nghiên cứu thiết kế hệ thống đóng mở cửa âu tàu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRẦN XUÂN TRƢỜNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐÓNG MỞ CỬA ÂU TÀU Chuyên ngành : Công nghệ Chế tạo máy Mã số : 60.52.04 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2013 Công trình đƣợc hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. ĐINH MINH DIỆM Phản biện 1: TS. LƢU ĐỨC BÌNH Phản biện 2: PGS.TS. LÊ VIẾT NGƢU Luận văn đƣợc bảo về trƣớc Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 14 tháng 12 năm 2013. Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại Học Đà Nẵng 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Đất nƣớc ta có bờ biển dài, và rất nhiều sông ngòi nên việc ƣu tiên phát triển các công trình biển, các công trình thủy lợi, các âu tàu, âu thuyền phục vụ cho ngƣ dân tránh trú bão… đƣợc Chính phủ và các Bộ, Ban ngành quan tâm đầu tƣ xây dựng, góp phần đƣa nền nông, ngƣ nghiệp phát triển hiện đại, theo kịp với những nƣớc có nền công nghiệp phát triển …, Vì thế việc tập trung đầu tƣ vào các dây chuyền sản xuất tự động hóa, nhằm mục đích giảm chi phí sản xuất, nâng cao năng suất lao động, ứng dụng tự động hoá trên các thiết bị, trên các công trình thủy lợi phục vụ sản xuất trong nông nghiệp, ngƣ nghiệp cụ thể là việc ứng dụng PLC vào các dây chuyền sản xuất, các công trình thủy điện, thủy lợi… Đất nƣớc ta với vị trí địa lý thuận lợi cho phát triển các âu thuyền, cho các công trình thủy lợi, giao thông thủy, có nhiều âu tàu, âu thuyền để phục vụ cho các mục đích tránh trú bão, phục vụ đóng, sửa chữa tàu thuyền lƣu và thông qua lại. Âu tàu cũng góp phần xả lũ trong mùa mƣa và ngăn mặn trong mùa khô, điều tiết nguồn nƣớc ngọt cho vùng đồng bằng ở hạ lƣu. Vì vậy, việc thực hiện quá trình đóng mở cửa âu tàu bằng tự động hóa để cho tàu thuyền ra vào là rất quan trọng. Để phục vụ việc tự động hóa đóng mở cửa âu tàu đƣợc an toàn, hiệu quả nên tôi đã chọn đề tài: “ Nghiên cứu thiết kế hệ thống đóng mở cửa âu tàu”. 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu và ứng dụng PLC để thiết kế hệ thống ĐK đóng mở cửa âu tàu và các công trình liên quan. 2 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu các loại âu tàu, âu thuyền đã và đang đƣợc xây dựng trong nƣớc và ở các nƣớc trên thế giới. Nghiên cứu hệ thống đóng mở cửa âu tàu, âu thuyền để thiết kế hệ thống đóng mở cửa âu tàu điều khiển tự động bằng PLC. 3.2. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết về điều khiển thủy lực, điều khiển thủy lực và điều khiển PLC. Thiết kế hệ thống điều khiển tự động đóng mở cửa âu tàu bằng PLC. Nghiên cứu hệ thống điều khiển tự động đóng mở cửa âu tàu và ứng dụng cho công trình âu tàu Rạch Chanh mà Tổng Công ty CP Xây lắp Dầu khí Việt Nam đang thi công. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết về âu tàu, âu thuyền và nghiên cứu về lý thuyết về điều khiển tự động thủy lực bằng PLC. Nghiên cứu các công trình âu tàu, âu thuyền thực tế và ứng dụng để thiết kế hệ thống điều khiển đóng mở cửa âu tàu. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu lý thuyết về điều khiển tự động thủy lực và điều khiển thủy lực bằng PLC. - Ý nghĩa thực tiễn: Đề tài này góp phần nghiên cứu thiết kế và điều khiển hệ thống đóng mở cửa âu tàu cho công trình liên quan. 6. Cấu trúc luận văn MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 3 1.1. Giới thiệu về những công trình xây dựng âu tàu. 1.2. Mô hình tổng thể của các công trình xây dựng âu tàu. 1.3. Giới thiệu hệ thống đóng mở cửa âu tàu. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐIỀU KHIỂN THỦY LỰC VÀ ĐIỀU KHIỂN PLC 2.1. Cơ sở lý thuyết điều khiển bằng thủy lực 2.1.1. Khả năng ứng dụng của điều khiển bằng thủy lực 2.1.2. Những thành phần cơ bản trong một hệ thống điều khiển bằng thủy lực 2.1.3. Cơ cấu biến đổi năng lƣợng và hệ thống xử lý dầu 2.1.4. Các loại cảm biến 2.2. Điều khiển thủy lực và điều khiển bằng PLC 2.2.1. Điều khiển thủy lực 2.2.2. Điều khiển PLC CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐÓNG MỞ CỬA ÂU TÀU 3.1. Tính toán lực nâng hạ của hệ thống xi lanh 3.2. Tính toán hệ thống thủy lực nâng hạ cửa âu tàu 3.3. Hệ thống điều khiển thủy lực và chƣơng trình PLC 3.4. Mô phỏng hệ thống điều khiển thủy lực đóng mở cửa âu tàu bằng Pro/Engeneer 4 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1. GIỚI THIỆU VỀ NHỮNG CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG ÂU TÀU 1.1.1. Những âu tàu trên thế giới 1.1.2. Những âu thuyền, âu tàu tại Việt Nam 1.2. MÔ HÌNH TỔNG THỂ CỦA CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG ÂU TÀU 1.2.1. Khái niệm của âu tàu 1.2.2. Vai trò của âu trong giao thông vận tải 1.3. GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐÓNG MỞ CỬA ÂU TÀU 1.3.1. Hệ thống đóng mở cửa âu tàu 1.3.2. Hệ thống đóng mở van tháo nƣớc cửa âu tàu CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐIỀU KHIỂN THỦY LỰC VÀ ĐIỀU KHIỂN PLC 2.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN BẰNG THỦY LỰC 2.1.1. Ƣu điểm và nhƣợc điểm của hệ thống truyền động bằng thủy lực 2.1.2. Định luật của chất lỏng 2.1.3. Các dạng năng lƣợng 2.1.4. Tổn thất trong hệ thồng truyền động bằng thủy lực 2.1.5. Độ nhớt và yêu cầu đối với dầu thủy lực 2.2. KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA THUỶ LỰC 2.2.1. Ứng dụng của thuỷ lực trong công nghiệp chế tạo máy 2.2.2. Ứng dụng của thuỷ lực trong các công trình thủy lợi 5 2.3. CÁC PHẦN TỬ CƠ BẢN TRONG MỘT HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG THỦY LỰC 2.3.1. Hệ thống điều khiển 2.3.2. Phạm vi ứng dụng của điều khiển thủy lực 2.3.3. Van áp suất 2.3.4. Van đảo chiều 2.3.5. Các loại van thủy lực ứng dụng trong điều khiển tự động 2.3.6. Cơ cấu chỉnh lƣu lƣợng 2.3.7. Van chặn 2.3.8. Ống dẫn, ống nối 2.4. CƠ CẤU BIẾN ĐỔI NĂNG LƢỢNG VÀ HỆ THỐNG XỬ LÝ DẦU THỦY LỰC 2.4.1. Bơm và động cơ dầu (môt tơ thủy lực) 2.4.2. Xilanh truyền động (cơ cấu chấp hành) 2.4.3. Bể dầu 2.4.4. Đo áp suất và lƣu lƣợng 2.5. CÁC LOẠI CẢM BIẾN 2.5.1. Cảm biến vị trí đo chiều dài 2.5.2. Cảm biến vận tốc 2.5.3. Cảm biến đo áp suất, lực và mômen xoắn 2.6. ĐIỀU KHIỂN LOGIC THỦY LỰC VÀ ĐIỀU KHIỂN PLC 2.6.1. Điều khiển logic thủy lực 2.6.2. Điều khiển PLC 6 CHƢƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐÓNG MỞ CỬA ÂU TÀU 3.1. GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐÓNG MỞ CỬA ÂU TÀU Hình 3.1 – Mô hình hệ thống đóng mở âu tàu 1-Xi lanh nâng hạ cửa âu thƣợng lƣu (C,D); 2- Giá đỡ xi lanh nâng cửa âu thƣợng lƣu; 