TỔNG QUÁT VỀ HỆ THỐNG NỒI HƠI TỰ ĐỘNG
Yêu cầu, phân loại và cấu trúc của hệ thống nồi hơi
Trên tàu thuỷ, nồi hơi đã được sử dụng như nguồn năng lượng chính để vận hành tuốc bin hơi nước, quay chân vịt và phục vụ cho các thiết bị máy móc phụ như tời neo và bơm Mặc dù máy hơi nước đang dần được thay thế bởi các công nghệ mới, nồi hơi vẫn giữ vai trò quan trọng, đặc biệt trên tàu vận tải và tàu chứa dầu thô, giúp hâm nóng dầu thô, dầu nặng, cũng như cung cấp hơi nước cho việc xấy máy, hâm nước và sưởi ấm.
Lò hơi, hay nồi hơi, là thiết bị sử dụng nhiên liệu để đun sôi nước, tạo ra hơi nước mang nhiệt phục vụ cho nhiều lĩnh vực công nghiệp như sấy, nấu, nhuộm, và cung cấp hơi cho tuabin máy điện Tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng, lò hơi có thể tạo ra hơi với nhiệt độ và áp suất phù hợp cho các công nghệ khác nhau Để vận chuyển nguồn năng lượng có nhiệt độ và áp suất cao, người ta sử dụng các ống chịu nhiệt và áp suất cao.
Nồi hơi tàu thủy có nhiệm vụ cung cấp hơi nước cho máy chính, máy phụ và cho các nhu cầu hâm sấy, sinh hoạt trên tàu
Hệ thống nồi hơi tàu thủy bao gồm nhiều thành phần quan trọng như nồi hơi, thiết bị buồng đốt, thiết bị thông gió, thiết bị cấp nước, thiết bị cấp chất đốt, và các thiết bị tự động điều chỉnh quá trình hoạt động của nồi hơi Ngoài ra, hệ thống còn có các thiết bị đo lường và kiểm tra nhằm đảm bảo hiệu suất và an toàn trong quá trình vận hành.
1.1.2 Yêu cầu của hệ thống nồi hơi tự động
Nồi hơi tàu thủy có các yêu cầu như sau:
- An toàn trong sử dụng
- Gọn nhẹ, dễ bố trí trên tàu
- Kết cấu đơn giản, chăm sóc, sửa chữa, sử dụng đơn giản
- Tính kinh tế cao (hiệu suất cao)
- Thời gian khởi động lò lấy hơi nhanh, thay đổi tải nhanh, năng lực tiềm tang lớn, khả năng quá tải lớn tới 125% đến 140%
1.1.3 Phân loại hệ thống nồi hơi tự động
1.1.3.1 Nồi hơi ống nước a) Nguyên lí hoạt động Ở nồi hơi ống nước, nước cấp qua các ống đi vào tang lò hơi nước được đun nóng bằng khí cháy và chuyển thành hơi ở khu vực đọng hơi trên tang nồi hơi
Hình 1.1: Nồi hơi ống nước nghiêng b) Ưu nhược điểm
Để đảm bảo chất lượng nước cao, cần thiết phải có hệ thống xử lý nước, nếu không sẽ dẫn đến tình trạng tắc ống Điều này xảy ra vì các ống nước không thể tự làm sạch như các ống dẫn nước chữa cháy.
- Xây lắp tương đối phức tạp bao gồm hệ thống khung lò, tường lò, giá đỡ Ưu điểm:
Những nồi hơi ống nước hiện đại được trang bị hệ thống điều khiển tự động cho than, thải xỉ và cấp nước, giúp quá trình vận hành trở nên nhẹ nhàng và giảm thiểu thao tác thủ công.
- Áp suất, nhiệt độ, độ khô đã thỏa mãn được các yêu cầu kĩ thuật của những máy hơi chính xác
- Diện tích tiếp nhiệt lớn so với các loại nồi hơi trước, do vậy năng suất hơi cao, phù hợp với nơi cần công suất nhiệt cao
- Tốc độ hơi tương đối nhanh do việc khởi động tương đối nhanh(3- 4s) việc đuổi hơi nhanh
- Sửa chữa dễ dàng do buồng lửa tương đối rộng, các chi tiết phần đối lưu được lắp theo khối
- Hiệu suất cháy cao do sử dụng sự thông gió cưỡng bức, cảm ứng và cân bằng
Hình 1.2: Nồi hơi trọn gói ống nước
Hình 1.3: Nồi hơi ống nước hai bao hơi
1.1.3.2 Nồi hơi ống lò a) Nguyên lí hoạt động
Bình hình trụ được đặt bên trong buồng đốt của lò hơi, nơi khói nóng lưu thông bên ngoài Quá trình này giúp đốt nóng bề mặt bình, dẫn đến việc nước trong bình bốc hơi hiệu quả.
Hình 1.4: Nồi hơi ống lò b) Ưu nhược điểm Ưu điểm:
- Có thể tích chứa nước lớn nên có khả năng tích lũy nhiệt lớn, đáp
- Kích thước gọn, chiếm chỗ đặt ít
- Bảo ôn tường lò đơn giản
Việc tăng bề mặt truyền nhiệt theo yêu cầu công suất là một thách thức lớn Để đạt được điều này, cần phải tăng số lượng bình trong lò, tuy nhiên, việc bố trí các bình một cách hợp lý rất khó khăn Hơn nữa, suất tiêu hao kim loại trong quá trình chế tạo lò cũng rất lớn, gây ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế.
- Hơi sinh ra thường chỉ là hơi bão hòa
- Thường có sản lượng bé
1.1.3.3 Nồi hơi ống lửa a) Nguyên lý hoạt động
Nồi hơi ống lửa là loại nồi hơi mà khí nóng đi qua các ống, chuyển đổi nước cấp thành hơi Chúng thường được sử dụng cho công suất hơi thấp đến trung bình, với khả năng sản xuất lên tới 12.000 kg/giờ và áp suất tối đa 18 kg/cm² Nồi hơi này có thể hoạt động với các loại nhiên liệu như dầu, ga hoặc nhiên liệu lỏng Do tính kinh tế, nồi hơi ống lửa thường được lắp đặt theo hình thức “trọn gói” bởi nhà sản xuất, tùy thuộc vào loại nhiên liệu sử dụng.
Nồi hơi ống lửa có nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm hiệu suất cao và khả năng hoạt động ổn định Bên cạnh những lợi ích đã đề cập trước đó, nồi hơi này còn mang lại khả năng tiết kiệm năng lượng và dễ dàng bảo trì, giúp giảm chi phí vận hành Tuy nhiên, cũng cần lưu ý đến một số nhược điểm như kích thước lớn và yêu cầu về không gian lắp đặt.
- Bề mặt truyền nhiệt lớn hơn nồi hơi ống lò
- Suất tiêu hao kim loại nhỏ hơn so với nồi hơi ống lò
- Có khả năng tận dụng nhiệt tốt
- Hạn chế tăng công suất và chất lượng hơi theo yêu cầu
- Suất tiêu hao kim loại lớn
- Khó khử cáu bẩn do tro bám vào bề mặt ống
- Hiệu suất nồi không cao.
Cấu trúc tổng thể của một hệ thống nồi hơi tự đông
1.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của nồi hơi
Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của nồi hơi
Thành phần cơ bản của nồi hơi gồm:
- Bể cấp nước cho nồi hơi
- Bộ phận sử dụng hơi
Hinh 1.7: Nồi hơi ống lửa
Hinh 1.8: Sơ đồ nguyên lý nồi hơi ống lửa
Dầu đốt và không khí được cung cấp vào buồng đốt, tạo ra khí lò Khí lò sau đó đi vào hộp lửa và tiếp tục vào các ống lửa, nơi diễn ra quá trình trao đổi nhiệt với nước xung quanh, biến nước thành hơi Khói lò tiếp tục di chuyển qua hộp khói, bộ hâm nước tiết kiệm và bộ sưởi không khí.
