Điều khiển bơm ổn định mức chất lỏng

Điều khiển bơm ổn định mức chất lỏng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

SVTH:

TS LÊ QUANG ĐỨC

VÕ TRUNG CAN ĐẶNG XUÂN HỮU

0851050005 0851050025

TP HỒ CHÍ MINH – 09/2012

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP

Xin chân thành cảm ơn thầy Lê Quang Đức là người hướng dẫn chính cũng là người

đã tận tình chỉ bảo, góp ý và định hướng cho chúng em trong suốt thời gian làm luận văn.Xin chân thành cảm ơn cô Đoàn Diễm Vương đã góp ý và tạo điều kiện thuận lợi chochúng em hoàn thành luận văn này

Xin gởi lời cảm ơn đến tất cả bạn bè, người thân đã động viên, ủng hộ chúng em trongthời gian làm luận văn

Cuối cùng vì kinh nghiệm và kiến thức còn hạn chế, khả năng tiếp thu vấn đề còn giớihạn nên không thề trách được những sai sót, chúng em mong nhận được sự quan tâm giúp

đỡ của các thầy (cô) để luận văn này được đầy đủ và hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Người viết

Đặng xuân Hữu

Võ Trung Can

TÓM TẮT

Trong luận văn này chúng em vận dụng các kiến thức cơ bản được học tại trường đểứng dụng vào việc xây dựng các hệ thống ngoài thực tế, nhóm đã chọn bài toán ổn địnhmức nước trong bồn chứa công nghiệp qua đó vừa củng cố kiến thức vừa tìm hiểu, thiết

kế và thi công hệ thống với những mục tiêu sau:

 Tổng kết và phân tích các ứng dụng và giải pháp thực tế vấn đề điều khiển mứcnước của bồn chứa trong công nghiệp

 Giải pháp tiết kiệm năng lượng

 Tìm hiểu giao thức USS để xây dựng truyền thông giữa PLC S7-200 và biến tầnqua đó có thể cài đặt, giám sát hoạt động của hệ thống

 Tính toán, lựa chọn các thiết bị động lực và điều khiển

 Tìm hiểu biến tần MM420 của Siemens, sử dụng chức năng điều khiển PI trongbiến tần để ổn định mức nước, tiến hành việc cài đặt các thông số phù hợp với hệthống bơm ổn định mức

 Hệ thống hoạt động ổn định, tin cậy, đảm bảo các yêu cầu kĩ thuật

 Xây dựng hệ thống SCADA trên phần mềm Wincc với các chức năng điều khiển,giám sát các thông số kĩ thuật như mức nước, tốc độ động cơ, dòng điện, điện áp…Xuất báo cáo hoạt động của hệ thống hàng tuần, hàng tháng.và lưu trữ dữ liệu Tạomột Database tùy ý để theo giỏi và truy cập một cách chư động

 Điều khiển giám sát thông qua mạng LAN

MỤC LỤC

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Trang Hình 1.1: hệ thống bơm nước cho chung cư cao tầng

Hình 2.1: Bồn kín sử dụng trong công nghiệp

Hình 2.2: Bồn hở sử dụng trong công nghiệp.

Hình 2.3: Bồn nước sử dụng trong đồ án

Hình 2.4: Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu tỉ lệ (P)

Hình 2.5: Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PD) với P = 1

Hình 2.6: Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PI) với P = 1

Hình 2.7: Sơ đồ điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID

Hình 3.1 Họ đường cong đặc tính bơm

Hình 3.2 Điểm làm việc của bơm dùng van tiết lưu

Hình 3.3 Công suất tổn hao với hệ thống dùng van tiết lưu

Hình3.4 Điểm làm việc của bơm dùng biến tần

Hình 8.3 Bản vẽ hệ thống điện

Hình 8.4: Mô hình hệ thống sau khi hoàn thành

Hình 9.1: Tạo một chương trình WinCC

Hình 9.2: Màn hình làm việc của WinCC

Hình 9.3: Màn hình cài đặt thuộc tính Runtime

Hình 9.4: Giao diện chương trình PC Access

Hình 9.5: Add tag vào WinCC

Hình 9.6: Một màn hình thiết kế Graphics Designer

Hình 9.7: Màn hình Tag Longging

Hình 9.8: Màn hình Alarm Longging

Hình 9.9: Màn hình tạo Report Alarm

Hình 9.10: Màn hình User Administrator

Hình 9.11: Màn hình điều khiển trung tâm

Hình 9.13: Giao diện đọc ghi thông số biến tần

Hình 9.14: Giao diện Alarm

Hình 9.15: File ACCESS được xuất ra và lưu trữ.