4- xi lanh nâng hạ cửa van tháo nƣớc thƣợng lƣu(A,B); 5-Hầm bơm thủy lực; 6- Xi lanh nâng hạ cửa âu hạ lƣu(G,H); 7- Giá đỡ xi lanh nâng cửa âu hạ lƣu; 8- xi lanh nâng hạ cửa van tháo nƣớc hạ lƣu (E,F); 9- Cửa tháo nƣớc ở đầu âu hạ lƣu; 10- Cửa âu hạ lƣu. 7 3.1.1. Giới thiệu hệ thống đóng mở cửa van tháo nƣớc Ở đầu âu thƣợng lƣu và hạ lƣu bố trí 02 cửa van tháo nƣớc từ thƣợng lƣu vào trong âu và tháo nƣớc từ trong âu ra phía hạ lƣu có cấu tạo nhƣ hình 3.2. Hình 3.2 – Cấu tạo cửa van xả nước 1- Xi lanh nâng hạ cửa van; 2- Giá đỡ ; 3- Khung nối cửa van; 4- Bộ phận dẫn hƣớng cửa van; 5- Cửa van; 6-Gioăng chắn nƣớc 3.1.2. Giới thiệu hệ thống đóng mở cửa âu tàu Ở đầu âu thƣợng lƣu và hạ lƣu bố trí 02 cửa âu để sau khi van tháo nƣớc từ thƣợng lƣu vào trong âu đến khi nƣớc trong âu bằng mực nƣớc thƣợng lƣu , khi đó cửa âu đƣợc hệ thống xi lanh thủy lực nâng lên để thuyền đi vào trong lòng âu (hoặc thuyền trong lòng âu đi ra phía thƣợng lƣu) có cấu tạo nhƣ hình 3.3. 8 Hình 3.3 – Cấu tạo cửa âu tàu 1-Xi lanh thủy lực nâng hạ cửa âu; 2-Giá đỡ xi lanh; 3- cầu thang bộ; 4-Ray dẫn hƣớng cửa âu; 5- Xi lanh nâng hạ van; 6-Bể dầu và bơm dầu thủy lực; 7- cửa xả nƣớc; 8- gioăng chắn nƣớc; 9- Cửa âu tàu; 3.2. TÍNH TOÁN LỰC NÂNG HẠ CỦA HỆ THỐNG XI LANH 3.2.1. Tính toán lực nâng hạ của van Khi tính toán lực nâng hạ cần xét tới điều kiện bất lợi nhất của tải trọng tác động lên cửa van ứng với các vị trí: Cửa van tựa lên ngƣỡng, cửa mở hoàn toàn, thời điểm bắt đầu nâng cừa rời khỏi ngƣỡng, hoặc hạ xuống ngƣỡng, mở một phần có xét tới áp lực thủy động. [...]... các loại âu thuyền, âu tàu thực tế trong nƣớc và trên thế giới; 2/ Nghiên cứu các hệ thống đóng mở âu tàu; nghiên cứu các loại cửa van, cửa âu và đóng mở âu tàu và các loại van thủy lực, các loại bơm và xi lanh thủy lực; 3/ Nghiên cứu PLC và Lập trình trên S7-200 cho chu trình đóng mở tự động cửa âu tàu; 4/ Ứng dụng hệ điều khiển trên để thiết kế hệ thống điều khiển đóng mở cửa âu tàu Rạch Chanh; 5/... vụ của hệ thống thủy lực đóng mở cửa van và cửa âu 3.3 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THỦY LỰC VÀ CHƢƠNG TRÌNH LẬP TRÌNH PLC 3.3.1 Sơ đồ hệ thống thủy lực 3.3.2 Sơ đồ điện và sơ đồ kết nối PLC 3.3.3 Chƣơng trình PLC của hệ thống 3.4 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐÓNG MỞ CỬA PRO/ENGINEER ÂU TÀU BẰNG PHẦN MỀM 24 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 1 KẾT LUẬN 1/ Đã tìm hiểu và nghiên cứu các loại âu thuyền,... Tính toán lực nâng hạ cửa âu tàu a Các thông số cơ bản - Số lƣợng cửa âu n (bộ): 02 (bộ)(mỗi cửa có 2 xi lanh) - Trọng lƣợng toàn bộ cửa âu G(T): 75,0 (T) - Chiều rộng cửa âu G(T): 16,670 (m) - Chiều cao cửa âu Hv (m): 7,3 (m) - Hƣớng cửa van: Thẳng đứng - Cao trình đáy âu: -4,8 (m) - Cao trình thành âu: +2,5 (m) - Cột nƣớc thiết kế Ht (m): 7,3 (m) 20 b Tính toán lực nâng (mở) cửa âu Hc Ht Hv P Hh Hình... Rạch Chanh; 5/ Đã thực hiện mô phỏng quá trình làm việc của hệ thống điều khiển đóng mở cửa âu tàu trên phần mềm Pro/Engineer; 6/ Góp phần cùng Công ty CP Xây lắp Dầu khí Miền Trung hoàn thiện phần thiết kế hệ thống đóng mở của âu tàu mà đơn vị đang thi công tại ấp Rạch Chanh – Tân An – Long An 2 HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Nghiên cứu ứng dụng