đồ án chuyên ngành 2 hệ thống bơm nước sinh hoạt cho khu chung cư

TRƯỜNG ĐH GIAO THÔNG VẬN TẢI

Khoa: Điện – Điện tử

Giảng viên hướng dẫn: ThS Lâm Quang Thái

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬBỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN

Lớp: Trang bị điện trong CN và GTVTKhóa: 61Thời gian làm DACN 20/03/2024 – 04/06/2024

Tên đề tài: Hệ thống bơm nước sinh hoạt cho khu chung cưT

Thời gian (Từ

Đánh giákết quả

Chữ kýcủa GV

TPHCM, ngày 04 tháng 06 năm 2024

Giáo viên hướng dẫn (Đã ký)

TS Lâm Quang Thái

Nhận xét của Giáo viên hướng dẫn:

MỤC LỤC

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU

Hệ thống bơm nước nhà cao tầng được thiết kế để ban quản lý tòa nhà có thể phân phối đủ nước cho toàn bộ nhu cầu sinh hoạt của các hộ cư dân trong tòa nhà Hiện nay, hệ thống bơm cấp nước cho khu nhà cao tầng được thực hiện theo một số phương án như sau: Từ bể ngầm, nước sẽ được bơm đến trạm bơm, sau đó sẽ đi qua bể trung gian, và từ bể trung gian này, nước sẽ được đưa đến trạm bơm trung gian, bể mái Như vậy, hệ thống bơm nước sẽ tự phân vùng cấp nước trọng điểm rồi tới trạm bơm cho các tầng ở trên cùng Bên cạnh đó, hệ thống ống nước có thể hoạt động theo quy trình dưới đây: Từ bể ngầm, nước sẽ đi qua 2 bơm biến tầng, sau đó qua bình áp lực và được phân cấp thành 3 vùng nước khác nhau Tiếp theo, từ nơi phân cấp, nước sẽ theo hệ thống ống được lắp từ trước, thông thường thì các ống này đã có van chống nước, van điều áp được lắp trên ống đứng cùng nhiều loại van khóa khác.

Tại các tòa nhà, mỗi hệ thống cấp nước được lắp đặt hệ thống cảm biến và thông qua hệ thống này chúng ta sẽ nắm bắt được nhu cầu tiêu thụ nước, để từ đó có hướng điều chỉnh sao cho thích hợp Vì thế mà ban quản lý tòa nhà hoàn toàn có thể nắm được nhu cầu sử dụng để tăng lên hoặc giảm bớt số lượng máy bơm nước.

Trong hệ thống cấp nước sạch, các nhà quản lý thường đặt cảm biến đo áp suất trên ống cấp nước, ở khu vực bể chứa cũng đặt cảm biến để thông báo mức nước Chính nhờ các thiết bị này mà lượng nước có thể tăng hay giảm sao cho phù hợp Cảm biến hiện không chỉ áp dụng trong các hệ thống cấp nước sạch, trong các hệ thống nước thải mà còn được lắp đặt cảm biến mức bùn ở trong bể Ngoài việc chú ý đến các cảm biến chúng ta cũng phải chú ý đảm bảo hệ thống cấp nước sao cho hiệu quả.

CHƯƠNG I CÔNG NGHỆ, CẤU TẠO, NGUYÊN LÝCỦA HỆ THÔNG CẤP NƯỚC

1 Vai trò, chức năng hệ thống bơm nước sinh hoạt cho khu chungcư

- Nước đóng vai trò vô cùng quan trọng trong cuộc sống và ảnh hưởng đến chất lượng sinh sống của cư dân trong khu vực đó Do đó, để cung cấp đủ nguồn nước phục vụ nhu cầu sinh hoạt của cư dân trong chung cư, tòa nhà cần được trang bị một hệ thống cấp nước đầy đủ và hoạt động hiệu quả.

- Hệ thống này sẽ hoạt động như một liên kết trung gian dẫn nước từ nguồn nước sạch của các nhà máy đến các khu dân cư Đồng thời, hệ thống dẫn nước sẽ đảm bảo mọi người được sử dụng nước sạch an toàn cho sức khỏe và sinh hoạt hàng ngày.

2 Sơ đồ công nghệ của hệ thống bơm nước

Hệ thống bơm nước được sử dụng trong các nhà cao tầng được thiết kế bao gồm:

- Bể ngầm - Trạm bơm - Bể mái

- Trong đề tài của nhóm em sẽ có nhiều thiết bị đảm nhiệm các vai trò khác nhau được phân vào các khối như khối nút nhấn, khối cảm biến, khối nguồn, khối điều khiển trung tâm, khối giám sát và điều khiển, khối biến tần, khối động cơ bơm giúp cho việc thiết kế và vận hành dễ dàng.

Hình 1 Sơ đồ khối của hệ thống

+ Khối nguồn: là nguồn cung cấp điện áp cho toàn bộ hệ thống có thể là điện áp

220VAC hoặc 24VDC tùy thuộc vào thiết bị sử dụng.

+ Khối điều khiển trung tâm (PLC): là khối thiết bị cho phép lập trình thực

hiện các thuật toán điều khiển logic Bộ lập trình PLC nhận tác động các sự kiện bên ngoài thông qua ngõ vào (input) và thực hiện hoạt động thông qua ngõ ra (output) PLC hoạt động theo phương thức quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào Khi có sự thay đổi bất kỳ từ ngõ vào, dựa theo logic chương trình ngõ ra tương ứng sẽ thay đổi.

+ Khối nút nhấn: là khối thiết bị điều khiển được sử dụng để tắt hoặc bật các

hệ thống, thiết bị và máy móc sử dụng điện Nó có thể được đặt trên bảng điều khiển, tủ điện, trên hộp nút nhấn với chức năng giám sát, điều khiển các thiết bị điện khác.

+ Khối cảm biến: là một thiết bị có khả năng phát hiện và phản hồi một số loại

đầu vào (ánh sáng, nhiệt độ, âm thanh, độ ẩm…) từ môi trường Đầu ra sẽ là tín hiệu đã được chuyển đổi đưa về khối điều khiển trung tâm và hiển thị trên màn hình điều khiển

+ Khối điều khiển và giám sát: là tập hợp các thành phần phần mềm và phần

cứng giúp giám sát và điều khiển các nhà máy, cả cục bộ và từ xa Đây là một hệ thống quản lý tự động hóa trong công nghiệp Nó có chức năng hỗ trợ con người trong quá trình điều khiển giám sát, thu thập dữ liệu.

+ Khối biến tần: giúp điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số.+ Khối động cơ bơm: là cơ cấu chấp hành của hệ thống giúp bơm nước từ bể

ngầm lên bể mái.

3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống bơm nước

- Hệ thống bơm nước sinh hoạt cho khu chung cư là một phần quan trọng trong việc cung cấp nước sạch và xử lý nước thải Dựa vào đặc điểm và quy mô của từng công trình, lựa chọn và lắp đặt hệ thống máy bơm phù hợp là điều cần thiết Dưới đây là một số khái niệm và nguyên lý hoạt động của hệ thống bơm nước sinh hoạt cho tòa nhà.

3.1 Máy bơm nước

- Máy bơm nước là máy thủy lực, nhận năng lượng từ bên ngoài và truyền năng lượng cho dòng chất lỏng Hệ thống bơm nước trong tòa nhà có bộ cảm biến áp suất gắn trên đường ống để phát hiện sự thay đổi áp suất khi nhu cầu tiêu thụ nước thay đổi.

3.2 Hệ thống cấp nước

- Bộ cảm biến đo áp suất được đặt trên đường ống cấp nước chính Nếu áp suất thay đổi tín hiệu từ cảm biến được truyền về PLC rồi truyền về biến tần từ đó điều khiển tốc độ quay của cánh quạt để ổn định áp suất nước trên đường ống theo yêu cầu của người sử dụng trong tòa nhà Cảm biến báo mức nước nên được đặt ở bể chứa Nếu mức nước xuống quá thấp, công tắc phao tác độnh để dừng bơm.

4 Các yêu cầu công nghệ, kỹ thuật đối với thiết kế hệ thống cung cấp nước

1 Chất lượng điều khiển chuyển động: Cần đảm bảo hiệu suất cao trong việc điều khiển động cơ và chuyển động, đồng thời cải thiện chất lượng tổng thể của thiết kế.