Hình 9.23: Kiểu mạng LAN đấu BUS

Hình 9.24: Kiểu mạng LAN đấu RING

Hình 9.25: Kiểu mạng LAN đấu sao.

Hình 9.26: Khởi tạo kết nối ở máy chủ

Hình 9.27: Điều khiển, giám sát từ máy khách qua mạng LAN

Hình 9.28: Giao diện SCADA trên máy khách

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 4.1 Ý nghĩa của tham số AK

Bảng 4.2 Ý nghĩa tham số AK trong bức điện trả lời

Bảng 4.3 Mở rộng thông số

Bảng 4.5 Giá trị tham số STW

Bảng 4.6 Giá trị tham số ZSW

Bảng 5.1: Thông số Reset giá trị mặc định

Bảng 5.2: Cài đặt nhanh thông số động cơ

Bảng 5.3: Nhập thông số biến tần và bảo vệ quá tải động cơ

Bảng 5.4: Cài đặt bảo vệ biến tần và động cơ

Bảng 5.5: Cài đặt chức năng khởi động bám

Bảng 5.6: Cài đặt chức năng tự khởi động lại

Bảng 5.7: Tối ưu đặc tính tăng, giảm tốc

Bảng 5.8: Chức năng giám sát Moment trong MM430

Bảng 5.9: Cài đặt đầu vào tương tự ADC

Bảng 5.11: Giá trị đặt PI-MOP và giá trị mức nước thực tế

Bảng 5.12: Cài đặt giao thức USS

Bảng 6.1: Cài đặt chức năng tự khởi động lại

Bảng 6.2: Cài đặt chức năng khởi động bám

Bảng 6.3: Chức năng giám sát Moment trong MM430

Bảng 6.4: Cài đặt đầu vào tương tự ADC

Bảng 8.1 Bảng chọn tiết diện dây dẫn

DANH SÁCH CÔNG THỨC

trang

1.1: Tốc độ động cơ 3 pha không đồng bộ 4

2.1: Quan hệ mức nước với áp suất 2.2: Hàm truyền khâu điều khiển tỉ lệ 13

2.3: Hàm truyền khâu điều khiển vi phân tỉ lệ.14 2.4: Hàm truyền khâu điều khiểntích phân tỉ lệ 15

2.5: Hàm truyền bộ điều khiển PID 17 2.6: Mối quan hệ giữa tín hiệura u(t) với tín hiệu sai lệch e(t) trong bộ PI 17

3.1: Mối quan hệ Momen và tốc độ động cơ tải bơm (quạt) 20

3.2: Mối quan hệ công suất, monen vả tốc độ động cơ tải bơm(quạt) 20

3.3: Mối quan hệ công suất vả tốc độ động cơ tải bơm(quạt) 20

3.4: Tính chọn công suất bơm 23 5.1: Công thức nội suy 2 điểm 50

DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Tự động hóa quá trình công nghệ đã thực sự phát triển và ứng dụng mạnh mẽ trongcông nghiệp, là sự lựa chọn tối ưu trong mọi lĩnh vực nhằm tạo ra sản phẩm chất lượngcao, tiết kiệm chi phí sản xuất tạo khả năng cạnh tranh mạnh mẽ trên thị trường

Hiện nay, sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa ngày càng phát triển mạnh mẽ, sựtiến bộ của khoa học kỹ thuật, trong đó kỹ thuật điều khiển tự động cũng góp phần rất lớntạo điều kiện để nâng cao hiệu quả trong quá trình sản xuất

Trong các ngành công nghiệp sản xuất chất lỏng như hóa chất, nước uống đóng chai,sữa, nước mắm, dầu ăn, dầu khí, … vấn đề cần điều khiển mức lưu lượng dòng chảy cầnđáp ứng với độ chính xác cao để phục vụ quá trình sản xuất đạt hiệu quả tốt hơn, đảm bảoquá trình sản xuất các chất lỏng không bị gián đoạn, tăng tuổi thọ thiết bị, người vậnhành không cần phải trực tiếp kiểm tra trong các bồn chứa hoặc đóng mở bơm liên tục,vấn đề bị cạn hay tràn trong bồn chứa chất lỏng hoàn toàn được khắc phục cho dù đầu rathay đổi

Chính vì vậy chúng em chọn đề tài là: Điều Khiển Bơm Ổn Định Mức Chất Lỏng.