Thân nồi hơi hình trụ tròn được cấu tạo từ 1, 2 hoặc 3 tấm thép hàn hoặc tán lại Để đảm bảo an toàn, mối hàn hoặc tán dọc không nên nằm trên cùng một đường sinh nhằm tránh xé dọc nồi hơi Ngoài ra, các mối hàn cũng không nên ở cùng mức nước để giảm thiểu ứng suất nhiệt và hiện tượng mỏi Cuối cùng, không nên tỳ lên bệ nồi hơi để dễ dàng kiểm tra và hạn chế tình trạng mục rỉ ở các mối nối.
Hình 1.9: Ứng suất xé dọc và ứng suất xé ngang của bầu hình trụ
Cửa chui khoét trên than nồi hơi có hình bầu dục với trục ngắn theo hướng đường sinh của than nồi Hình dạng trụ của nồi hơi tạo ra ứng suất xé dọc lớn gấp đôi ứng suất xé ngang, dẫn đến việc nồi hơi dễ bị xé dọc hơn xé ngang.
Nồi hơi được thiết kế với nắp trước và nắp sau Nắp trước, hay còn gọi là mặt sang trước, có các lỗ khoét để lắp đặt buồng đốt, ống lửa và đinh chằng dài, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu cho hệ thống.
Buồng đốt chịu tác động của nhiệt độ cao và lực nén từ khí cháy, đồng thời bị áp lực nước và trọng lượng bẩn than làm võng xuống Vì vậy, buồng đốt được thiết kế với kết cấu hình trụ để đảm bảo độ bền và khả năng chịu lực tốt.
Buồng đốt có thể là hình trụ tròn, có thể là hình trụ gợn sóng
Buồng đốt hình trụ gợn sóng mang lại nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm việc tăng bề mặt hấp thụ nhiệt từ 8 – 12%, giúp khử giãn nở nhiệt khi nhiệt độ thay đổi Đặc biệt, buồng đốt hình trụ tròn cần có kết cấu khử giãn nở nhiệt riêng biệt, giống như một buồng đốt di động Ngoài ra, thiết kế này còn cải thiện độ dẻo theo hướng dọc trục và tăng cường độ cứng theo hướng kính, đảm bảo khả năng chịu áp suất cao.
Số lượng buồng đốt tùy thuộc vào diện tích bề mặt hấp nhiệt, thông thường nồi hơi có 1, 2, 3 buồng đốt
Buồng đốt có thể là hình trụ đúc liền, có thể là do 2, 3 tấm thép nồi hơi ghép lại
Hình 1.9: Kết cấu của loại buồng đốt hình gợn song a - Buồng đốt hang Foxa b - Buồng đốt hang Morrisona c - Buồng đốt hang Deightona
Hộp lửa có vai trò quan trọng trong việc tiếp tục đốt cháy các chất đốt chưa hoàn thành trong buồng đốt Để đảm bảo quá trình cháy diễn ra hiệu quả, dung tích của hộp lửa cần phải không nhỏ hơn dung tích của buồng đốt Bên cạnh đó, diện tích mặt cắt ngang của hộp lửa nên tương đương với tổng diện tích mặt cắt ngang của tất cả các ống lửa liên quan.
Vách sau và vách bên của hộp lửa được cố định với thân nồi hơi và với hộp lửa khác bằng các đinh chằng ngắn
Hộp lửa có cấu trúc hình hộp và tiếp xúc với ngọn lửa có nhiệt độ cao, điều này làm giảm khả năng chịu lực Để tăng cường độ bền, đỉnh hộp lửa được gắn mã gia cường, còn được gọi là mã đỉnh hộp lửa.
1.2.2.6 Ống lửa Ống lửa dẫn khói lò đi từ hộp lửa vào hộp khói và trao đổi nhiệt cho nước bao bọc bên ngoài để hóa thành hơi Ống lửa là bề mặt hấp nhiệt chủ yếu của nồi hơi (chiếm 80-90%)
Có 2 loại ống lửa : ống lửa thường và ống lửa chằng Ống lửa chằng ngoài nhiệm vụ dẫn khói lò, còn có nhiệm vụ chằng giữ nắp trước của nồi hơi với thành trước của hộp lửa (chằng giữ 2 mặt sang) Ống lửa thường có độ dày 2.5 - 4.5mm và tùy thuộc vào áp suất của nồi hơi Hai đầu mút của ống lửa thường được hàn lên các mặt sang Đầu mút phía hộp lửa phải được bẻ mép Ống lửa chằng dày 5-9.5mm, 2 đầu mút của ống lửa chằng được hàn hoặc bắt ren ốc vào các mặt sang Ống lửa chằng chiếm khoảng 30% tổng số các ống lửa và được bố trí xen kẽ với các ống lửa thường
1.2.2.7 Đinh chằng ngắn, đinh chằng dài Đinh chằng ngắn dùng để chằng giữ thành hộp lửa với nhau, chằng giữ thành hộp lửa với nắp sau của nồi hơi Đinh chằng ngắn có thể được cố định bằng cách ren hàn hoặc tán đinh Đinh chằng dài để chằng giữ nắp trước và nắp sau của nồi hơi (phần không có ống lửa) Đinh chằng dai được cố định bằng cách hàn hoặc bắt ren ốc Đinh chằng dài có đường kính bằng 50 – 90mm
Bầu khô giúp tăng chiều cao của không gian hơi, khiến các hạt nước nặng hơn rơi trở lại nồi hơi, từ đó nâng cao độ khô của hơi.
Các chức năng của nồi hơi tự động và thuật toán điều khiển
1.3.1.1 Yêu cầu chế độ nước ấp, nước lò
Chế độ nước cần được duy trì để đảm bảo lò hơi và hệ thống cấp nước hoạt động ổn định, tránh tình trạng cáu cặn, bùn và ăn mòn kim loại.
- Các lò hơi sau đây phải được trang bị hệ thống xử lý nước
+ Lò hơi trực lưu không giới hạn công suất
+ Lò hơi tuần hoàn tự nhiên hoặc cưỡng bức có công suất từ 1T/h trở lên
- Cho phép sử dụng mọi phương pháp xử lý nước đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật được quy định trong tiêu chuẩn này
Đối với lò hơi có công suất dưới 1T/h, khi dừng hoạt động để vệ sinh, lớp cáu cặn trên các bề mặt tiếp nhiệt có cường độ tiếp nhiệt lớn không được vượt quá 1mm.
- Đối với các lò hơi được trang bị hệ thống xử lý nước, không cho phép bổ sung nước chưa được xử lý cho lò hơi
Trong thiết kế hệ thống lò hơi, cần tính toán đến việc bổ sung nước chưa xử lý khi xảy ra sự cố ở hệ thống xử lý nước Để đảm bảo an toàn, trên các đường dẫn nước chưa xử lý kết nối với đường nước đã xử lý, thiết bị ngưng tụ và đường dẫn tới bể nước cấp, phải lắp đặt hai van khóa.
- Giữa 2 van khóa phải lắp van kiểm tra Trong thời gian vận hành bình thường, van khóa phải đóng và được cặp chì, van kiểm tra phải mở
Mỗi lần bổ sung nước chưa xử lý cho lò hơi, cần ghi rõ vào sổ xử lý nước hoặc nhật ký vận hành, bao gồm chất lượng và lượng nước bổ sung.
1.3.1.2 Mức nước thấp nhất và và cao nhất
Mục đích chính của việc duy trì mức nước trong nồi hơi là để ngăn chặn tình trạng nồi hơi bị cháy do thiếu nước hoặc tràn nước khi mức nước quá cao Để đảm bảo chức năng này, người ta thường sử dụng hai bơm cấp nước: một bơm hoạt động liên tục và một bơm dự trữ.