hệ thống điều khiển tự động thủy lực bằng PLC nêu trên cho... - Sơ đồ lực tác dụng lên cửa âu tàu Tƣơng tự tính toán nhƣ ở phần tính toán lực nâng hạ cửa van ở mục 3.1.1 ta tính toán đƣợc các thông số nâng hạ cửa âu tàu nhƣ sau: Lực nâng cần thiết để nâng cửa âu: Nn ≥ Kg ( G + G’ ) + Kms (Tx + Tc ) + Ph + Vn Nn≥ 1,1(G + 0) + 1,2(T x + Tc) + Ph (T) Vậy: Nn≥1,1(75+0)+1,2(76,932+8,502)+20,4= 205,421(T) c Tính toán lực hạ cửa âu Lực hạ cửa âu cần thiết là : Nđ≥1,2(Tx+Tc)+Pđ+Pt-0,9G’... =1,2(76,932+8,502)+0+12,169- 0,975=47,190 (T) d Tính toán hệ thống thủy lực nâng hạ cửa âu * Thông số yêu cầu của hệ thống Xy lanh thủy lực loại tác động 2 chiều,Số xy lanh (cái): n=2 (cái) Lực nâng lớn nhất của xy lanh là: pn (T) Ta có lực cần thiết để nâng đƣợc cửa âu là: Nn ≥ 205,421(T) Chọn xy lanh có sức nâng lớn nhất là: Pn =120(T) Ta có lực cần thiết để đóng cửa âu là : Nd ≥ 47,190(T) Lực cần thiết cho xy... (phút): td = S work  12,7  3,175 (phút) vh 4 * Tính chọn bơm cho hệ thống: Lƣu lƣợng bơm dầu cần thiết khi mở cửa âu( l/ph): Qbm = n  Va  2  809,523  382,391 (1/ph) tm 4,234 Lƣu lƣợng bơm dầu cần thiết khi đóng cửa âu( l/ph): n  Vbore Qbd = (l/ph) td 22 Qbd = 2  1292,074  813,904 (1/ph) 3,175 Lƣu lƣợng bơm dầu làm việc của hệ thống (l/ph): Qv  Qbm  382,391(1/ph) Chọn sơ bộ số vòng quay của... trọng lƣợng cửa van có xét tới lực đẩy nổi: G’=G = 3,5 (T) Do đó: Nđ ≥ 1,2(Tx+Tc)+ Pđ + Pt - 0,9G’ =1,2(7,97+0,808)+0+4,084– 0,93,5=11,467 (T) d Tính toán hệ thống thủy lực nâng hạ van * Thông số yêu cầu của hệ thống Xy lanh thủy lực loại tác động 2 chiều; Số xy lanh: n(cái) n=1 Lực nâng lớn nhất của xy lanh là Pn (T) Ta có lực cần thiết để nâng đƣợc cửa van là: Nn ≥ 21,0976 (T) Hệ thống có 01 xy... bản - Số lƣợng cửa van : 04 bộ ( mỗi đầu âu có 2 van) - Trọng lƣợng toàn bộ cửa van : 3,5 (T) - Chiều rộng cửa van : 3,730 (m) - Chiều cao cửa van : 1,805 (m) - Hƣớng cửa van : Thẳng đứng - Cao trình đáy van : -4,8 (m) - Cao trình đỉnh van : +2,5 (m) - Cột nƣớc thiết kế : 7,3 (m) b Tính toán lực nâng van Hc Ht P Hv hh Hình 3.4- Sơ đồ lực tác dụng lên cửa van Lực nâng cần thiết để nâng cửa van đƣợc tính... S a 30 10 4  8,64 (MPa) 0,97  35796 (3.13) Áp suất đóng thực tế (MPa): 4 4 pđ = pa 10  21,0976  10  4,433(MPa ) (3.14) 0,97  Sb 0,97  49062,5 * Tính toán thời gian, hạ của hệ thống Thời gian nâng tm (ph): tm = S work  2,2  1 (ph) vn 2,2 Thời gian đóng tđ (ph): tđ = S work 2,2   0,734 (ph) vh 3 (3.15) (3.16) * Tính chọn bơm cho hệ thống Thể tích buồng nhỏ xy lanh Va (dm3): Va=SaS work10-3(dm3) . 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐÓNG MỞ CỬA ÂU TÀU 3.1. GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐÓNG MỞ CỬA ÂU TÀU Hình 3.1 – Mô hình hệ thống đóng mở âu tàu 1-Xi lanh nâng hạ cửa âu thƣợng lƣu. giao thông vận tải 1.3. GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐÓNG MỞ CỬA ÂU TÀU 1.3.1. Hệ thống đóng mở cửa âu tàu 1.3.2. Hệ thống đóng mở van tháo nƣớc cửa âu tàu CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐIỀU KHIỂN. kế hệ thống đóng mở cửa âu tàu . 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu và ứng dụng PLC để thiết kế hệ thống ĐK đóng mở cửa âu tàu và các công trình liên quan. 2 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên