đai (cu roa) động nối trực tiếp với bơm - ÷ 1,3 Hiệu suất bơm ( ηb η tđ < Còn η tđ ≈ ) tỉ số giữa cơng suất hữu ích Ni công suất tai trục bơm N ηb = Ni N Hiệu suất bơm gồm phần: η b = η Q *η H *η m Trong đó: Hiệu suất lưu lượng (hay hiệu suất thể tích) tổn thất lưu lượng rị rỉ Đồ án trang bị điện - điện tử máy công nghiệp dùng chung Hiệu suất thuỷ lực (hay hiệu suất cột áp) tổn thất cột áp ma sát nội bơm Hiệu suất khí tổn thất ma sát giữa phận khí (ổ bi, gối trục…) bề mặt guồng động (bánh xe công tác) với chất lỏng (bơm ly tâm) Đồ án trang bị điện - điện tử máy công nghiệp dùng chung 1.1.5 Một số loại bơm thông dụng - Bơm ly tâm : Bơm ly tâm loại bơm cánh dẫn, làm việc theo nguyên lý máy thuỷ lực cánh dẫn Cơ cấu truyền lượng hệ thống bánh cánh công tác Trước bơm làm việc cần phải làm cho cánh công tác tiếp xúc với chất lỏng Khi bánh cánh công tác quay với vận tốc chất lỏng tiếp xúc với bánh cánh quay theo, bánh cánh truyền lượng cho chất lỏng Do chuyển động quay bánh cánh mà hạt chất lỏng chuyển động có xu hướng văng xa khỏi tâm Để bù vào chỗ trống mà hạt chất lỏng vừa văng hàng loạt hạt chất lỏng khác chuyển động tới trình trao đổi lượng lại diễn hạt trước Q trình trao đổi lượng diễn liên tục tạo thành đường dòng liên tục chuyển động qua bơm Tốc độ chuyển động hạt chất lỏng khỏi bánh cánh công tác lớn làm tăng tổn thất đường dòng, cần phải giảm tốc độ cách biến phần động hạt chất lỏng chuyển động thành áp Để giải điều này, chất lỏng sau khỏi bánh cánh công tác dẫn vào buồng có tiết diện lớn dần dạng xoắn ốc nên gọi bầu góp xoắn ốc Do quay bánh cánh công tác nên đường ống chất lỏng chuyển động liên tục - Bơm pittong: Bơm pittơng loại bơm thể tích với nguyên lí làm việc đơn giản Khi động quay quanh trục O, kéo theo hệ thống biên - maniven 3,4 chuyển động quay biến thành chuyển động tịnh tiến qua lại pittông xilanh với hành trình S = 2R (R chiều dài maniven) Hai vị trí giới hạn hành trình pittơng A1 A2 tương ứng với điểm chết C1 C2 Khi pittơng dịch sang trái thể tích buồng làm việc tăng lên, áp suất tuyệt đối chất lỏng xilanh giảm nhỏ áp suất bề mặt thống bể hút Lúc van đẩy đóng lại, van hút bị đẩy mở chất lỏng qua ống hút vào xilanh Đó giai đoạn hút Khi pittơng dịch sang phải thể tích buồng làm việc giảm áp suất chất Đồ án trang bị điện - điện tử máy công nghiệp dùng chung lỏng xilanh tăng cao Lúc van hút bị đóng lại, van đẩy bị đẩy mở chất lỏng từ xilanh dồn vào ống đẩy Đó giai đoạn đẩy Qua cách làm việc bơm pittông, ta thấy : Ống hút ngăn cách ống đẩyChuyển động chất lỏng không đều, lưu lượng bị dao động không phụ thuộc vào áp suất bơm Áp suất bơm (cột áp H) cao (tương ứng với độ bền bơm công suất động kéo bơm).Với lưu lượng bơm pittơng cồng kềnh khó chế tạo (kín, khít) so với bơm li tâm Do vậy, vùng áp suất thấp trung bình người ta dùng bơm pittơng, vùng áp suất cao cao (trên 200 at) bơm pittông chiếm ưu tuyệt đối ( hệ truyền động dầu, vòi phun nhiên liệu động điêzen, hệ thuỷ lực điều khiển máy bay…) 1.1.6 Yêu cầu trang bị điện cho trạm bơm Như nêu, bơm có nhiều kiểu loại, đa dạng giải công suất rộng Truyền động cho bơm phổ biến tryuền động điện Tuỳ theo tốc độ bơm, nối giữa động bơm trực tiếp (đồng trục) gián tiếp qua hộp tốc, đai truyền ly hợp thay đổi tốc độ, hệ thống biên maniven, trục khuỷu… Do vậy, chọn công suất động cơ, cần lưu ý tới hiệu suất khâu truyền lực trung gian Các bơm khơng địi hỏi thay đổi tốc độ nên phổ biến kéo bơm dùng động không đồng xoay chiều pha rotor lồng sóc, mở máy trực tiếp (nếu công suất nhỏ) hay gián tiếp qua điện trở, cuộn kháng mạch stator (nếu công suất trung bình) Với bơm có cơng suất trung bình lớn, thường dùng động không đồng xoay chiều pha rotor dây quấn, mở máy điện trở hạn chế mạch rotor để giảm dòng mở máy kết hợp thêm với phần tử hạn chế mạch stator Trường hợp công suất lớn lớn, dùng động không đồng để cải thiện cosφ Với những bơm chuyên dùng, dùng động chiều kích từ song song nối tiếp, có yêu cầu thay đổi tốc độ bơm Đồ án trang bị điện - điện tử máy công nghiệp dùng chung Chọn động kéo bơm pittông, phải theo loại bơm cụ thể lưu ý biến thiên lưu lượng, cột áp bơm, mơmen động cần đáp ứng Trường hợp truyền động bơm li tâm, bơm không tự động mồi nước được, mạch điều khiển cần phải đảm bảo mồi nước trước chạy bơm (qua bơm mồi, van…) tuân thủ thứ tự thao tác chạy bơm Vì bơm hoạt động mơi trường ẩm ướt (nước, chất lỏng khác) môi trường độc hại (axit, kiềm…) môI trường dễ nổ, cháy (dầu, axit) môi trường bẩn (bùn) nên trang bị điện phải đáp ứng điều kiện Một số ý thiết kế trang bị điện cho tạm nhiều máy bơm: - Trước hết ta cần ý loại tạm bơm, bơm nước thường trạm bơm cho hệ thống bình kín tạm bơm cho hệ thống bình hở Dù laọi hay loại việc vận tải chất lỏng xa với lưu lượng cần thiết dòng chất lỏng phải dự trữ áp - Trong loại hệ thống dùng để bơm chuyển vật liệu hố chất, vật liệu cơng nghệ, trạm thường thiết kế nhiều bơm Trong trạm nhiều bơm vấn đề tự động hoá trạm nhằm vấn đề cần giải sau: - Duy trì mức chất lỏng cần thiết bình chứa; - Lựa chọn số lượng bơm hoạt động cần thiết; - Thứ tự tự động khởi động bơm trạm; - Thứ tự dừng tự động bơm trạm bơm - Thiết kế bảo vệ động truyền động, bảo vệ bơm làm việc bền vững hệ thống - Hệ thống đảm bảo báo động, tín hiệu hố, tự động dừng tự động khởi động có yêu cầu - Những hệ thống bơm đặc biệt bơm dầu, hố chất thiết phải có nhiều vị trí dừng có cố, hoả hoạn Đồ án trang bị điện - điện tử máy công nghiệp dùng chung 1.2 1.2.1 Hệ thống bơm chất lỏng