Thiết kế truyền động điện và trang bị điện trạm khí nén có nhiều máy nén khí với mức độ tự động hóa cao

LỜI MỞ ĐẦU Ngày tất nhà máy xí nghiệp cơng nghiệp trang bị hệ thống tự động hoá mức cao Các hệ thống nhằm mục đích nâng cao chất lượng sản phẩm, nâng cao suất lao động, giảm chi phí sản xuất, gải phóng người lao động khỏi vị trí độc hại … Các hệ thống tự động hố giúp theo dõi, giám sát quy trình công nghệ thông qua số hệ thống đo lường kiểm tra Các hệ thống tự động hoá thực chức điều chỉnh thông số công nghệ nói riêng điều khiển tồn quy trình cơng nghệ tồn xí nghiệp nói chung Hệ thống tự động hố đảm bảo cho quy trình cơng nghệ xảy điều kiện cần thiết đảm bảo nhịp độ sản xuất mong muốn công đoạn quy trình cơng nghệ Chất lượng sản phẩm suất lao động phân xưởng, nhà máy, xí nghiệp phụ thuộc lớn vào chất lượng làm việc hệ thống tự động hố Để phát triển sản xuất, ngồi việc nghiên cứu hồn thiện quy trình cơng nghệ ứng dụng cơng nghệ mới, hướng nghiên cứu không phần quan trọng nâng cao mức độ tự động hố quy trình cơng nghệ : “Thiết kế truyền động điện trang bị điện trạm khí nén có nhiều máy nén khí với mức độ tự động hóa cao” Để hồn thành đồ án em xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Hoàng Xuân Bình tồn thể thầy giáo bạn Trường Đại học Dân Lập Hải Phòng giúp đỡ hướng dẫn em tận tình trình làm tốt nghiệp Sinh viên thực Phạm Quý Dạt CHƢƠNG KHÁI QUÁT CHUNG VỀ TRẠM KHÍ NÉN TRONG CƠNG NGHIỆP 1.1 VAI TRỊ VÀ CHỨC NĂNG CỦA MÁY NÉN KHÍ Truyền động điều khiển khí nén ngày trở lên phổ biến sử dụng rộng rãi công nghiệp Chúng thường sử dụng hệ thống tự động hóa, hệ thống kẹp, giữ nâng hạ di chuyển Khơng khí nén dạng lượng quan trọng sử dụng rộng rãi tất ngành kinh tế quốc dân: luyện kim, hố chất, khí xây dựng, giao thơng vận tải, nơng nghiệp… 1.1.1 Vai trị hệ thống khí nén Trong cơng nghiệp khí nén có ý nghĩa đặc biệt quan trọng yêu cầu có hệ thống khí nén gần bắt buộc với ngành từ ngành may, dệt, hóa chất, khí, nhựa Do q trình cơng nghệ phức tạp địi hỏi phải tự động điểu khiển trình yêu cầu vận hành cao Chính phần lớn q trình điều khiển tự động Trong điều khiển hoạt động nhà máy, việc điều khiển van chiếm vị trí quan trọng van điều khiển khí nén có số ưu điểm, chí số van ngừng khẩn cấp bắt buộc phải dùng khí nén lý an tồn Chất lượng khí nén độ tin cậy hệ thống đóng vai trị quan trọng việc đảm bảo hoạt động bình thường an toàn vận hành nhà máy Ngoài chức cung cấp khí nén cho q trình điều khiển tự động khí nén cịn phục vụ cho số q trình cơng nghệ, dụng cụ sửa chữa máy móc 1.1.2 Giới thiệu máy nén khí hệ thống khí nén Máy nén khí máy móc (hệ thống học) có chức làm tăng áp suất chất khí Các máy nén khí dùng để cung cấp khí có áp suất cao cho hệ thống máy công nghiệp để vận hành chúng, để khởi động động có cơng xuất lớn, để chạy động khí nén máy móc, thiết bị nhiều chuyên ngành khác Hệ thống khí nén sử dụng khí áp suất để tạo chuyển động Do hiệu suất làm việc hệ thống không cao nhiều nguy hiểm chứa khí nén áp suất cao nên giới