Mức nước trong nồi hơi phải luôn được duy trì trong khoảng hmin < h < hmax, trong đó hmin quyết định độ an toàn của nồi hơi Có hai mức báo động và bảo vệ cho lò: hmin1, mức nước thấp nhưng vẫn cho phép đốt lò với tín hiệu báo động, và hmin2, mức nước thấp hơn thường dẫn đến việc ngắt nồi hơi và phát tín hiệu báo động Phương trình thuật toán điều khiển là yếu tố quan trọng trong việc duy trì mức nước an toàn.
B(t)=h min + B(t-1).hmax (1.1) h min :Tín hiệu cần bơm hmax :Tín hiệu dừng bơm
B(t-1): Lệnh bơm trước đó được nhớ lại
B(t) = 1: Động cơ lai bơm có điện
B(t) = 0: Động cơ lai bơm không có điện
Mức nước trong nồi hơi quyết định trạng thái hoạt động của bơm Khi mức nước h nhỏ hơn hoặc bằng hmin, nồi hơi sẽ được bơm nước Nếu mức nước h lớn hơn hmin nhưng nhỏ hơn hmax, nồi hơi tiếp tục được bơm Khi mức nước đạt hmax, nồi hơi sẽ ngừng bơm, và nếu mức nước h vẫn nhỏ hơn hmax, nồi hơi sẽ tiếp tục ngừng bơm Khi mức nước trở lại hmin, nồi hơi sẽ được bơm nước lại.
Hình 1.10: Sơ đồ logic hệ thống tự động cấp nước cho nồi hơi
Thiết bị đo mức nước theo tiêu chuẩn này được sử dụng để đo trực tiếp mức nước trong lò hơi và ba long Các loại thiết bị đo mức nước bao gồm nhiều dạng khác nhau nhằm đảm bảo độ chính xác và hiệu quả trong quá trình vận hành.
+ Ống thủy để đo trực tiếp mức nước theo nguyên tắc bình thông nhau bằng thủy tinh hay vật liệu trong suốt
+ Các đồng hồ chỉ mức nước là thiết bị đo mức nước, nhờ sự biến đổi điện, từ hay các dạng vật lý khác
Mỗi lò hơi loại có ba lông chứa hơi và nước cần phải trang bị ít nhất hai thiết bị đo mức nước, trong đó ít nhất một thiết bị phải là loại ống thủy trong suốt.
Khi ống thủy được đặt ở vị trí cao hơn 6m so với mặt cốt phục vụ chính, cần lắp thêm ống thủy ở vị trí thấp hơn để đảm bảo có thể quan sát tại cốt phục vụ Trong trường hợp này, trên ba lông chỉ cho phép đặt một ống thủy.
Những lò hơi bốc hơi theo cấp được thiết kế với ba lông chia thành các ngăn, và mỗi ngăn yêu cầu ít nhất một ống thủy để đảm bảo hiệu quả hoạt động.
Trong các lò hơi có nhiều ba lông trên cao, cần theo dõi mức nước bằng cách lắp đặt ít nhất 2 thiết bị đo nước cho ba lông chính, trong khi các ba lông khác chỉ cần 1 thiết bị đo Đối với những ba lông chỉ chứa hơi mà không có nước, việc lắp đặt thiết bị đo là không cần thiết.
- Những lò hơi có nhiều ba lông đặt trên cao có liên thông đường hơi và đường nước thì cho phép đặt 1 ống thủy cho mỗi ba lông
Các lò hơi có công suất trên 2T/h cần được trang bị thiết bị tự động báo hiệu và bảo vệ cạn nước Trong trường hợp diện tích tiếp nhiệt đạt 17m2, có thể thay thế thiết bị tự động bằng một đinh chì, và sử dụng hai đinh chì khi diện tích tiếp xúc vượt quá 17m2.
Kích thước và chất lượng của đinh chì cần được đảm bảo để chúng có thể chảy khi lò hơi cạn nước Đồng thời, lượng môi chất thoát ra phải đủ để dập tắt lửa trong buồng đốt.
Các ống thủy cần được trang bị đầy đủ van đóng mở và van xả để thuận tiện cho việc thông rửa và thay thế kính thủy tinh khi lò hơi đang hoạt động Bên cạnh đó, các ống thủy tròn nên có bao che, nhưng vẫn đảm bảo không cản trở việc theo dõi mức nước.
CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NỒI HƠI TÀU THỦY ĐIỂN HÌNH
Đặt vấn đề
Điều khiển tổng thể lò hơi liên quan đến việc kiểm soát áp suất hơi tại điểm đặt thông qua việc điều chỉnh nhiên liệu và tỷ lệ lưu lượng gió, nhằm đáp ứng sự thay đổi của tổng lưu lượng hơi và nhiệt trị của nhiên liệu Mạch điều khiển cần phản ánh đặc tính làm việc của lò hơi, đảm bảo rằng sự thay đổi tải phù hợp với động lực của nồi hơi Điều này có nghĩa là động lực học của nồi hơi phải tương thích với nhiệt động học của nó Hệ thống điều khiển này phải cung cấp tín hiệu để điều chỉnh việc cung cấp nhiên liệu và lưu lượng gió.
Các chức năng điều khiển sẽ phải đạt được như sau:
-Áp suất hơi chính trong ống góp thỏa mãn cho công việc xử lý đa dạng, các tín hiệu này được gửi đến hệ thống điều khiển phối hợp
-Đưa vào chương trình nhiều các hệ số khác nhau, hệ thống CCS sẽ đưa tín hiệu yêu cầu của lò, tổng thể nhiên liệu cấp vào lò
-Yêu cầu của lò hơi cũng được sử dụng cho việc điều khiển những máy công tác khác
Hệ thống điều khiển cung cấp giao diện và chức năng điều khiển bằng tay và tự động, cho phép người vận hành thiết lập các giá trị đầu ra Để đáp ứng yêu cầu này, hệ thống cần tích hợp các thiết bị và dụng cụ điện tử, nhằm vận hành quá trình một cách ổn định, chính xác và thông suốt Hệ thống điều khiển bao gồm hai loại chính.
Hệ thống điều khiển sử dụng rơ le điện đã đánh dấu sự khởi đầu của cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật vào những năm 60 và 70, với các máy móc tự động được điều khiển bằng rơ le điện từ như bộ định thời, tiếp điểm và bộ đếm Những thiết bị này được kết nối chặt chẽ trong một hệ thống hoàn chỉnh thông qua hàng loạt dây điện bên trong tủ điều khiển Tuy nhiên, với nhiều trạm làm việc, tín hiệu vào/ra trong tủ điện điều khiển trở nên rất lớn, dẫn đến hệ thống trở nên cồng kềnh và việc sửa chữa khi gặp sự cố trở nên phức tạp Hơn nữa, nếu có sự thay đổi trong yêu cầu điều khiển, các rơ le tiếp điểm sẽ cần phải được thiết kế lại từ đầu.
Hệ thống điều khiển sử dụng PLC ra đời vào những năm 80 để khắc phục những khó khăn và phức tạp trong thiết kế hệ thống dùng rơ le điện Các bộ điều khiển lập trình này được phát triển nhằm nâng cao độ tin cậy và ổn định, đáp ứng yêu cầu làm việc trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt, từ đó mang lại hiệu quả kinh tế cao PLC, viết tắt của Programmable Logic Controller, đã trở thành tiêu chuẩn trong lĩnh vực tự động hóa.
Hệ thống điều khiển nồi hơi dùng contactor, relay và cam chương trình
Trước khi công nghệ bán dẫn và thiết bị lập trình phát triển, việc điều khiển hệ thống trên tàu thủy chủ yếu dựa vào sự kết hợp giữa các khí cụ điện rời rạc và thiết bị điều khiển cam chương trình.