Với yêu cầu ứng dụng thực tế như thế, đối tượng đề tài thực hiện chính ở đây là hệ bồnnước, hệ bồn nứớc được hình thành với hệ thống bơm và van xả chất lỏng nhưng luôn giữ

ổn định theo giá trị mức đặt trước, mực chất lỏng của bồn được duy trì ổn định, để làmđược điều này thì đòi hỏi ta phải điều khiển lưu lượng chất lỏng từ máy bơm vào hệ thốngbồn nước, làm mực nước trong bồn luôn luôn giữ một giá trị đặt trước là không đổi, việc

điều khiển hệ thống này để giữ được mức chất lỏng trong bồn ổn định là tương đối khó,cần phải có sự đáp ứng nhanh để điều khiển máy bơm khi lưu lượng nước xả thay đổi.

1.2.1 Ứng dụng

Hệ thống bơm ổn định mức được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp nói chung

và ngành công nghiệp chất lỏng nói riêng như hóa chất, nước uống đóng chai, dầu ăn, sản xuất xi măng, sản xuất giấy, sản xuất điện năng… Đặc biệt trong hệ thống cung cấp nước cho hộ dân, khu chung cư, nhà cao tầng

Ví dụ thực tế:

- Nhu cầu sử dụng nước trong khu công nghiệp, khu dân cư rất khác nhau trong cácthời điểm của ngày (cao điềm và thấp điểm), yêu cầu đặt ra là phải giải quyết đượcviệc tự động ổn định áp suất trên đường ống nước cấp, mức nước trên bồn chứa, vàtiết kiệm năng lượng cho hệ thống cấp nước

- Để đáp ứng nhu cầu áp lực nước trong hệ thống luôn đủ khi nhu cầu sử dụng nước thay đổi bất thường, các bơm trong hệ thống luôn làm việc liên tục ở chế độ đầy tải Tuy nhiên điều này dẫn đến 1 số bất lợi sau:

o Áp lực nước trong hệ thống đôi khi tăng quá cao không cần thiết, 1 số thời điểm nhu cầu sử dụng nước giảm xuống nhưng hệ thống bơm vẫn chạy đầy tải Điều này gây lãng phí năng lượng rất lớn

o Các bơm phải chạy liên tục dẫn đến giảm tuổi thọ cơ khí

Hình 1.1: hệ thống bơm nước cho chung cư cao tầng

1.2.2 Giải pháp công nghệ đang được sử dụng

Trong ngành công nghiệp hiện nay các hệ thống bơm ồn định mức hầu hết được thiết

kế với các đặc điểm sau:

- Trạm thường có tối thiểu 2 bơm trở lên, cùng cấp nước vào một đường ống chính

- Các bơm được khởi động trực tiếp hoặc sao/tam giác và tất cả các động cơ đềuhoạt động ở tốc độ định mức

- Trong quá trình trạm bơm hoạt động, thường luôn luôn để một bơm ở chế độ dừng(mang tính dự phòng)

- Việc điều chỉnh áp lực trên đường ống chính hay mức nước được thực hiện bằng 2cách:

o Thay đổi góc mở các van (van tay hoặc van điện) trong trường hợp sự thayđổi áp lực ở khoảng cho phép.Trường hợp áp lực vẫn thiếu hoặc thừa ta cóthể ngắt hoặc đóng thêm bơm (có thể là một bơm, hoặc nhiều hơn)

o Điều khiển ON/OFF

Là kiểu diều khiển khi bơm nước tới một mức nào đó (đặt) thì cho bơm ngừng hoạtđộng, và khi nước được tiêu thụ và giảm xuống tới mức đặt thấp thì cho bơm chạy

- Ưu điểm: Kiểu điều khiển ON/OFF dễ thiết kế, dễ điều khiển, giá thành thấp, phù

hợp với chế độ Stand by

- Nhược điểm: hệ thống không ổn định, đáp ứng chậm và không tốt, mức nước liên

tục giao động xung quanh điểm đặt, dòng điện khởi động lớn gây sụt áp, bơm đóng

mở liên tục gây giảm tuổi thọ

Để ổn định mức nước cũng như áp suất trong đường ống thì vấn đề quan tâm nhất làđiều khiển lưu lượng nước bơm lên bồn để ổn định mực nước và áp suất theo một điểmđặt cố định Có thể sử dụng van điện với tín hiệu phản hồi của cảm biến đưa về bộ điềukhiển, bộ điều khiển xữ lí đưa ra tín hiệu điều khiển đóng mở van để chỉnh lưu lượngbơm Hoặc sử dụng van tay để điều chỉnh trực tiếp

- Ưu điểm: Giá thành thấp, dễ thiết kế.