hạn áp suất làm việc hệ thống nén công nghiệp tới bar, số hệ thống đặc biệt làm việc với áp suất cao khoảng 10 bar 1.1.2.1 Phân loại máy nén khí a Phân loại theo áp suất Máy nén khí áp suất thấp: p < 15 bar Máy nén khí áp suất cao: p > 15 bar Máy nén khí áp suất cao : p > 300 bar b Phân loại theo nguyên lý hoạt động Máy nén khí chuyển động trịn Máy nén khí chuyển động tịnh tiến c Phân loại theo số cấp nén Máy nén cấp Máy nén nhiều cấp d Phân loại theo cách làm mát Làm lạnh theo trình nén Khơng làm lạnh 1.1.2.2 Một số dạng máy nén khí thƣờng đƣợc sử dụng a Máy nén khí Piston Máy nén khí Piston hay cịn gọi máy nén khí chuyển động tịnh tiến sử dụng piston điều khiển tay quay.Có thể đặt cố định di chuyển được,có thể sử dụng riêng biệt tổ hợp.Chúng điều khiển động điện động Diesel Máy nén khí Piston chia làm hai loại: Máy nén khí piston có dầu(Oil flood piston air compressor) máy nén khí piston khơng dầu(Oil free piston air compressor).Ngồi máy nén khí piston cịn phân loại theo áp suất làm việc: Máy nén khí piston thấp áp máy nén khí piston cao áp Máy nén khí piston thấp áp 8-15bar Máy nén khí piston cao áp khơng dầu 15-35bar Máy nén khí piston cao áp có dầu 15- 35bar Máy nén khí piston chiều cấp Hình1.1: Sơ đồ nguyên lý hoạt động máy nén khí piston chiều, cấp a) khơng có trượt, b)có trượt 1)xilanh 2)piston 3)con đẩy 4)con trượt 5)thanh truyền6)tay quay 7van nạp 8)van xả Nguyên lý hoạt động: Máy nén khí piston cấp: Ở kì nạp, chân khơng tạo lập phía piston, khơng khí đẩy vào buồng nén thông qua van nạp Van mở tự động chênh lệch áp suất gây chân không bề mặt piston Khi piston xuống tới “ điểm chết dưới” bắt đầu lên, khơng khí vào buồng nén cân áp suất phía nên van nạp đóng lại q trình nén khí bắt đầu xảy Khi áp suất buồng nén tăng tới mức làm cho van mở ra, khí nén qua van để vào hệ thống khí nén - Cả hai van nạp thường có lị xo van đóng mở tự động chênh lệch áp suất phía van - Sau piston lên đến “điểm chết trên” bắt đầu xuống trở lại, van đóng chu trình nén khí mơi bắt đầu -Máy nén khí kiểu piston cấp hút lượng đến 10m/phút áp suất nén bar, số trường hợp áp suất nén đến 10 bar Máy nén khí piston hai chiều cấp Hình 1.2: Máy nén khí nhiều cấp Nguyên lý hoạt động: Máy nén khí piston hai chiều cấp, hai đầu xilanh làm kín có lắp van nạp, van xả Chuyển động piston đồng thời thực hai q trình nạp khí phần xilanh xả khí phần xi lanh Khi piston xuống, thể tích phần khơng gian phía piston lớn dần, áp suất giảm xuống van nạp mở không khí nạp vào phía piston Đồng thời piston xuống, thể tích piston giảm, áp suất tăng van xả mở ra, khí theo đường ống qua bình chứa Khi piston lên khơng gian phía piston lớn dần, áp suất giảm van nạp mở ra, khơng khí nạp vào xi lanh, đồng thời V phía piston nhỏ dần.