Mạch điện hệ thống điều khiển nồi hơi dùng contactor, relay và cam chương trình: Phần phụ lục
52 : Aptomat nguồn cho hệ thống
H : Điện trở sấy 3 pha dùng để sấy dầu FO
WP1 : Động cơ lai bơm nước số 1
WP2 : Động cơ lai bơm nước số 2
51WP1 : Rơle nhiệt bảo vệ quá tải cho bơm nước số 1
52WP1(51) : Công tắc tơ điều khiển cấp nguồn cho bơm nước số 1 51WP2 : Rơle nhiệt bảo vệ quá tải cho bơm nước số 2
52WP2(53) : Công tắc tơ điều khiển cấp nguồn cho bơm nước số 2 51B : Rơle nhiệt bảo vệ quá tải cho quạt gió
52B : Công tắc tơ điều khiển cấp nguồn cho quạt gió
88H : Công tắc tơ điều khiển cấp nguồn cho điện trở sấy dầu F3 : Cầu chì bảo vệ ngắn mạch cấp nguồn cho điện trở sấy
TR : Biến áp hạ áp cấp nguồn cho mạch điều khiển
F6(1) : Cầu chì bảo vệ ngắn mạch cho mạch điều khiển
F7(2) : Cầu chì bảo vệ ngắn mạch cho mạch đèn tín hiệu
GL1(3) : Đèn báo cháy thành công
GL2(4) : Đèn báo đốt hai vòi
GLH(5) : Đèn báo điện trở sấy đang hoạt động
RLL1(6) : Đèn báo mức nước trong nồi thấp
RLH(7) : Đèn báo mức nước trong nồi cao
RLF(8) : Đèn báo cháy không thành công
RLD(9) : Đèn báo nhiệt độ dầu đốt thấp
RLL2(11) : Đèn báo mức nước trong nồi quá thấp
GLWP1 : Đèn báo bơm nước số 1 đang chạy
GLWP2(13) : Đèn báo bơm nước số 2 đang chạy
Z(15) : Còi báo động tại chỗ
5ZX(16) : Rơle trung gian để đưa đi báo động chung
5Z : Nút ấn để reset báo động
3S-23QZ : Công tắc điều khiển quá trình sấy dầu
23Q1 : Cảm biến nhiệt độ dầu đốt dùng để điều khiển trong tự động hâm dầu
23Q3 : Cảm biến nhiệt độ dầu đốt dùng để điều khiển trong tự động hâm dầu
23Q2 : Cảm biến nhiệt độ dầu đốt dùng để báo động nhiệt độ dầu thấp
23QZX : Rơle trung gian dùng để báo động và bảo vệ khi nhiệt độ dầu đốt thấp
33WL2(18) : Tiếp điểm của cảm biến mức nước quá thấp
33WL1(19) : Tiếp điểm của cảm biến mức nước trong nồi thấp
33WH(19) : Tiếp điểm cảm biến mức nước trong nồi cao
62WL2(18) : Rơle thời gian để chống nhiễu do hiện tượng rung lắc của nồi hơi ở mức nước quá thấp
5WL2(18) : Rơle trung gian dùng để báo động và bảo vệ khi mức nước nồi hơi quá thấp
62WH(19) : Rơle thời gian để chống nhiễu do hiện tượng rung lắc của nồi hơi ở mức nước cao
5WH(19) : Rơle trung gian dùng để báo động khi mức nước trong nồi hơi cao
62WL1(19) : Rơle thời gian dung để chống nhiễu do hiện tượng rung lắc của nồi hơi khi mức nước thấp
5WL1 (20) : Rơle trung gian dùng trong báo động mức nước nồi hơi thấp
62WP1(25) : Tiếp điểm cảm biến mức nước dùng để điều khiển khởi động bơm nước
62WP2(26) : Tiếp điểm cảm biến mức nước dùng để điều khiển dùng bơm nước
62WA(25) : Rơle thời gian dùng để chống nhiễu do hiện tượng rung lắc cho nồi hơi khi ở mức nươc điều khiển chạy bơm
62WB(26) : Rơle thời gian dùng để chống nhiễu do hiện tượng rung lắc cho nồi hơi khi ở mức nước điều khiển dừng bơm
51BX (27) : Rơle trung gian dùng để báo động và bảo vệ khi quạt gió bị quá tải
5X(28) : Rơle trung gian dùng để khống chế quá trình đốt thông qua các điều kiện đốt
3R-B(28) : Nút ấn dùng để reset khi xảy ra sự cố quá tải quạt gió hoặc mức nước trong nồi quá thấp
43A(35) : Công tắc chọn chế độ đốt tự động hoặc bằng tay
Stand by(35): Công tắc dùng để phát lệnh đốt
6X(35) : Rơle trung gian điều khiển đốt
TM(37) : Động cơ lai cam chương trình
52X(38) : Rơle trung gian cấp nguồn cho contacto điều khiển quạt gió
28F : Tế bào quang điện phát hiện lửa
28FX : Rơle cảm biến ngọn lửa
28XX, 28X : Là các rơle trung gian để báo tín hiệu lửa
5BX(39) : Rơle trung gian dùng để báo cháy không thành công hoặc mất lửa khi đang đốt nồi
3BX(40) : Rơle trung gian dùng để reset tín hiệu báo cháy không thành công hoặc tín hiệu mất lửa khi đang đốt nồi
3R-B(41) : Nút ấn dùng để reset tín hiệu báo cháy không thành công DM(42) : Động cơ lai cửa gió dùng để đóng mở cửa gió
IT(43) : Biến áp đánh lửa
21Q1(45) : Van điện từ dùng để cấp dầu mồi
21Q1X(46) : Rơle trung gian để khống chế cấp nguồn cho van dầu đốt chính và duy trỳ cho van dầu mồi
33DX (49) : Rơle trung gian điều khiển động cơ lai của gió
33D(50) : Tiếp điểm hành trình khi của gió mở ra hết cỡ thì đóng
21Q2(50) : Van điện từ dùng để cấp dầu đốt cho nồi hơi
21Q2X : Rơle trung gian để báo đốt hai vòi
4321Q2(50) : Công tắc để điều khiển trong chế độ đốt bằng tay
3S1(52) : Công tắc chọn chế độ hoạt động tự động hoặc bằng tay của bơm cấp nước
3S2(52) : Công tắc để chọn bơm làm việc số 1 hoặc số 2
2.2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống
Bật aptomat 52 sang phía ON để cấp nguồn cho hệ thống khi đó đèn
WL sáng báo nguồn đã sẵn sàng cho hệ thống hoạt động
2.2.2.1 Chức năng cấp nước của hệ thống a Cấp nước bằng tay : Để hệ thống làm việc theo chế độ cấp nước bằng tay thì ta thực hiện như sau:
Để khởi động bơm nước số 1 hoặc số 2, người dùng cần bật công tắc 3S2 sang vị trí tương ứng (NO1 cho bơm số 1 và NO2 cho bơm số 2) Khi chọn bơm cấp nước số 1, bật công tắc 3S2 sang NO1 và sau đó chuyển công tắc 3S1(52) sang vị trí MANU để cấp nguồn cho công tắc tơ 52WP1(51) Khi tiếp điểm của công tắc tơ đóng lại, động cơ bơm cấp nước số 1 sẽ hoạt động, cung cấp nước cho nồi hơi Đèn GLWP1(12) sẽ sáng lên khi bơm đang hoạt động, báo hiệu rằng bơm cấp nước số 1 đang chạy Để dừng bơm, chỉ cần chuyển công tắc 3S1(52) về vị trí OFF, lúc này công tắc tơ 52WP1(51) sẽ mất điện và ngắt nguồn cho động cơ bơm.
1, bơm ngừng hoạt động Tiếp điểm phụ 52WP1(12) mở ra làm cho đèn GLWP1(12) tắt báo bơm số 1 ngừng hoạt động
Để khởi động bơm cấp nước số 2, bật công tắc 3S2 sang vị trí NO2 Để bơm hoạt động, bật công tắc 3S1(52) sang vị trí MANU, nguồn sẽ được cấp cho công tắc tơ 52WP2(53) Khi tiếp điểm của nó ở mạch động lực đóng lại, động cơ bơm cấp nước số 2 sẽ hoạt động và cung cấp nước cho nồi hơi Tiếp điểm phụ 52WP2(13) sẽ đóng lại, làm cho đèn GLWP2(13) sáng, báo hiệu bơm đang hoạt động Để dừng bơm, chỉ cần bật công tắc 3S1(52) về vị trí OFF, lúc này công tắc tơ 52WP2(53) sẽ mất điện và ngắt nguồn cho động cơ bơm.