- Nhược điểm: Các bơm vẫn chạy đầy tải và liên tục, điều này gây lãng phí nănglượng điện vì có những thời điểm nhu cầu xử dụng nước giảm xuống thì bơm chỉcần chạy 50% hay 60% công suất là đã đáp ứng được Việc vận hành khó khăn vàtốn chi phí nhân công vì phải cần công nhân vận hành trực tiếp để điều khiển góc

mở valve Các bơm phải chạy liên tục dẫn đến giảm tuổi thọ phần cơ khí Khókiểm soát áp lực nước làm ảnh hưởng tuổi thọ đường ống, ảnh hưởng tuổi thọ cácmối nối

1.3.1 Lựa chọn giải pháp

Với các phương pháp đã phân tích như trên ta có thể nhận thấy rằng việc ổn định mứcnước được thiết kế dễ dàng nhưng vẫn còn rất nhiều nhược điểm.Để đáp ứng được nhữngyêu cầu về ổn định mức nước trong công nghiệp cũng như dân dụng, hiện nay cùng với sựphát triển của khoa học kĩ thuật cũng như ngành tự động hóa các công ty lớn về lĩnh vựcnày đã không ngừng phát triển và cho ra ra đời các loại biến tần với chức năng chính làthay đổi tần số của động cơ để làm nhiệm vụ trên Như ta biết tốc độ động cơ 3 pha khôngđồng bộ phụ thuộc vào các thông số như công thức sau:

f- tần số động cơ (Hz)

p- Số cặp cực

Vì vậy để thay đổi tốc độ động cơ ta có thể thay đổi điện áp hoặc thay đổi tần số, việcthay đổi điện áp lưới là không thể nên thay đổi tần số là hợp lý nhất với việc sử dụng biếntần ta có thể giải quyết được bài toán ổn định mức cùng với việc hạn chế các nhược điểmcủa các phương pháp khác.Với việc hỗ trợ chức năng điều khiển PI, biến tần sẽ nhận tín

hiệu analog (dòng hoặc áp) từ sernsor đưa về, biến tần sẽ tự động thay đổi tần số, từ đóthay đổi tốc độ bơm, vì thế việc khống chế mức nước trong bồn trở nên dễ dàng hơn rấtnhiều.Khi nhu cầu xử dụng nước cao, thì biến tần sẽ tự động điều khiển động cơ quay ởtốc độ cao nhất để duy trì mức nước, ngược lại khi nhu cầu xử dụng nước thấp, biến tần

sẽ điều khiển động cơ giảm tốc độ xuống hoặc dừng hẳn Khi đó năng lượng điện đượctiết kiệm

Việc điều chỉnh mức nước trong bồn hoàn toàn tự động, điều này sẽ tiết kiệm chi phínhân công vì không cần người vận hành.Toàn bộ bơm sẽ được điều khiển thông qua biếntần.Với phương pháp điều khiền U/f, điều khiển vector, do đó tốc độ bơm có thể thay đổimột cách linh hoạt Dòng khởi động được hạn chế sẽ không gây sụt áp khi khởi động sẽkhông ảnh hưởng đến các thiết bị khác.Quá trình stop, start của bơm được êm hơn, tácdụng giảm tổn hại cho động cơ về mặt cơ khí, cho hệ truyền động cũng như về mặt điện.Chi phí bảo dưỡng giảm.Tiết kiệm năng lượng khi nhu cầu xử dụng thay đổi nhiều Cócác chức năng bảo vệ: quá áp, thấp áp, quá nhiệt,bảo vệ nhiệt động cơ, bảo vệ ngắnmạch,đảo pha, kẹt rotor,…Khởi động bơm từ từ với việc cài đặt thời gian tăng tốc, tránhgây rung đường ống và sự thay đổi áp suất đột ngột,… tránh ảnh hưởng xấu cho hệthống.Có thể kết nối truyền thông với PLC để giám sát mọi hoạt động Đồng thời với cácchức năng có sẵn ta có thể giải quyết các sự cố kĩ thuật như: hết nước bồn dưới, kẹtđường ống, nguồn điện ngắn hạn

Để điều khiển biến tần thông qua PLC thông thường có các giải pháp sau:

- Dùng các đầu vào ra số của PLC, nhưng chỉ thực hiện được các chức năng đơn giảnnhư: khởi động, dung, đảo chiều Còn việc thay đổi thời gian khởi động hoặc dừng,đặt lại tốc độ… không thể thực hiện được ở chế độ này

- Để thay đổi giá trị setpoint biến tần mất đi 1 đầu vào analog và 1 đầu ra analog, ngoài

ra cần phải sử dụng các đầu vào ra số để điều khiển biến tần (rất kho khăn sử dụng

- Điều khiển qua mạng Profibus: đối với MM3, MM4 của Siemens đã có sẵn giao diệnProfibus trên RS485 Port Nhưng đối với các ứng dụng nhỏ thì việc thiết kế một mạngProfibus là không kinh tế.