áp suất tăng, van xả mở ra, khí nén phía piston nén đẩy vào bình chứa Máy nén khí kiểu piston cấp nén đến áp suất 15 bar Loại máy nén khí kiểu piston 3,4 cấp nén áp suất đến 250 bar - Nén công nghiệp Máy nén khí piston phân loại theo số cấp nén, loại truyền động phương thức làm nguội khí nén b Máy nén khí ly tâm Hình 1.3: Máy nén khí ly tâm Máy nén khí ly tâm sử dụng đĩa xoay hình cánh quạt bánh đẩy để ép khí vào phầm rìa bánh đẩy làm tăng tốc độ khí Bộ phận khuếch tán máy chuyển đổi lượng tốc độ thành áp suất Máy nén khí ly tâm thường sử dụng ngành công nghiệp nặng môi trường làm việc liên tục Chúng thường lắp cố định Công suất chúng từ hàng trăm đến hàng ngàn mã lực Với hệ thống làm việc gồm nhiều máy nén khí ly tâm, chúng tăng áp lực đầu 10000 lbf/in² (69 MPa) Nhiều hệ thống làm tuyết nhân tạo sử dụng loại máy nén Chúng sử dụng động đốt trong, nạp động tua-bin Máy nén khí ly tâm sử dụng động tua-bin gas nhỏ giống tầng nén khí cuối động tua-bin gas cỡ trung bình c Máy nén trục vít Máy nén khí trục vít có khoảng năm 1950 chiếm lĩnh thị trường lớn lãnh vực khí nén Loại máy nén khí có vỏ đặt biệt bao boc quanh hai trục vít quay, lồi lõm Các hai trục vít ăn khớp với số trục vít lồi trục vít lõm đến Hai trục vít phải quay đồng với nhau, trục vít vỏ bọc có khe hở nhỏ Khi trục vít quay nhanh, khơng khí hút vào bên máy thong qua nạp vào buồng khí trục vít khơng khí nén buồng khí nhỏ lại sau khí nén tới cửa thoát Cả cửa nạp cửa thoát đóng mở tự động trục vít quay khống chế cửa, cửa thoát máy nén khí có lắp van chiều để ngăn khơng cho khí ngược trở lại trục vít ngừng hoạt động Máy nén khí trục vít có nhiều tính chất giống máy nén khí cánh quạt, chẳng hạn ổn định khơng dao động khí thốt, dung động tiếng ồn nhỏ, đạt hiếu suất cao hoạt động gần đầy tải Lưu lượng từ 1,4m/phút lên tới 60m/phút Hình 1.5: Cấu tạo máy nén trục vít Nguyên lý hoạt động: Máy nén khí trục vít hoạt động dựa ngun lý thay đổi thể tích Khơng khí dẫn vào buồng chứa, thể tích buồng chứa nhỏ lại Như theo định luật Boyle-Matiotte Áp suất buồng chứa tăng lên Máy nén khí hoạt động theo ngun lý cịn có kiểu máy nén khí piston, bánh răng, cánh gạt Ứng dụng: Chúng sử dụng ngành sản xuất công nghiệp, loại cố định di động Cơng suất máy nén khí loại dao động từ 5HP đến 500HP,từ áp suất thấp áp suất cao(8,5Mpa) Máy nén khí trục vít sử dụng để cấp khí nén cho nhiều loại máy cơng cụ.Chúng sử dụng cho động có bơm tăng áp suất khí nạp như: tơ máy bay… Máy nén khí trục vít chia thành hai loại: - Máy nén khí trục vít loại có dầu(Oil flood):máy nén khí làm việc nén đến áp suất định cài đặt sẵn, qua thiết bị sử lý khí nén tách dầu sau cung cấp cho thiết bị vị trí sử dụng khí nén khơng u cầu khí sạch(trong khí nén cịn hàm lượng dầu dù nhỏ).Vì máy nén khí trục vít loại có dầu thường sử dụng cung cấp khí nén cho máy cơng cụ số ngành sản xuất không yêu cầu khí - Máy nén khí trục vít loại khơng dầu(Oil free):ngược lại với loại máy nén khí trục vít có dầu,khí nén máy nén khí trục vít khơng dầu cung cấp máy nén khí loại khí sạch(khí nén cung cấp hồn tồn khơng có dầu).Loại máy nén khí thường sử dụng số ngành như:y tế,chế biến thực phẩm,dược phẩm,chế tạo linh kiện điện tử số ngành khác - Ngoài máy nén khí trục vít cịn phân loại theo cấu trúc thiết