Khi bơm ngừng hoạt động, tiếp điểm phụ 52WP2(13) mở ra, làm cho đèn GLWP2(13) tắt, báo hiệu bơm số 2 đã dừng Để hệ thống cấp nước hoạt động tự động, cần bật công tắc 3S1 về vị trí AUTO, lúc này bơm sẽ hoạt động dựa vào các cảm biến mức nước 62WP1(25) và 62WP2(26), giúp khởi động và dừng bơm tự động Nếu công tắc 3S2(52) được chuyển sang vị trí No.1, bơm cấp nước số 1 sẽ hoạt động trong chế độ tự động.
Khi bơm nước ngừng hoạt động và mức nước giảm xuống dưới mức hmin, cảm biến nước 62WP1(25) sẽ cung cấp nguồn cho rơle thời gian 62WA(25) Sau khoảng thời gian đã được cài đặt cho rơle 62WA(25), tiếp điểm thường mở 62WA(53) sẽ đóng lại.
Khi mức nước thấp, tiếp điểm 62WB(53) đóng, cấp nguồn cho cuộn dây công tắc tơ 52WP1(51), dẫn đến việc các tiếp điểm chính của nó đóng, cung cấp năng lượng cho động cơ bơm WP1 hoạt động Đồng thời, tiếp điểm phụ 52WP1(12) cũng đóng, làm cho đèn GL-WP1(12) sáng, báo hiệu bơm số 1 đang hoạt động Khi mức nước tăng lên đến hmax, cảm biến 62WP2(26) cấp nguồn cho rơle thời gian 62WB(26), sau đó tiếp điểm 62WB(53) mở ra, ngừng cấp nguồn cho cuộn dây công tắc tơ 52WP1(51), khiến các tiếp điểm chính mở ra và bơm ngừng hoạt động Tiếp điểm phụ 52WP1(12) cũng mở, tắt đèn GL-WP1(12), và tiếp điểm phụ 52WP1(52) không duy trì nguồn cho công tắc tơ nữa, dẫn đến việc động cơ dừng khi mức nước xuống dưới hmax Quá trình này lặp lại liên tục, và khi bơm số 2 được chọn, nó hoạt động tương tự như bơm cấp nước số 1.
2.2.2.2 Chức năng tự động hâm dầu đốt
Hâm dầu đốt thực hiện dựa vào các cảm biến nhiệt độ dầu đốt 23Q1 và 23Q3
2.2.2.3 Chức năng tự động đốt nồi a Đốt bằng tay
Trước khi tiến hành đốt, cần kiểm tra các điều kiện như mức nước trong nồi, nhiệt độ dầu đốt và tình trạng quạt gió để đảm bảo an toàn Chỉ khi tất cả các điều kiện này được đáp ứng, mới được phép thực hiện đốt Để thực hiện đốt bằng tay, hãy chuyển công tắc 43A sang vị trí MANU, khi đó các tiếp điểm 43A (42, 44, 48, 50) sẽ đóng lại, sẵn sàng cung cấp nguồn cho mạch đốt bằng tay.
Khi bật công tắc 4352B(42), nguồn điện được cấp cho cuộn dây công tắc tơ 52B(41) do tiếp điểm 51BX(41) vẫn đóng, cho phép các tiếp điểm chính của công tắc tơ 52B(41) hoạt động, cung cấp năng lượng cho quạt gió BM Đồng thời, tiếp điểm 52B(45) cũng đóng lại để chuẩn bị cấp nguồn cho van dầu mồi 21Q1(45) Ngoài ra, cửa gió DM(42) cũng được cấp nguồn để đóng bớt cửa gió, chuẩn bị cho quá trình đốt mồi.
Sau khi bật quạt gió, quá trình thổi sạch khí dễ nổ và cung cấp oxy cho lò diễn ra Bật công tắc 63IT(44) để cấp nguồn cho biến áp đánh lửa hoạt động Sau khoảng 5 giây, ấn nút 21Q1A(48) để kích hoạt van dầu mồi 21Q1(45) phun dầu vào buồng đốt, trong khi rơle 21Q1X(46) cũng nhận điện, khiến các tiếp điểm thường mở của nó đóng lại Tiếp điểm 21Q1X(3) sẽ cấp điện cho đèn báo cháy thành công, trong khi các tiếp điểm 21Q1X(47) và 21Q1X(49) chuẩn bị duy trì tín hiệu lửa và cấp nguồn cho van dầu đốt số 2 21Q2 Tại đây, sẽ có hai khả năng xảy ra.
Quá trình đốt mồi thành công tạo ra lửa trong buồng đốt, kích hoạt rơle cảm biến ngọn lửa và cấp điện cho các rơle 28XX và 28X Khi rơle 28XX có điện, tiếp điểm 28XX(59) đóng lại, gửi tín hiệu báo cháy thành công Rơle 28X cũng có điện, đóng tiếp điểm 28X(47), duy trì nguồn cho van dầu 21Q1(45) và rơle trung gian 21Q1X(46) Tiếp điểm 28X(3) cấp điện cho đèn GL1(3) sáng, báo hiệu cháy thành công, cho phép người điều khiển tắt công tắc 63IT(44) và bật công tắc 4321Q2(50) để cấp nguồn cho rơle trung gian 33DX(49) Tiếp điểm 33DX(42) mở cửa gió, cung cấp thêm ôxi cho buồng đốt Khi cửa gió mở hết cỡ, tiếp điểm hành trình 33D đóng lại, cấp nguồn cho van dầu đốt 21Q2(50) và rơle trung gian 21Q2X(50), làm đèn GL2(4) sáng báo đốt 2 vòi Người điều khiển theo dõi áp suất hơi nồi hơi, khi áp suất gần đạt, tắt công tắc 4321Q2, ngừng cấp dầu vào buồng đốt và giảm cửa gió Lúc này, nồi hơi chỉ đốt 1 vòi để đảm bảo chất lượng hơi tốt hơn, dẫn đến đèn GL2(4) tắt, báo hiệu đang đốt 1 vòi.
* Nếu cháy không thành công:
Nếu quá trình đốt mồi không thành công và không có tín hiệu lửa, các rơle 28XX và 28X sẽ không được cấp điện Sau 15 giây, nếu nhấn nút 21Q1A(48) mà đèn GL1(3) không sáng, người điều khiển sẽ ngừng phun dầu mồi vào buồng đốt và tắt công tắc 63IT(44) để cắt nguồn cho biến áp đánh lửa Sau đó, quạt gió sẽ hoạt động trong 30 giây để thổi sạch khí dễ cháy ra khỏi lò, trước khi tắt công tắc 4352B(42) để dừng quạt gió và chuẩn bị cho lần đốt lại tiếp theo.
- Đầu tiên ta bật aptomat nguồn 52 để cấp nguồn cho hệ thống Khi đó đèn WL(2) sáng báo nguồn sẵn sàng cho hệ thống hoạt động
Kiểm tra tất cả các thông số như mức nước, nhiệt độ dầu đốt và quạt gió để đảm bảo chúng đạt yêu cầu Nếu bất kỳ thông số nào không đạt, cần điều chỉnh cho phù hợp trước khi phát lệnh đốt.
Khi bật công tắc 43A(37) ở chế độ AUTO, Rơle cảm biến ngọn lửa sẽ được cấp nguồn, và các tiếp điểm 43A(41, 43, 45, 49) sẽ đóng lại, sẵn sàng cung cấp nguồn cho mạch phía sau.