- Dùng Port 0 của PLC để kết nối tới các Port của biến tần, 1PLC có thể điều khiển vàgiám sát được 1 mạng tối đa 31 biến tần Mạng này gọi là mạng USS Dạng kết nối làđiểm-điểm Ta có thể điều khiển toàn bộ các chức năng của biến tần thông qua mạngnày, ngoài ra còn có thể giám sát được dòng điện, điện áp, tốc độ… dựa vào vùng nhớ

mà PLC dành riêng cho biến tần Chi phí cho mạng này là thấp và tối ưu nhất cho cácứng dụng nhỏ

Với các giải pháp điều khiển và giám sát biến tần như trên giải pháp nhóm đưa ra là sửdụng giao thức USS để kết nối giữa PLC và biến tần, rất phù hợp cho ứng dụng nhỏ và cókhả năng phát triển thành một hệ thống lớn

1.3.2 Nhiệm vụ đề tài

Với giải pháp được lựa chọn ở trên nhóm sẽ sử dụng PLC và biến tần để để giải quyếtbài toán bơm ổn định mức với các tính năng sau:

- Tính chọn các thiết bị động lực và điều khiển

- Hệ thống bơm và điều khiển ổn định mức nước của bồn, hệ thống hoạt động tincậy, đảm bảo các thông số kỹ thuật cho trước

- Chế độ hoạt động manual, chế độ tự động, chế độ giám sát và điều khiển từ xa

- Hệ thống tự động điều khiển, cho phép cài đặt và thay đổi các chế độ và thông sốhoạt động

- Giải pháp tiết kiệm và giám sát tiêu thụ điện năng

- Giải quyết các vấn đề sự cố kỹ thuật như sự cố nguồn điện ngắn hạn, sự cố nguồncấp nước, sự cố đường ống, sự cố tràn bồn, sự cố truyền thông

- Hệ thống SCADA hai cấp: cấp điều khiển trực tiếp và cấp giám sát từ xa thông quamạng LAN

- Hiển thị và giám sát các thông số kỹ thuật của hệ thống như mức nước, tốc độbơm, tiêu thụ điện năng

- Lập báo cáo (report) hàng tuần, hàng tháng vận hành của hệ thống

- Lưu trữ dữ liệu vận hành.

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN LÍ THUYẾT

2.1.1 Giới thiệu chung về bồn nước

Bồn nước là một thiết bị được sử dụng rộng rãi trong sản xuất và sinh hoạt, là mộtthiết bị dùng để đựng chất lỏng như: nước, xăng, dầu, axit…, dung bồn nước để địnhlượng các loại chất môi cần sử dụng Tùy vào nhu cầu sử dụng mà có 2 loại bồn nướcchính là bồn kín và bồn hở

- Bồn kín: là loại bồn được chế tạo kín cách li với khí, chất lỏng bên ngoài Bồn kínđược sử dụng trong các ứng dụng:

 Lưu trữ, ủ … trong các dây chuyền sản xuất thực phẩm, dượcphẩm, hóa chất…

 Trong công nghiệp sản xuất điện năng

 Trong nồi hơi công nghiệp…

Hình 2.1: Bồn kín sử dụng trong công nghiệp

- Bồn hở:

 Sử dụng trong sinh hoạt hàng ngày

 Cung cấp nước cho các quá trình sản xuất.

 Dùng trong công nghiệp dầu khí

 Dùng trong công nghiệp sản xuất như giấy, xi măng…

Hình 2.2: Bồn hở sử dụng trong công nghiệp.

2.1.2 Bồn nước sử dụng trong đề tài

Vì là bước đầu làm quen với đối tượng bơm ổn định mức nên nhóm lựa chọn loại bồn

hở có dung tích nhỏ, kích thước nhỏ, độ vọt lố và sai số khi ổn định là tương đối lớn

Hệ thống bồn nước được sử dụng trong đồ án gồm 2 bồn:

- Bồn dưới có kích thước: dài 1.1m, rộng 90cm, cao 50cm, dung tích tối đa có thểchứa là gần 0.45 Được sử dụng để cung cấp nước cho máy bơm