kế::máy nén khí trục vít đơn máy nén khí trục vít đơi(phần cúng tơi trình bày nội dung viết khác máy nén khí) 1.1.3 Các thơng số máy nén Một máy nén khí thường có thông số sau: + Tỉ số nén ( ) tỉ số áp suất khí áp suất khí vào máy nén = P( Ra ) P(Vao ) + Năng suất máy nén ( Q ) : khối lượng ( kg/s ) hay thể tích ( m3/h ) khí mà máy nén cung cấp đơn vị thời gian + Công suất máy nén ( N ): Là công suất tiêu hao để máy nén truyền khí Ngồi máy nén cịn có thơng số hiệu suất máy nén, khí nén ( nhiệt độ, áp suất khí vào ra, lí tính, hóa tính, thơng số đặc trưng…) 1.1.4 Ƣu nhƣợc điểm hệ thống truyền động khí nén a Ưu điểm − Khơng khí nén có tính đàn hồi, suốt, khơng độc hại, khó bén lửa, khơng bị lắng đọng, khơng khí có vơ tận thiên nhiên − Khả q tải lớn động khí − Độ tin cậy cao, trục trặc kỹ thuật − Tuổi thọ lớn − Tính đồng lượng cấu chấp hành phần tử chức báo hiệu , kiểm tra, điều khiển nên làm việc môi trường dễ nổ, đảm bảo môi trường vệ sinh − Do trọng lượng phần tử hệ thống điều khiển khí nén nhỏ, khả giãn nở áp suất khí lớn, nên truyền động đạt vận tốc cao − Do khả chịu nén (đàn hồi) lớn khơng khí trích chứa khí nén cách thuận lợi Như có khả ứng dụng để thành lập trạm trích chứa khí nén − Có khả truyền tải lượng xa, độ nhớt động học khí nén nhỏ tổn thất áp suất đường ống − Chi phí thấp để thiêt lập hệ thống truyền động khí nén, phần lớn xí nghiệp hệ thống đường dẫn khí nén có sẵn − Hệ thống phịng ngừa q áp suất giới hạn đảm bảo b Nhược điểm − Thời gian đáp ứng chậm so với điện tử − Khả lập trình cồng kềnh so với điện tử, điều khiển theo chương trình có sẵn Khả điều khiển phức tạp − Hệ thống truyền động khí nén có lực truyền tải trọng thấp − Khi tải trọng hệ thống thay đổi, vận tốc truyền thay đổi khả đàn hồi khí nén lớn không thực chuyển động thẳng quay − Dịng khí nén đường dẫn gây nên tiếng ồn, làm ảnh hưởng dến sức khỏe người − Hiện lĩnh vực điều khiển người ta thường kết hợp hệ thống điều khiển khí nén với điện, điện tử 1.2 MỘT SỐ DẠNG KHÍ NÉN PHỔ BIẾN TRONG CƠNG NGHIỆP Máy nén xuất từ lâu, từ thời cổ có loại máy thổi khí dung sản xuất đồng sắt, kể máy thổi khí chạy sức nước Tới kỷ 18 máy nén piston xuất nửa đầu kỷ 19 loại quạt ly tâm, hướng trục đời với xuất truyền động nước điện Những năm gần công nghiệp chế tạo máy nén đạt thành tựu lớn: sản xuất máy nén piston có suất hàng 10000 m3/h áp suất tới hàng nghìn at, máy nén ly tâm máy nén trục vít có suất áp suất cao đời Khuynh hướng phát triển máy nén giảm nhẹ khối lượng; tăng hiệu suất, tăng độ vững làm việc, tự động hoá việc điều chỉnh suất đảm bảo an tồn Máy nén đại có số vòng quay lớn, nối trực tiếp với động Trục khuỷu máy thường roto động Máy trang bị phận điều 10 Ngồi cịn có loại module CPU với hai cổng truyền thơng, cổng truyền thơng thứ hai có chức phục vụ việc nối mạng phân tán Các loại module CPU phân biệt với module CPU khác thêm cụm từ DP (Distributed Port) tên gọi ví dụ CPU315-DP… Các module mở rộng: Các module mở rộng chúng thường chia làm loại chính: +) Module