2 Đáp ứng các chế độ làm việc của thiết bị điện: Mỗi sơ đồ điện cần được thiết kế theo bài t oán kỹ thuật cụ thể, đảm bảo khả năng lựa chọn dạng dòng điện, điện áp và dạng thiết bị phù hợp.

3 Đảm bảo sai số trong phạm vi cho phép: Các hệ thống tự động điều chỉnh cần đáp ứng yêu cầu về sai số, cả tĩnh và động, để chọn thông số của các thiết bị điều chỉnh cho hợp lý.

4 Đảm bảo độ nhanh, điều chỉnh phù hợp: Mạch điều khiển cần chính xác và phải tối ưu theo yêu cầu thực tế của đối tượng để đạt được năng suất lao động cao

5 Có chỉ tiêu năng lượng cao: Hệ thống điều khiển cần có chỉ tiêu kinh tế cao, bao gồm việc giảm tổn thất năng lượng và tăng hệ số công suất của hệ thống.

CHƯƠNG II THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ ĐIỀUKHIỂN TRONG HỆ THỐNG

1 Tính chọn cảm biến1.1 Khái niệm

- Cảm biến áp suất là loại cảm biến chuyên dùng để đo áp suất, áp lực trong

các bồn chứa hay đường ống dẫn khí, hơi, hay chất lỏng Nhiệm vụ của chúng là giám sát áp suất hay áp lực.

1.2 Vai trò

- Công dụng chủ yếu của cảm biến áp suất là dùng để đo độ lớn áp suất hoặc dùng trong các ứng dụng có liên quan đến theo dõi áp suất trong các đường ống, bồn chứa.

- Cảm biến áp suất có vai trò đặc biệt quan trọng trong việc giám sát nhắm đảm bảo an toàn cho hệ thống có liên quan đến áp suất như hệ thống lò hơi, trạm bơm nước, giám sát các ben thuỷ lực trong xe cẩu.

1.3 Một số loại cảm biến áp suất hiện nay

A Cảm biến áp suất nước

- Cảm biến đo áp suất nước là thiết bị đo áp suất được sử dụng phổ biến trong các hệ thống, nhà máy nước Cảm biến đo áp suất nước có thể đo được áp suất trong đường ống nước, đo mức nước trong bể, hoặc tốc độ thay đổi của mực nước đó Cảm biến được lắp vào đầu của một ống hở được đặt chìm trong bình chứa Khi mực nước dâng lên, không khí trên mặt nước trong ống bị nén, làm tăng áp suất lên cảm biến Tín hiệu áp suất gửi qua bộ chuyển đổi, được xử lý và báo thông số cho người dùng.

Hình 2 Cảm biến áp suất nước

B Cảm biến đo áp suất khí nén

+ Cảm biến áp suất khí nén hay còn gọi là cảm biến áp suất khí hoặc cảm biến áp suất khí gas Đây là loại cảm biến áp suất thường dùng ở hầu hết các nhà máy, trường học, phòng thí nghiệm để đảm bảo áp suất khí trong các ứng dụng, thí nghiệm liên quan tới khí nén, thủy lực, trục cẩu, khí gas…

Loại cảm biến này có dải đo rộng vì đặc thù các môi trường làm việc của thiết bị có sự dao động áp suất tương đối lớn Tuy nhiên, áp suất đầu ra không được quá cao cũng không được quá thấp so với khả năng chịu của tải

Hình 2 Cảm biến áp suất khí nén

C Cảm biến đo áp suất dầu

- Cảm biến đo áp suất dầu thường dùng để đo và kiểm tra áp suất dầu thủy lực Hệ thống thủy lực thường có áp suất rất cao, có thể lên tới 400 đến 800 bar, việc

lanh, trong các máy ép thủy lực hoặc máy nâng thủy lực Do làm việc trong môi trường hóa chất, bụi bẩn nên phần vỏ nên cảm biến đo áp suất dầu được làm bằng chất liệu bền, có khả năng chống ăn mòn hóa học cao.