- Bồn trên có kích thước: dài 50cm, rộng 50cm, cao 1m, dung tích tối đa có thể chứa

là 0.25 Được sử dụng để chứa nước cung cấp cho sản xuất, sử dụng Yêu cầu ổnđịnh mức

Hình 2.3: Bồn nước sử dụng trong đồ án

2.2.1 Cấu tạo

Cấu tạo của máy điện không đồng bộ bao gồm hai bộ phận chính là stator và roto

 Lõi thép stator hình trụ gồm nhiều lá thép kỹ thuật điện ghép lại Mặt trong

có những rãnh để chứa bộ dây quấn pha

 Dây quấn stator làm bằng các dây dẫn bọc cách điện, đặt trong các rãnhđược phân bố đều dọc theo chu vi của lõi thép Dây quấn stator nhận điện

từ một nguồn 3 pha để tạo ra một từ trường quay Tốc độ quay của từtrường này phụ thuộc tần số nguồn điện và số cực của bộ dây quấn

- Roto: cũng có hai phần chính là lõi thép và dây quấn

 Lõi thép roto hình trụ gồm nhiều lá thép kỹ thuật điện ghép lại Mặt ngoài

có những rãnh để chứa dây quấn

Có hai loại: lồng sóc và dây quấn

mạch bởi hai vành ngắn mạch ở hai đầu Với động cơ nhỏ, roto được đúc nguyên khối, gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt và quạt.Với động cơ lớn, các thanh bằng đồng được đặt vào các rãnh roto và siết chặt vào vành ngắn mạch Nhờ không có vành trượt và chổi than nên rất bền, chắc, ít cần bảo trì Các thanh dẫn thường nghiêng so với trục (ta có cảm tưởng như roto bị vặn xoắn); vì các lý do:

 Làm cho momen quay không bị dao động và máy ít ồn khilàm việc Tránh được vị trí ở đó răng roto song song vàđối diện với răng stator, tức là vị trí từ trở cực tiểu và roto

sẽ bị “khóa" ở đó

 Tăng chiều dài tác dụng của thanh dẫn

dây quấn roto luôn luôn đấu Y và có 3 đầu ra đấu vào 3 vành trượtnày để dẫn điện ra một biến trở 3 pha đấu Y nằm ngoài động cơ,dùng để khởi động hoặc điều chỉnh tốc độ

2.2.2 Nguyên lí hoạt động

- Nhận điện năng từ lưới điện và biến thành cơ năng chuyển ra tái

- Có tốc độ quay nhỏ hơn tốc độ từ trường, quay cùng chiều với từ trường

- Dòng điện 3 pha có thể tạo ra từ trường quay rất mạnh

- Khi cho dòng điện 3 pha chạy vào 3 cuộc dây Stator đặt cách nhau 120

0

- Trên vòng tròn thì trong Stator xuất hiện từ trường quay Fs Từ trường Fs sinh ra trongcuộn dây Stator cũng dao động điều hòa như dòng điện 3 pha đầu vào, từ trường này móc

vòng qua rotor và cảm ứng trên rotor một điện áp cảm ứng Rotor ngắn mạch sẽ có dòngđiện chạy trong rotor

- Dòng điện vào Stator gây ra từ trường Fs ,dòng điện trên Rotor gây ra từ trường Fr.Hai từ trường này tương tác với nhau tạo ra monent kéo Rotor chuyển động theo hướng từtrường quay Fs Hoặc từ thông do dòng điện Rotor sinh ra hơp với từ thông của Stator tạothành từ thông tổng ở khe hở giữa Stator và Rotor Từ thông tồng này tác dụng với dòngRotor tao ra monent kéo rotor chuyển động theo hướng từ trường quay Fs

Yêu cầu chính của chúng ta là ổn định mức nước trong bồn vậy điều quan trọng đầutiên là làm sao để xác định chính xác mức nước thực trong bồn tại một thời điểm nhấtđịnh, vì vậy phải có thiết bị để đọc giá trị mức nước trong bồn đưa về bộ điều khiển, thiết

bị thường được dùng là cảm biến đo mức nước Cảm biến để đo mức nước thì trong thực

tế có 3 loại có thể đáp ứng nhu cầu này:

- Cảm biến mức

- Cảm biến siêu âm

- Cảm biến áp suất: làm việc theo nguyên tắc so sánh áp suất của bồn nước với áp suấtcủa khí quyển làm chuẩn để đưa ra tín hiệu điện.áp suất của cảm biến có thể chuyểnđổi thành mức nước trong bồn theo tỉ lệ như sau:

1m=0.1 kg/

1m=0.1 bar (2.1) 1m=9806.38 Pa

Căn cứ vào ứng dụng của các loại cảm biến đo mức và các yếu tố như giá cả, nhà cungcấp… nhóm lựa chọn cảm biến áp suất để đo mức nước thực trong bồn

2.4.1 Điều khiển bằng khâu tỉ lệ P

- Đây là hình thức điều khiển bằng cách đưa tín hiệu điều khiển dựa vào sự khác biệt mứcnước giữa mức nước thực tế của đối tượng và mức nước đặt, với KP được xem là độkhuếch đại tỷ lệ của bộ điều khiển

Hình 2.4: Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu tỉ lệ (P)

- Ta thấy hệ số khếch đại KP càng lớn thì sai số xác lập càng nhỏ tuy nhiên đáp ứng của hệthống càng dao động, độ vọt lố càng cao Nếu KP tăng quá giới hạn thì hệ thống sẽ trở nênmất ổn định Do đó không thể có sai số của hệ thống bằng 0 và cũng không thể tăng hệ sốkhếch đại lên vô cùng

2.4.2 Điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ PD

Vấn đề về tính ổn định và quá tầm trong điều khiển tỷ lệ với độ khuếch đại lớn, có thểđược giảm đi khi thêm vào đó là khâu vi phân cho tín hiệu sai số

Kỹ thuật đó được gọi là kỹ thuật điều khiển PD Khâu vi phân có thể hiệu chỉnh khảnăng đáp ứng sự thay đổi tại mức nước đặt, đó là giảm độ vọt lố , đáp ứng ra c(t) bớt nhấpnhô hơn, được biểu diễn ở hình sau:

Hình 2.5: Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PD) với P = 1

Dựa vào đáp ứng quá độ của hệ thống khi thay đổi giá trị TD và giữ hệ số KP bằnghằng số Ta thấy TD càng lớn thì đáp ứng càng nhanh, thời gian lên càng ngắn Tuy nhiên,nếu thời gian lên nhanh quá thì sẽ dẫn đến vọt lố mặc dù đáp ứng không có dao động

Bộ hiệu chỉnh PD không thể thực hiện bằng các linh kiện mạch thụ động, có thể dùngkhếch đại thuật toán, điện trở và tụ điện Nhược điểm của bộ PD này là rất nhạy về nhiễu

vì bản thân bộ PD là mạch lọc thông cao, với độ lợi lớn hơn 1 sẽ làm tăng sự ảnh hưởngcủa tín hiệu nhiễu

2.4.3 Điều khiển bằng khâu tỉ lệ tích phân PI

Vấn đề về sai số xác lập có thể khắc phụ bằng hiệu chỉnh PI Hiệu chỉnh PI có tácdụng làm chậm đáp ứng quá độ, tăng độ vọt lố, giảm sai số xác lập Do hệ số khếch đại

của khâu PI bằng vô cùng tại tần số bằng 0 nên khâu hiệu chỉnh PI làm cho sai số đối vớitín hiệu vào là hàm nấc của hệ thống không có khâu tích phân lý tưởng bằng 0 (hệ vô saibậc 1) Ngoài ra khâu PI là một bộ lọc thông thấp nên nó còn có tác dụng triệt tiêu nhiễutần số cao tác động vào hệ thống.

0

1 ( ) ( )

) = TS –T0

Ki = Kp/TI, TI là thời hằng tích phân của bộ điều khiển PI

Hình 2.6: Đáp ứng ra của điều khiển bằng khâu vi phân tỉ lệ (PI) với P = 1

Khâu hiệu chỉnh PI làm cho sai số xác lập của hệ thống đối với tín hiệu vào là hàmnấc bằng 0 Tuy nhiên khâu hiệu chỉnh PI lại làm cho hệ thống kém ổn định do làm tăngthời gian xác lập

Dựa trên đáp ứng quá độ của hệ thống khi giảm thời hằng tích phân TI thì độ vọt lố của

hệ thống càng cao, hệ thống càng chậm xác lập Vậy hằng số thời hằng tích phân TI ta nêncho giá trị lớn nhằm hạn chế độ vọt lố Tuy vậy khi TI bằng hằng số thì ảnh hưởng của P

đến chất lượng của hệ thống chính là ảnh hưởng của khâu khếch đại, P càng tăng thì độvọt lố càng cao, tuy nhiên thời gian quá độ lại không thay đổi.