PS (Power Supply): Module nguồn ni Có loại 2A, 5A, 10A +) Module SM (Signal Module): Module mở rộng cổng tín hiệu vào/ra, bao gồm: -DI (Digital Input) Module mở rộng cổng vào số, tuỳ vào loại module số cổng 8, 16, 32 -DO (Digital Output) Module mở rộng cổng số -DI/DO: Module mở rộng cổng vào/ra số, số cổng vào/ra số mở rộng 8/8 16/16 tuỳ vào loại module -AI (Analog Input) module mở rộng cổng vào tương tự, chất chúng chuyển đổi tương tự/số 12 bits (AD), tức tín hiệu chuyển thành tín hiệu số có độ dài 12 bits Số cổng vào tương tự 2, tuỳ loại module -AO (Analog Output) module mở rộng cổng tương tự, chúng chuyển đổi số tương tự -AI/AO module mở rộng cổng vào/ra tương tự +) Module IM (Interface Module): Module ghép nối Đây module chuyên dụng có nhiệm vụ nối nhóm module mở rộng với thành khối quản lý chung module CPU Thông thường module mở rộng gá liền đỡ gọi Rack Trên rack gá nhiều module mở rộng (không kể module CPU module nguồn nuôi) Một module CPU S7-300 làm việc trực tiếp 56 nhiều với racks rack phải nối với module IM 3.1.3 Ngơn ngữ lập trình cho PLCS7- 300 PLCS7-300 có ngơn ngữ lập trình là: Ngơn ngữ “liệt kê lệnh”, ký hiệu STL (Statement list) Đây dạng ngôn ngữ lập trình thơng thường máy tính Một chương trình ghép nhiều câu lệnh theo thuật toán định, lệnh chiếm hàng có cấu trúc chung “tên lệnh”+ “tốn hạng” Ngơn ngữ “hình thang” ký hiệu LAD (Ladder logic) dạng ngôn ngữ đồ hoạ thích hợp với người quen thiết kế mạch điều khiển logic Ngơn ngữ “hình khối” ký hiệu FBD (Function block diagram) Đây kiểu ngơn ngữ đồ hoạ thích hợp với người quen thiết kế mạch điều khiển số Trong ngôn ngữ sử dụng khối logic để lập trình chẳng hạn như: AND, OR, NOT, XOR…Việc lập trình việc kết nối khối theo thuật tốn 3.1.4 Các ghi S7 300 +) Thanh ghi trạng thái: Trong PLCS7-300 có ghi trạng thái Status word thực lệnh CPU ghi nhận lại trạng thái phép tính trung gian kết vào ghi Thanh ghi có độ dài 16 bits sử dụng bits Nó có cấu trúc sau: 57 FC (First check) bit kiểm tra RLO (Result of logic operation) bit lưu kết phép tính logic STA (Status bit) bit trạng thái OR bit ghi giá trị phép “và” trước thực phép “hoặc” OS (Stored overflow bit) ghi lại giá trị bit tràn mảng nhớ OV (Overflow bit) bit báo tràn kết CC0 CC1 (Condition code) hai bit báo trạng thái kết phép tính với số nguyên, số thực, phép dịch chuyển phép tính logic ACCU BR (Binary result bit) bit trạng thái cho phép liên kết hai loại ngơn ngữ lập trình STL LAD Ngồi cịn có ghi khác: Accumulator gồm hai ghi ACCU1 ACCU2 giúp việc thực phép tính số học… Address register gồm hai ghi AR1 AR2: ghi định địa Data block register gồm ghi DB DI Trong đề tài em xin phép khơng trình bày tập lệnh S7-300, tất lệnh họ PLC gần giống nhau, có nhiều tài liệu Chương trình điều khiển máy nén khí em viết theo kiểu LAD Như việc chọn PLCS7-300 cho việc tự động hố điều khiển máy nén khí phù hợp với yêu cầu đề tài, lý PLCS7-300 phổ biến nhà máy 58 3.2 XÂY DỰNG LƢU ĐỒTHUẬT TOÁN 3.2.1 Sơ đồ khối điều khiển tồn trạm nén khí