- Bật công tắc Stand-by về vị trí ON để phát lệnh đốt
+ Tiếp điểm T 1-1 (35) của cam chương trình đang đóng do CAM đang ở vị trí ban đầu
+ Vì nhiệt độ dầu đốt không thấp nên rơle 23Q2X đang có điện, tiếp điểm thường mở 23Q2X(35) đang đóng
Do quạt gió hoạt động ổn định, mức nước duy trì ở mức an toàn và không có lệnh dừng khẩn cấp, rơle 5X(28) không nhận điện, dẫn đến tiếp điểm thường đóng của nó vẫn trong trạng thái đóng.
Tiếp điểm 23Q2X(35) đóng, tiếp điểm 5X(28) đóng và công tắc Stand- by(35) bật→ Rơle 6X(36) có điện → các tiếp điểm của nó thay đổi trạng thái
+ Tiếp điểm 6X(36) đóng lại tự duy trì
+ Tiếp điêm 6X(38) đóng lại để sẵn sàng cấp nguồn cho động cơ lai cam chương trình TM(37) và cho Rơle 52X(38) để cấp nguồn cho quạt gió
+ Tiếp điểm 6X(43) đóng lại để sẵn sàng cấp nguồn cho biến áp đánh lửa IT(43)
+ Tiếp điểm 6X(45) đóng lại để sẵn sàng cấp nguồn cho van dầu mồi 21Q1(45) và Rơle trung gian 21Q1X(45)
+ Tiếp điểm 5BX(37) đang đóng do không có tín hiệu báo cháy không thành công nên Rơle 5BX(39) không có điện
+ Tiếp điểm 28X(37) đang đóng do chưa có ngọn lửa nên Rơle 28X chưa có điện
→ Cam chương trình TM có điện, và cam chương trình bắt đầu hoạt động để thực hiện quá trình đốt tự động
Khi nhấn nút phát lệnh đốt, quạt gió và cam chương trình TM bắt đầu hoạt động Sau 2 giây, tiếp điểm T1-1 mở ra, nhưng 6X(35) vẫn đóng, do đó 6X(35) vẫn tiếp tục có điện Cuối cùng, sau 2 giây, tiếp điểm T1-2 đóng lại để duy trì nguồn cho cam chương trình TM(37) hoạt động.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỒI HƠI TỰ ĐÔNG SỬ DỤNG PLC
PLC và cấu hình phần cứng
3.1.1 Giới thiệu về cấu hình cứng của PLC
PLC, viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lôgic lập trình được, cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển một cách linh hoạt thông qua ngôn ngữ lập trình.
3.1.1.1 Quá trình phát triển và ứng dụng PLC
Trước khi có các bộ điều khiển chương trình, sản xuất đã sử dụng nhiều phần tử điều khiển như hệ trục cam và bộ khống chế hình trống Sự xuất hiện của rơle điện từ đã làm cho panel rơle trở thành thiết bị điều khiển chủ đạo Khi tranzitor ra đời, nó được áp dụng vào những lĩnh vực mà rơle điện từ không đáp ứng được yêu cầu điều khiển cao.
Hệ điều khiển logic được hình thành từ sự kết hợp các phần tử và linh kiện điện tử, tạo ra các liên kết giữa chúng và thiết bị chấp hành để thực hiện chương trình hoạt động mà con người mong muốn Khi có sự thay đổi trong chương trình, cần sắp xếp lại các liên kết này Ngày nay, lĩnh vực điều khiển đã mở rộng đến các quy trình sản xuất phức tạp và hệ thống điều khiển tập trung, mà hệ thống điều khiển logic thông thường không đáp ứng được Do đó, PLC ra đời và ngày càng trở nên phổ biến, mang lại nhiều lợi ích, giúp các thao tác máy trở nên nhanh chóng, dễ dàng và đáng tin cậy, đồng thời phát triển theo nhu cầu công nghệ Trong PLC, logic điều khiển được mô tả qua chương trình, cho phép kết nối trực tiếp các bộ cảm biến và thiết bị chấp hành Khi có thay đổi trong cấu trúc điều khiển, chỉ cần điều chỉnh chương trình trong bộ nhớ.
3.1.1.2 Vai trò của bộ điều khiển PLC
Trong hệ thống điều khiển tự động, bộ điều khiển PLC đóng vai trò như bộ não, điều hành toàn bộ quy trình Với chương trình ứng dụng được lưu trữ trong bộ nhớ, PLC giám sát chính xác trạng thái hệ thống thông qua tín hiệu từ các thiết bị đầu vào Dựa trên chương trình logic, PLC xác định các hoạt động cần thực hiện và truyền tín hiệu đến thiết bị đầu ra PLC có khả năng điều khiển các thao tác đơn giản, lặp đi lặp lại, hoặc kết nối với hệ thống điều khiển trung tâm qua mạng truyền dẫn, nhằm tổ hợp điều khiển các quá trình xử lý phức tạp.
3.1.2 Điều khiển logic khả trình PLC - S7 200
S7-200 là thiết bị điều khiển logic khả trình nhỏ của Siemens (CHLD Đức), có cấu trúc modul với các modul mở rộng phục vụ cho nhiều ứng dụng lập trình khác nhau Thành phần chính của S7-200 bao gồm khối vi xử lý CPU 212 và CPU 214, và sự khác biệt giữa hai loại CPU này có thể nhận biết qua số lượng đầu vào/ra và nguồn cung cấp.
- CPU 212 có 8 cổng vào và 6 cổng ra, có khả năng được mở rộng thêm bằng 2 modul mở rộng
- CPU 214 có 14 cổng vào và 10 cổng ra, có khả năng được mở rộng thêm bằng 7 modul mở rộng
- S7-200 có nhiều loại mở rộng khác nhau
S7-200 sử dụng cổng RS485 với phích 9 chân để kết nối với thiết bị lập trình và các trạm PLC khác Tốc độ truyền cho máy lập trình PPI đạt 9600 baud, trong khi tốc độ truyền của PLC theo kiểu tự do dao động từ 300 đến 38400 baud.
Hình 3.1 : Sơ đồ chân của cổng truyền thông
Chân Giải thích Chân Giải thích
1 Đất 6 5 VDC(Điện trở trong 100 )
2 24 VDC 7 24VDC(120mA tối đa)
3 Truyền và nhận dữ liệu 8 Truyền và nhận dữ liệu
4 Không sử dụng 9 Không sử dụng
Để kết nối S7-200 với máy lập trình PG 702 hoặc các loại máy lập trình thuộc họ PGFXX, bạn có thể sử dụng cáp nối thẳng qua MPL, loại cáp này được cung cấp kèm theo máy lập trình.
Ghép nối S7-200 với máy tính PC qua cổng RS –232 cần có cáp nồi PC/PPI với bộ chuyển đổi RS –232 /RS-485
Hình 3.2: Hai cách ghép nối máy tính với PLC S7-200 để truyền thông
Công tắc chọn chế độ làm việc cho PLC:
Công tắc chọn chế độ làm việc trên PLC S7-200 nằm ở vị trí phía trên, bên cạnh các cổng ra, với ba vị trí cho phép người dùng chọn các chế độ làm việc khác nhau.
- RUN cho phép PLC thực hiện chương trình trong bộ nhớ PLC S7-
Khi có sự cố xảy ra trong máy hoặc chương trình gặp lệnh STOP, PLC sẽ tự động chuyển từ chế độ RUN sang chế độ STOP, ngay cả khi công tắc vẫn ở chế độ RUN Do đó, việc theo dõi trạng thái hiện tại của PLC qua đèn báo là rất quan trọng.
Khi dừng công việc của PLC, hãy sử dụng chế độ STOP để ngừng chương trình đang chạy Ở chế độ này, PLC cho phép bạn hiệu chỉnh lại chương trình hiện tại hoặc nạp một chương trình mới.