lên bồn hở Tổng quan hệ thống Trong đô thị vùng thị hóa hệ thống nước hệ thống cấp nước những hệ thống sở hạ tầng quan trọng, thiếu Trong hệ thống cấp nước hệ thống nước cơng trình thu nước trạm bơm cấp I trạm bơm cấp nước những cơng trình chủ yếu quan trọng Bên cạnh viếc tích trữ đưa nước tới hộ tiêu dùng phần trọng hệ thống cấp nước Bơm cấp nước cho bồn hở hệ thống: bồn cấp nước đặt độ cao h , cấp nước hệ thống bơm, từ cấp cho hộ phía sau sơ đồ tổng quan hệ thống bơm bồn hở 10 10 Ð2 P1 bom m?i Ð3 Ð1 1.2.2 Yêu cầu công nghệ cho hệ thống Ta có u cầu cơng nghệ hệ thống sau:Hệ thống gồm có bơm (được lai động điện khơng đồng roto lồng sóc) Trong bơm số bơm số bơm hoạt động với tần suất lớn, cịn bơm số bơm dự phịng có tần suất hoạt động thấp Bơm số bổ sung chạy thay cho bơm bơm gặp cố (ví dụ cố q tải động điện) Đồ án trang bị điện - điện tử máy công nghiệp dùng chung CHƯƠNG THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN, HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TRẠM CÓ NHIỀU BƠM Thiết kế mạch điều khiển Hiện yêu cầu kích thước gọn nhẹ, độ tin cậy cao nên tự động hóa 2.1 xu hướng phát triển chung thực tế chế tạo vận hành hệ thống Trong hệ thống bơm chất lỏng bình hở, tự động hịa nhằm đạt mục đích - yêu cầu sau đây: Giảm bớt giảm hẳn phục vụ người hoạt động hệ - thống Nâng cao tính kinh tế, tính an tồn, độ tin cậy tuổi thọ hệ thống Nâng cao hiệu suất làm việc Dựa tiêu chí ta tiến hành xây dựng trạm bơm chất lỏng bồ hở gồm có bơm li tâm với yêu cầu trì mức nước đủ cung cấp cho hộ tiêu thụ có nhu cầu sử dụng hộ ln có thay đổi Trước vào xây dựng mạch điều khiển, mạch động lực cho hệ thống ta làm rõ phương án điều khiển cho hệ thống Tại thời điểm bắt đầu ấn nút Start, hệ thống bắt đầu hoạt động ( với điều kiện mức nước phí nguồn bơm phải đủ) Trạng thái cảm biến mức đoc xử lí theo thuật đốn sau - Mức nước bình cba: ta bật bơm, bơm số 1, số 2, số Mức nước bình mức cbb: ta chạy bơm, bơm số số Mức nước bình mức cbc: ta chay bơm, bơm số Mức nước bình cbd : ta dừng tất ca bơm Nếu ba bơm bị cố ta chạy bơm số ( bơm bị cố trước ưu tiên thay trước ) Với hoạt động hệ thống phân tích trên, ta chọn thiết bị điều khiển hoạt động toàn hệ thống PLC S7-300 Siemens với số lí sau đây: - Các thiết bị điều khiển PLC tạo thêm sức mạnh, tốc độ tính linh hoạt cho hệ thống cơng nghiệp Bằng thay phần tử điện PLC, 10 Đồ án trang bị điện - điện tử máy cơng nghiệp dùng chung trình điều khiển trở nên nhanh hơn, rẻ hơn, quan trọng hiệu - PLC lựa chọn tốt hệ thống rơle hay máy tính tiêu chuẩn Tốn không gian: Một PLC cần không gian máy tính tiêu chuẩn hay - tủ điều khiển rơle để thực chức Tiết kiệm lượng: PLC tiêu thụ lượng mức thấp, - máy tính thơng thường Giá thành thấp: Một PLC