Start Chuẩn bị khởi động máy nén khí Khởi động máy nén khí S Dừng cố Đ Điều chỉnh tự động thơng số hệ thống khí nén S Dừng cố Đ Dừng máy nén khí End Hình3.3: Lưu đồ thuật tốn điều khiển tồn trạm khí nén 59 3.2.2 Chuẩn bị khởi động máy nén khí Start Chuẩn bị khởi động máy nén khí Mở van nước vào nước Đóng van đường ống đẩy (van khí nén) Kiểm tra thơng số (áp suất , nhiệt độ, mức dầu) Chuẩn bị khởi động động Sang bước khởi động máy nén End Hình 3.4: Lưu đồ thuật toán chuẩn bị khởi động máy nén khí 60 3.2.3 Khởi động máy nén Start Quá trình khởi động máy nén Khởi động động Mở van tiết lưu đường ống hút Kiểm tra cố Dừng có cố xảy Q trình khởi động thành cơng n=n+1 n=5 Dừng q trình khởi kết thúc động báo động Hình 3.5: Lưu đồ thuật toán khởi động máy nén 61 3.2.4 Điều chỉnh tự động máy nén khí Bắt đầu Tự động kiểm tra áp suất bình tích để đưa định số máy nén hoạt động Áp suất bình cao áp giảm 0,7 Pđm máy nén (N1,N2,N3) hoạt động Áp suất bình cao áp giảm cịn 0,6 Pđm máy nén (N1,N2,N3,N4) hoạt động Áp suất bình cao áp giảm 0,5 Pđm máy nén hoạt động Nếu áp tiếp tục giảm dừng hệ thống Đưa cảnh báo hay dừng hệ thống xảy cố Kết thúc Hình 3.6: Lưu đồ thuật tốn điều chỉnh tự động máy nén khí 62 3.3 XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 63 64 65 66 67 68 Với nhiệm vụ đồ án “Thiết kế truyền động điện trang bị điện trạm khí nén có nhiều máy nén khí với mức độ tự động hóa cao” Trong q trình làm đồ án em cố gắng, em hoàn thành nhiệm vụ sau đồ án: - Nghiêm cứu tổng quan hệ thống khí nén - Các yêu cầu truyền động điện trang bị điện trạm khí nén cơng nghiệp có nhiều máy nén sử dụng PLC - Xây dựng mạch động lực điều khiển - Tìm hiều PLC S7 300 Mặc dù cố gắng thời gian kiến thức có hạn, nên án khơng sâu tìm hiểu hết tất vần đề, cịn thiếu sót nhiều như: - Trình bày giới thiệu máy nén khí cịn sơ sài - Chưa đưa công thức tính tốn để xây dựng trạm khí nén - Chương trình điều khiển PLC chưa có tính khả quan Em mong nhận bảo, sửa chữa đóng góp ý kiến thầy giáo, bạn lớp để em thựu hoàn thành đề tài tốt Một lần em xin chân thành cảm ơn bảo, hướng dẫn tận tình củ , thầy khoa, bạn bè lớp giúp đỡ em trình thực đề tài Em xin chân thành cảm ơn! Hải phòng, ngày…tháng…năm 2012 Sinh viên thực Phạm Quý Đạt 69 PGS.TS , KS , GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn (2005) , Máy Điện, Nhà xuất xây dựng TS Lê Hiếu Giang (2011), Hệ Thống Khí Nén Trong Cơng Nghiệp, Nhà Xuất Đại Học Quốc Gia TP.HCM TS Lê Xuân Hòa, ThS Nguyễn Thị Bích Ngọc,Giáo Trình Bơm Quạt máy nén Lê Văn Doanh, Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Văn Hòa, Đào Văn Tân, Võ Thạch Sơn, Các cảm biến kỹ thuật đo lường điều khiển, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2008 Vũ Quang Hồi, Nguyễn Văn Chất, Nguyễn Thị Liên Anh, Trang bị điện – điện tử máy công nghiệp dùng chung, NXB Giáo Dục,2006 Nguyễn Doãn Phước , Phan Xuân Minh, Vũ Văn Hà, Tự động hoá với simatic S7-300, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2002 Một số tài liệu mạng 70