- TERM cho phép máy lập trình tự quyết điịnh một trong chế độ làm việc cho PLC hoặc ở RUN hoặc ở STOP
Chỉnh định tương tự cho phép điều chỉnh các biến cần thiết trong chương trình, với 1 bộ trong CPU 212 và 2 bộ trong CPU 214 Núm chỉnh analog được lắp đặt dưới nắp đậy bên cạnh các cổng ra và có khả năng quay 270 độ.
Pin và nguồn nuôi bộ nhớ:
Nguồn nuôi là thiết bị dùng để ghi hoặc nạp chương trình mới, trong khi nguồn pin giúp kéo dài thời gian lưu trữ dữ liệu trong bộ nhớ Khi dung lượng tụ nhớ giảm, nguồn pin sẽ tự động chuyển sang trạng thái tích cực để thay thế, đảm bảo dữ liệu trong bộ nhớ không bị mất.
3.1.2.1 Cấu trúc bộ nhớ : a Phân chia bộ nhớ :
Bộ nhớ của s7-200 được chia thành 4 vùng với 1 tụ có nhiệm vụ duy trì dữ liệu trong một khoảng thời gian nhất định khi mất nguồn Bộ nhớ của
S7-200 có khả năng hoạt động linh hoạt, cho phép đọc và ghi dữ liệu trên toàn bộ vùng nhớ, ngoại trừ các bít nhớ đặc biệt được ký hiệu là SM (special memory), chỉ có thể truy cập để đọc.
Vùng chương trình: Là miền bộ nhớ được sử dụng để lưu trữ các lệnh chương trình Vùng này thuộc kiểu non –volatile đọc/ghi được
Vùng tham số là khu vực lưu trữ các tham số như từ khóa và địa chỉ trạm Tương tự như vùng chương trình, vùng tham số cũng thuộc loại non-volatile, cho phép đọc và ghi dữ liệu.
Vùng dữ liệu là nơi lưu trữ các dữ liệu của chương trình, bao gồm kết quả, phép tính và hằng số được định nghĩa Ngoài ra, nó cũng chứa bộ đệm truyền thông Đặc biệt, phần đầu tiên của vùng nhớ này (200 byte đối với CPU212 và 1 K byte đối với CPU214) thuộc loại non-volatile, cho phép đọc và ghi dữ liệu.
Hệ thống điều khiển và giám sát nồi hơi bằng PLC
3.2.1 Các tín hiệu đầu vào ra của PLC
Kết nối dây cho PLC hoạt động
- Nút nhấn, công tắc gạt, ba chấu …
- Các loại cảm biến: quang điện, tiệm cận, điện dung, từ, kim loại, siêu âm, phân biệt màu sắc, cảm biến áp suất …
- Công tắc hành trình, công tắc thường
Các thiết bị được điều khiển đầu ra :
- Động cơ AC một pha và ba pha
- Đèn báo, đèn chiếu sáng
3.2.3 Hoạt động của hệ thống
Hệ thống bơm nước được trang bị 2 bơm để cấp nước vào lò, cho phép hoạt động luân phiên theo nhu cầu người dùng Bảng điều khiển có 2 công tắc: một để chọn chế độ Auto/Man và một để chọn bơm 1 hoặc 2 Chế độ tay cho phép bơm nước bất kỳ lúc nào, nhưng ít được sử dụng do yêu cầu mức nước trong lò phải chính xác để đảm bảo lượng hơi sinh ra phù hợp Chế độ Auto hoạt động dựa trên tín hiệu từ cảm biến, gửi về bộ điều khiển, từ đó lập trình trong PLC sẽ điều khiển bơm và thông báo tình trạng cạn nước Khi cảm biến mức nước, cảm biến áp suất và cảm biến nhiệt độ hoạt động, PLC sẽ khởi động motor bơm khi thiếu nước và ngừng bơm khi đạt mức cho phép Nếu mực nước giảm xuống dưới mức quy định, PLC sẽ cảnh báo tình trạng hết nước cấp 1 và 2, đồng thời dừng hoạt động của lò.
Hệ thống bơm dầu đốt sử dụng hai bơm để dự phòng và luân phiên, giúp gia tăng tuổi thọ của động cơ bơm Bảng điều khiển có hai công tắc để chọn chế độ và bơm Chế độ tay cho phép bơm dầu vào bồn bất kỳ lúc nào, nhưng được kiểm soát bởi cảm biến phao để ngăn ngừa tràn dầu Trong chế độ tự động, bơm hoạt động dựa trên tín hiệu từ cảm biến phao, bao gồm một cảm biến báo bơm và một cảm biến ngắt bơm.
Hệ thống hâm dầu đốt tự động bao gồm cảm biến nhiệt để đo nhiệt độ dầu và điện trở nhiệt để làm nóng dầu Điện trở nhiệt sẽ gia nhiệt cho dầu đến khi đạt mức nhiệt độ cho phép, trong khi bộ điều khiển sẽ điều chỉnh quá trình này.
Hai tín hiệu quan trọng trong hệ thống là nhiệt độ hoạt động của điện trở nhiệt và nhiệt độ ngắt của điện trở nhiệt Những tín hiệu này được đưa vào PLC lập trình nhằm tối ưu hóa quá trình hâm dầu đốt Mục tiêu chính của việc này là giảm thời gian làm nóng dầu, đồng thời đảm bảo hiệu suất cháy kiệt dầu, từ đó ngăn chặn lãng phí và thất thoát nhiên liệu.
Khi khởi động, áp suất trong đầu đốt giảm đột ngột, dẫn đến việc môi chất lạnh bay hơi và gây hiện tượng sủi bọt dầu mạnh Điều này làm cho dầu bị cuốn vào xilanh, gây ra va đập thủy lực và làm cho đầu đốt hoạt động nặng nề, dẫn đến khởi động khó khăn Nếu dầu bốc khỏi đầu đốt, tình trạng thiếu dầu có thể gây hỏng hóc và trục trặc Để tránh tình trạng này, cần bố trí bộ sưởi trước khi khởi động máy, đặc biệt trong các trường hợp dừng máy dài ngày.
Tùy theo lượng dầu và cỡ bồn chứa, công suất thanh sưởi có thể dao động từ 40-220W lắp vào lưới điện 220V
Bộ sưởi dầu hoạt động liên tục khi nồi hơi đang hoạt động Khi nhiệt độ dầu đạt mức cho phép, tín hiệu sẽ được gửi về PLC để ngắt điện trở hoặc bộ sưởi dầu Khi nhiệt độ giảm xuống, bộ sưởi dầu sẽ tự động hoạt động trở lại.
Hệ thống duy trì áp suất của nồi hơi bao gồm cảm biến áp suất, bộ điều khiển và PLC, giúp hiển thị và cảnh báo về áp suất Hệ thống được trang bị hai công tắc áp suất, cho phép điều chỉnh chế độ lửa từ nhỏ sang lớn và ngược lại, đồng thời duy trì áp suất ổn định cho nồi hơi Một công tắc áp suất sẽ ngắt nồi hơi khi đạt đủ áp suất và khởi động lại khi áp suất giảm dưới ngưỡng Rơ le áp suất đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh, tự động ngắt hoặc đóng khi áp suất vượt quá hoặc thấp hơn mức đã định.
Hệ thống đốt nồi hơi được trang bị đầu phun lập trình sẵn, cho phép điều khiển hoạt động nhằm duy trì áp suất nồi hơi Đầu phun có hai bép phun: bép phun đầu tiên hoạt động ở chế độ lửa nhỏ khi khởi động và hâm nóng nước, trong khi bép phun thứ hai kết hợp với bép phun đầu tiên để tạo chế độ lửa lớn, giúp nồi hơi hoạt động liên tục Khi có sự cố hoặc quá trình khởi động không thành công, đầu phun sẽ gửi tín hiệu lỗi về PLC.