giá tương đương cỡ đến 10 rơle, có khả - thay hàng trăm rơle Khả thích ứng với mơi trường công nghiệp: Các vỏ PLC làm từ vật liệu cứng, có khả chống chịu bụi bẩn, dầu mỡ, độ ẩm, rung - động nhiễu Các máy tính tiêu chuẩn khơng có khả Giao diện trực tiếp: Các máy tính tiêu chuẩn cần có hệ thống phức tạp để giao tiếp với mơi trường cơng nghiệp Trong PLC giao tiếp trực tiếp nhờ mô đun vào I/O chế tạo sẵn theo chuẩn cơng - nghiệp Lập trình dễ dàng: Phần lớn PLC sử dụng ngơn ngữ lập trình sơ đồ hình thang, tương tự sơ đồ đấu nối hệ thống điều khiển rơle thông - thường Tính linh hoạt cao: Chương trình điều khiển PLC thay đổi nhanh chóng dễ dàng cách nạp lại chương trình điều khiển vào PLC - lập trình, thẻ nhớ, truyền tải qua mạng Cùng với những ưu phần cứng, ưu phần mềm: PLC có nhiều cơng cụ lập trình dựa tiêu chuẩn IEC 1131-3 Sử dụng ngôn ngữ lập trình bậc cao tạo khả viết những chương trình lớn phức tạp giao tiếp với thiết bị ngoại vi hay truy cập dữ liệu chương - trình Cấu trúc khối chức sử dụng cho lập trình Ladder làm tăng - khả lập trình những lệnh đơn giản Cho phép xác định lỗi điều khiển lỗi thiết bị - trình sản xuất Cung cấp phép tốn với số thực dấu phẩy động tạo khả tính tốn toán phức tạp 11 Đồ án trang bị điện - điện tử máy công nghiệp dùng chung 2.1.1 Thống kê đầu vào cho PLC Đầu vào Nút nhấn start Nút stop Cảm biến mức a Cảm biến mức b Cảm biến mức c Cảm biến mức d Cảm biến mức lv Rơle nhiệt bơm Rơle nhiệt bơm Rơle nhiệt bơm Rơle nhiệt bơm 2.1.2 Thống kê đầu cho PLC Địa I0.0 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I1.0 I0.1 I0.6 I0.7 I1.2 I1.3 Đầu Công tắc tơ cấp nguồn cho bơm Công tắc tơ cấp nguồn cho bơm Công tắc tơ cấp nguồn cho bơm Công tắc tơ cấp nguồn cho bơm Đèn làm việc Đèn bơm cố Đèn bơm cố Đèn bơm cố Biến khởi động Biến bật ba bơm Đèn dừng hệ thống Địa Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.0 Q1.0 Q0.6 Q0.7 M0.0 M0.1 Q0.5 2.1.3 Sơ đồ mạch điều khiển 12 Đồ án trang bị điện - điện tử máy công nghiệp dùng chung 24VDC ST I0.0 PLC-S7300 Q0.0 SP I0.2 Q0.1 CBA I0.3 Q0.2 CBB I0 I0.4 Q0.3 I0.5 Q0.4 I0.6 Q0.5 I0.7 Q0.6 I0.1 Q0.7 I1.0 Q1.0 CBC RN1 RN2 CBLV CBD RN3 RN4 Ð LV R1 R2 R3 R4 Ð4 Ð2 Ð3 Ð1 I1.2 I1.3 Hình 2: sơ đồ mạch điều khiển 2.2 Xây dựng mạch động lực 13 Đồ án trang bị điện - điện tử máy công nghiệp dùng chung R S T AT1 K1 K2 K2 RN1 RN2 RN3 AT2 K2 RN4 M1 M2 M3 BA-380/220 M4 F R1 R2 R3 R4 K1 K2 K3 K4 Hình 3: sơ đồ mạch động lực CHƯƠNG3 VIẾT CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN Viết chương trình điều khiển cho PLC 3.1 Sauk hi xây dựng sờ đồ mạch điều khiền mạch động lực cho hệ thống ta tiến hành viết chương trình điều khiển PLC S7-300 Trước viết chương trình, ta xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển 3.1.1 Lưu đồ thuật toán 14 Đồ án trang bị điện - điện tử máy công nghiệp dùng chung begin Ð start system and self priming pump Ð stop system Ð start=1 cblv=1 start pump 1,2,3 Ð start pump ,2 S stop=1 S cba=cbb=cbc=0 S cba=1 ho?c cb=1 S Ð cbc=1 start pump S Ð cbd=1 pump error stop pump Ð start pump S pump error Ð start pump S pump error Ð start pump S cblv =low level Ð stop system end 3.1.2 Viết chương trình điều khiển - Chương trình viết phần mềm step7 15 Đồ án trang bị điện - điện tử máy công nghiệp dùng chung 16 Đồ án trang bị điện - điện tử máy công nghiệp dùng chung 17 Đồ án trang bị điện - điện tử máy công nghiệp dùng chung 18 Đồ án trang bị điện - điện tử máy công nghiệp dùng chung 3.2 Mô PLC sim - Khi nhấn start đủ nước bơm Ấn nút Start( I0.0=1) hệ thống vào hoạt động, đồng thời cảm biến LV đặt nguồn nước báo đủ nước biến trung gian M0.0 =1 đèn báo hệ thống hoạt động Q0.0=1 Đồng thời mực nước mức a bơm hoạt động Q0.1 = 1; Q0.2 = 1; Q0.3 = - Khi mức nước tăng dần 19 Đồ án trang bị điện - điện tử máy công nghiệp dùng chung Khi mức nước tăng đến mức cba b (I0.3) có bơm số số hoạt động Q0.1 Q0.2 Khi mức nước tăng tên cbc có bơm hoạt động (Q0.3) 20 Đồ án trang bị điện - điện tử máy công nghiệp dùng chung Khi cảm biển cbd I1.0 tác động (tất bơm dừng hoạt động) - Một bơm xảy cố ( bơm số xảy cố I.0.6=1 Q0.4=1) \ KẾT LUẬN 21 Đồ án trang bị điện - điện tử máy công nghiệp dùng chung Được hướng dẫn thầy Hồng Xn Bình, sau thơi gian em hồn thành xong đồ án thiết kế mơn học trạm bơm nước cho bồn hở Trong trình thực đồ án, giúp em hình thành tổng quan cách thiết kế cho hệ thống bơm, bên cạnh kiến thức cịn nhiều hạn chế nên khơng tránh khỏi sai sót thực Em mong nhận những ý kiến đóng góp thầy cô môn bạn để đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn ! Hải Phòng, ngày tháng năm 2014 Sinh viên Lưu Thế Tuấn TÀI LIỆU THAM KHẢO 22 Đồ án trang bị điện - điện tử máy cơng nghiệp dùng chung PGS.TS Hồng Xn Bình, Bài giảng trang bị điện – điện tử máy cơng nghiệp dùng trung Nguyễn Dỗn Phước, Phan Xn Minh, Vũ Văn Hà, NXB khoa học kĩ thuật, Tự động hóa với Simantic S7-300 23 ... dừng tự động bơm trạm bơm - Thiết kế bảo vệ động truyền động, bảo vệ bơm làm việc bền vững hệ thống - Hệ thống đảm bảo báo động, tín hiệu hố, tự động dừng tự động khởi động có yêu cầu - Những hệ. .. h , cấp nước hệ thống bơm, từ cấp cho hộ phía sau sơ đồ tổng quan hệ thống bơm bồn hở 10 10 ? ?2 P1 bom m?i Ð3 Ð1 1 .2. 2 u cầu cơng nghệ cho hệ thống Ta có yêu cầu công nghệ hệ thống sau :Hệ thống. .. điện phải ? ?áp ứng điều kiện Một số ý thiết kế trang bị điện cho tạm nhiều máy bơm: - Trước hết ta cần ý loại tạm bơm, bơm nước thường trạm bơm cho hệ thống bình kín tạm bơm cho hệ thống bình