Hình 2 Cảm biến áp suất dầu 1.4 Cảm biến trong đề tài

- Với đề tài của nhóm là hệ thống bơm nước sinh hoạt cho khu chung cư nên cảm biến được sử dụng là cảm biến áp suất nước Cảm biến được vào bên trong ống dẫn nước và đặt vào khoảng giữa của đường ống tính từ vị trí đặt bơm lên bể mái.

- Do đó nhóm em sử dùng cảm biến áp suất nước 4-20mA đầu ra G1/4

Hình 2 Cảm biến áp suất nước 4-20mA

 Độ chính xác: 0,5% FS  Tín hiệu đầu ra: 4-20mA  Dải đo: 0-5 bar.

 Khả năng quá tải: 2-4 lần.

2.2.Nguyên lý hoạt động

- Rơ le trung gian luôn có 2 phần: Một là cuộc hút (chính là nam châm điện) có tác dụng khi cấp nguồn thì hút thanh tiếp điểm lại để đảo trạng thái chân tiếp điểm NO và NC Hai là hệ thống tiếp điểm chịu dòng điện nhỏ (5A) Ngoài ra còn phải kể đến các bộ phận khác như vỏ bảo vệ và các chân ra tiếp điểm.

Hình 2 Relay trung gian

- Rơle sử dụng trong đề tài là rơle trung gian là loại 24VDC cấp nguồn cho biến tần và nhận tín hiệu từ PLC từ đó điều khiển động cơ bơm nước

- Dựa vào như cầu sử dụng nhóm em chọn relay trung gian Omron 8 Chân MY2N-J với thông số kỹ

thuật:- Mã hiệu: LY2N-J

 Điện áp cuộn dây: 24VDC  Dòng điện tiếp điểm: 10A  Số lượng tiếp điểm: 2NO+2NC

- PLC viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập trình được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các sự kiện được đếm (counter) Một khi sự kiện được kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OFF thiết bị điều khiển bên ngoài được gọi là thiết bị vật lý Một bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục “lặp” trong chương trình do “người sử dụng lập ra” chờ tín hiệu ở ngõ vào (Input) và xuất tín hiệu ở ngõ ra (Output) tại các thời điểm đã lập trình Như vậy nếu ta thay đổi các chương trình được cài đặt trong PLC là ta có thể thực hiện các chức năng khác nhau, trong các môi trường điều khiển khác nhau.

B Cấu trúc chung của PLC

- Ngõ vào dạng số: Gồm hai trạng thái ON và OFF Khi ở trạng thái ON thì ngõ vào số được coi như ở mức logic 1 hay mức logic cao Khi ở trang thái OFF thì ngõ vào có thể đươc coi như ở mức logic 0 hay mức logic thấp.

- Ngõ ra số: Gồm hai trạng thái ON và OFF Các ngõ ra này thường được nối ra để điều khiển các cuộn dây contactor, đèn tín hiệu, …

- Thiết bị đầu vào: Các thiết bị tạo ra tín hiệu điều khiển thường là nút nhấn, cảm biến.

- Thiết bị chấp hành (Autuator): Là thiết bị biến đổi tín hiệu điện từ PLC thành một tác động vật lý Autuator được nối với ngõ ra của PLC

- Chương trình điều khiển: Một chương trình bao gồm một hay nhiều lệnh nhằm thực hiện một nhiệm vụ cụ thể Việc lập trình cho PLC chỉ đơn giản là xây dựng một tập hợp các lệnh Để lập trình cho PLC này, lập trình hình thang (LAD) hay dạng câu lệnh (STL) Chương trình điều khiển định ra quy luật thay đổi tín hiệu output ở phía đầu ra của PLC theo sự thay đổi tín hiệu input ở phía đầu vào theo mong muốn và chạy phần mềm điều khiển trên máy tính PC và được nạp vào

 Thiết bị lập trình (PG/PC): Chương trình viết trong thiết bị lập trình và truyền xuống PLC.

 Cáp kết nối (cáp PPI): Thiết bị cần thiết để truyền dữ liệu từ thiết bị lập trình xuống PLC.

- PLC đều có thành phần chính là: Một bộ nhớ chương trình RAM bên trong (có thể mở rộng thêm một số bộ nhớ ngoài EPROM).

- Về cơ bản PLC được chia thành 5 phần chính như sau:  Input: Giao diện đầu vào

 Output: Giao diện đầu ra  CPU: Bộ xử lý trung tâm

 Memory: Bộ nhớ giữ liệu và chương trình  Power supply: Nguồn cấp cho hệ thống

Hình 2 Sơ đồ khối của PLC C Nguyên lý hoạt động

- Bộ điều khiển trung tâm CPU là trái tim của bộ PLC, nó đảm nhận vai trò điều khiển toàn bộ hoạt động của nó Tốc độ xử lý của CPU quyết định đến tốc độ điều khiển của PLC Chương trình được lưu trữ trên bộ nhớ RAM của PLC Đồng thời, PLC cũng tích hợp một pin dự phòng, giúp bảo vệ chương trình khỏi mất điện khi có sự cố xảy ra.

- CPU thực hiện việc quét chương trình, tức là kiểm tra và thực hiện các lệnh theo thứ tự được xác định trong chương trình Nó quét qua từng lệnh một, kiểm tra trạng thái của các tín hiệu đầu vào, và dựa vào logic chương trình, thực hiện các tác động tương ứng lên các tín hiệu đầu ra Quá trình quét này diễn ra lặp lại với tốc độ cao, đảm bảo sự liên tục và chính xác trong việc điều khiển các thiết bị trong hệ thống.

- Cơ chế hoạt động này đảm bảo rằng PLC có khả năng thực hiện các nhiệm vụ điều khiển logic theo chương trình đã được lập trình và đáp ứng các yêu cầu của quy trình công nghiệp một cách hiệu quả.

D Tìm hiểu về PLC S7 1200

D.1 Khái niệm chung PLC s7-1200

- Năm 2009, Siemens ra dòng sản phẩm 1200 dùng để thay thế dần cho S7-200 So với S7-200 thì S7-1200 có những tính năng nổi trội:

- S7-1200 là một dòng của bộ điều khiển logic lập trình (PLC) có thể kiểm soát nhiều ứng dụng tự động hóa Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, và một tập lệnh mạnh làm cho chúng ta có những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với S7-1200

- S7-1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn, các đầu vào/ra (DI/DO)

- Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chương trình điều khiển:

+ Tất cả các CPU đều cung cấp bảo vệ bằng password chống truy cập vào PLC + Tính năng “know-how protection” để bảo vệ các block đặc biệt của mình -S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP.

D.2 Module mở rộng PLC S7-1200

- PLC S7-1200 có thể mở rộng các module tín hiệu và các module gắn ngoài để mở rộng chức năng của CPU Ngoài ra, có thể cài đặt thêm các module truyền thông để hỗ trợ giao thức truyền thông khác.

- Khả năng mở rộng của từng loại CPU tùy thuộc vào các đặc tính, thông số và quy định của nhà sản xuất.

- S7-1200 có các loại module mở rộng sau:

 Communication module (CP): Module phục vụ truyền thông trong mạng giữa các bộ PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính

 Signal board (SB): Signal Board được kết nối trực tiếp với mặt trước của CPU Chúng thường được sử dụng khi không gian bị hạn chế hoặc nếu chỉ cần thêm một số lượng nhỏ đầu vào/đầu ra.

 Analog Module: cung cấp tùy chọn để mở rộng và sử dụng thêm các AI, AO ngoài các đầu vào / đầu ra tương tự tích hợp hiện có Có thể sử dụng Analog Module với tất cả các CPU SIMATIC S7-1200 ngoại trừ CPU 1211C.

Hình 2 Module analogHình 2 Communication module

D.3 Tính năng nổi bật

- Cổng truyền thông Profinet (Ethernet) được tích hợp sẵn:

 Dùng để kết nối máy tính, với màn hình HMI hay truyền thông PLC-PLC  Dùng kết nối với các thiết bị khác có hỗ trợ chuẩn Ethernet mở.

 Đầu nối RJ45 với tính năng tự động chuyển đổi đấu chéo  Tốc độ truyền 10/100 Mbits/s.

 Hỗ trợ 16 kết nối ethernet.

 TCP/IP, ISO on TCP, và S7 protocol.