Hệ thống bảo vệ và giám sát nồi hơi cần được thực hiện một cách nghiêm ngặt, với các chế độ bảo vệ như báo cạn nước, báo nhiệt độ khí thải cao và báo áp suất cao Khi tín hiệu báo cạn nước được gửi đến bộ PLC, phần mềm lập trình sẽ tự động dừng đầu đốt và ngừng hoạt động của nồi hơi cho đến khi nước đạt mức an toàn Trong trường hợp áp suất cao, hệ thống cũng sẽ tự động dừng nồi hơi và đầu đốt Để đảm bảo an toàn, cần có đèn và chuông báo hiệu giúp người vận hành có biện pháp xử lý phù hợp cho từng tình huống.
Chế độ nước, dầu, hâm dầu và các chế độ khác hoạt động độc lập, không thông qua chế độ tự động của hệ thống Hệ thống này bao gồm chế độ đốt nồi, điều khiển, bảo vệ và giám sát, cùng với chế độ duy trì áp suất hơi cho nhà máy Bài viết sẽ trình bày trình tự hoạt động và cách vận hành hệ thống một cách chi tiết.
Hệ thống hoạt động với hai chế độ là Man và Auto Trong chế độ Man, hệ thống hoạt động theo ý muốn của người vận hành Ngược lại, chế độ Auto bắt đầu với lửa nhỏ và sau một khoảng thời gian được lập trình trong PLC, sẽ chuyển sang lửa lớn Đầu đốt hoạt động theo trình tự đã lập trình, và nếu không có sự cố, sau thời gian khởi động, chế độ lửa sẽ chuyển sang lửa lớn để nồi hơi nhanh chóng đạt áp suất yêu cầu Khi áp suất gần đạt mức làm việc, rơ le áp suất 2 sẽ chuyển đổi sang chế độ lửa nhỏ và duy trì áp suất cho đến khi đạt áp suất đặt Khi đạt áp suất làm việc, nồi hơi tự động dừng và quá trình sẽ được lập trình trong PLC Khi áp suất giảm, rơ le áp suất 1 sẽ kích hoạt lại, bắt đầu chu trình từ đầu Người vận hành thường điều chỉnh áp suất để duy trì hơi cần thiết, bằng cách điều chỉnh áp lực bơm dầu hoặc cửa gió quạt thổi để kiểm soát độ mạnh của đầu đốt.
Lập trình cho hệ thống trên PLC S7 - 200 Tín hiệu vào:
AIW0 : Tín hiệu vào t-ơng tự - nhiệt độ dầu đốt AIW2 : Tín hiệu vào t-ơng tự - áp suất dầu đốt Tín hiệu ra :
Q0.0 : Báo động nhiệt độ dầu đốt cao - đèn đỏ Q0.1 : Báo động nhiệt độ dầu đốt thấp - đèn đỏ Q0.3 : Điện trở sấy
Q0.4 : Báo động áp suất dầu đốt cao - đèn đỏ Q0.5 : Báo động áp suất dầu đốt thấp - đèn đỏ Q0.6 : Bơm tăng áp
Kết luận kỹ thuật và đánh giá
Hệ thống điều khiển và giám sát nồi hơi bằng lập trình PLC mang lại sự an toàn cao trong quá trình vận hành, đồng thời giảm bớt gánh nặng cho người điều khiển Hiện nay, nồi hơi sử dụng công nghệ này đang trở nên phổ biến trên các tàu thủy.
Nồi hơi được thiết kế an toàn, với kích thước gọn nhẹ và dễ dàng bố trí dưới tàu Chúng có dung tích lớn, hiệu suất bốc hơi nhanh, lưu tốc khí lò cao và số bầu nồi ít, cùng với đường kính bầu nổi nhỏ giúp giảm độ dày và trọng lượng của nồi.
Cấu tạo đơn giản, bố trí thuận tiện cho việc chăm sóc sửa chữa, sử dụng đơn giản, dễ thao tác
Tính cơ động cao, thời gian nhóm lò, sấy hơi nhanh, có thể thay đổi l-ọng tải lớn
Hệ thống điều khiển làm việc chắc chắn, tin cậy, tính kinh tế cao, hiệu suất toàn tải cao và hiệu suất giảm ít khi nhẹ tải
Hệ thống này có cấu trúc phức tạp, yêu cầu người vận hành cần có trình độ kỹ thuật chuyên môn cao Đồng thời, chi phí đầu tư cho hệ thống cũng tương đối lớn.
Lò hơi đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nhiệt cho nhiều ngành công nghiệp như luyện kim, hóa chất, và công nghiệp nhẹ, cũng như trong các ứng dụng dân dụng Sau ba tháng làm việc nghiêm túc dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Tiến Ban, tôi đã hoàn thành đồ án, qua đó thu được nhiều kiến thức bổ ích về hệ thống nồi hơi, đặc biệt là nồi hơi tàu thủy Đồ án của tôi đã trình bày các vấn đề chính liên quan đến hệ thống nồi hơi.
1) Tổng Quát về hệ thống nồi hơi tự động
2) Hệ thống điều khiển nồi hơi dùng contactor, relay và cam chương trình
3) Thiết kế hệ thống điều khiển nồi hơi tự động sử dụng PLC
Hệ thống nồi hơi đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, từ ngành hàng hải đến các ngành công nghiệp nặng và nhẹ, góp phần vào quá trình công nghiệp hóa tại Việt Nam Tuy nhiên, do kiến thức còn hạn chế, đồ án này có thể còn nhiều sai sót Tôi rất mong nhận được ý kiến đóng góp từ thầy cô và các bạn để hoàn thiện hơn.
Chương 1: TỔNG QUÁT VỀ HỆ THỐNG NỒI HƠI TỰ ĐỘNG 2
1.1 Yêu cầu, phân loại và cấu trúc của hệ thống nồi hơi 2
1.1.2 Yêu cầu của hệ thống nồi hơi tự động 3
1.1.3 Phân loại hệ thống nồi hơi tự động 3
1.2 Cấu trúc tổng thể của một hệ thống nồi hơi tự đông 7
1.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của nồi hơi 7
1.2.2.7 Đinh chằng ngắn, đinh chằng dài 12
1.3 Các chức năng của nồi hơi tự động và thuật toán điều khiển 13
1.3.1 Chức năng tự động cấp nước nồi hơi 13
1.3.1.1 Yêu cầu chế độ nước ấp, nước lò 13
1.3.1.2 Mức nước thấp nhất và và cao nhất 13
1.3.1.4 Thiết bị cấp nước cho lò hơi 16
1.3.1.5 Cảm biến mực nước lò hơi 17
1.3.1.6 Tự động cấp nước cho lò hơi 18
1.3.2 Tự động hâm dầu đốt 20
1.3.3 Chức năng tự động đốt lò 21
1.3.4 Tự động duy trì áp suất hơi 23
1.3.5 Tự động kiểm tra,báo động và bảo vệ nồi hơi 26
CHƯƠNG 2 CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NỒI HƠI TÀU THỦY ĐIỂN HÌNH 27
2.2 Hệ thống điều khiển nồi hơi dùng contactor, relay và cam chương trình 28
2.2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống 32
2.2.2.1 Chức năng cấp nước của hệ thống 32
2.2.2.2 Chức năng tự động hâm dầu đốt 34
2.2.2.3 Chức năng tự động đốt nồi 34
2.2.2.4 Chức năng tự động điều chỉnh áp suất hơi 40
2.2.2.5 Chức năng tự động kiểm tra, báo động và bảo vệ 41
Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỒI HƠI TỰ ĐÔNG SỬ DỤNG PLC……….44
3.1 PLC và cấu hình phần cứng 44
3.1.1 Giới thiệu về cấu hình cứng của PLC 44
3.1.1.1 Quá trình phát triển và ứng dụng PLC 44
3.1.1.2 Vai trò của bộ điều khiển PLC 45
3.1.2 Điều khiển logic khả trình PLC - S7 200 45
3.2 Hệ thống điều khiển và giám sát nồi hơi bằng PLC 54
3.2.1 Các tín hiệu đầu vào ra của PLC 54
3.2.3 Hoạt động của hệ thống 55
3.2 Kết luận kỹ thuật và đánh giá 62