2.4.4 Điều khiển bằng khâu vi tích phân tỉ lệ PID

Bộ điều khiển PID được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế để điều khiển nhiều loại đốilập, với đầu vào thay đổi theo hàm nấc sẽ gây ra vọt lố và trong vài trường hợp là khôngchấp nhận được đối với mạch động lực Sự có mặt của khâu vi phân tỉ lệ (PD) làm giảm

độ vọt lố và đáp ứng ra bớt nhấp nhô hơn và hệ thống sẽ đáp ứng nhanh hơn Khâu tíchphân tỉ lệ(PI) có mặt trong hệ thống sẽ dẩn đến sai lệch tĩnh triệt tiêu( hệ vô sai) Muốntăng độ chính xác ta phải tăng hệ số khuếch đại, song với mọi hệ thống thực đều bị hạnchế và sự có mặt của khâu PI là bắt buộc Khâu hiệu chỉnh vi tích phân tỉ lệ (PID) kết hợpnhững ưu điểm của khâu PI và PD, có khả năng tăng độ dự trử pha ở tần số cắt, khử chậmpha Sự có mặt PID ở vòng hồi tiếp có thể dẩn đến sự dao động trong hệ do đáp ứng quá

độ bị vọt lố bởi hàm Dirac δ(t).Các bộ hiệu chỉnh PID được ứng dụng nhiều trong côngnghiệp dưới dạng thiết bị điều khiển hay thuật toán phần mềm

Do sự thông dụng của nó nên nhiều hãng sản xuất thiết bị điều khiển đã cho ra đời các

bộ điều khiển thương mại rất thông dụng

Thực tế các phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID dùng quỹ đạo nghiệm số, giản đồBode hay phương pháp giải tích rất ít được sử dụng do việc khó khăn trong xây dựng hàmtruyền đối tượng Phương pháp phổ biến nhất để chọn tham số PID thương mại hiện nay

là phương pháp Ziegler-Nichols

Hình 2.7: Sơ đồ điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID có hàm truyền liên tục như sau:

Phương trình vi tích phân mô tả sự tương quan giữa tín hiệu ra u(t) với tín hiệu sailệch e(t) của bộ điều khiển PID là:

∫++

dt

t de K t e K

t

u( ) P ( ) D ( ) I. ( )

(2.6)Trong đó: e(t) là sai lệch trong hệ thống e(t) = r(t) – c(t)

r(t) và c(t) là tín hiệu vào và đáp ứng ra của hệ thống

Vấn đề thiết kế là cần xác định giá trị Kp, Ki, Kd sao cho thoả mãn các yêu cầu về chấtlượng

Đối tượng khác nhau như nhiệt độ lò nhiệt, tốc độ động cơ, mực chất lỏng trong bồnchứa,… Lý do bộ điều khiển này được sử dụng rộng rãi là vì nó có khả năng triệt tiêu sai

số xác lập, tăng đáp ứng quá độ, giảm độ vọt lố nếu các tham số bộ điều khiển được chọnlựa thích hợp

Khâu hiệu chỉnh khuếch đại tỉ lệ (P) được đưa vào hệ thống nhằm làm giảm sai số xác

2.4.5 ứng dụng điều khiển PI trong biến tần

Trong hầu hết các dòng biến tần của các hãng, đặt biệt các dòng dành cho ứng dụngbơm/ quạt điều tích hợp sẵn các bộ điều khiển PI hoặc PID điều này làm cho người sửdụng dễ thiết kế và vận hành hệ thống hơn Đối với các ứng dụng đối tượng có quán tínhnhỏ như áp suất,lưu lượng, mức nước … thì chỉ cần sử dụng bộ điều khiển PI là đủ.Vớicác đối tượng có quán tính lớn như nhiệt độ…thì phải sử dụng bộ điều khiển PID

Đối tượng điều khiển trong đề tài là mức nước vì vậy nhóm sẽ sử dụng chức năng PI

có sẵn trong biến tần để ổn định mức nước qua đó cũng cố gắng sử dụng hết các chứcnăng biến tần hỗ trợ cho các ứng dụng bơm/ quạt

CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG

LƯỢNG

3.1.1 Điều khiển theo kiểu truyền thống

Bơm sẽ được cấp nguồn trực tiếp

Bơm luôn hoạt động ở chế độ định mức

Việc thay đổi lưu lượng thông thường dùng van tiết lưu

Nhận xét :

- Tăng trở kháng đường ống

- Lưu lượng giảm nhưng công suất tiêu hao giảm rất ít

Ví dụ :

Khi ta dùng valve tiết lưu để giảm lưu lượng bơm xuống còn 80% so với định

mức Theo bình thường thì với 20% lưu lượng giảm đi thì công suất tiêu tốn cũng giảm đi một lượng đáng kể,nhưng cụ thể ở đây chỉ năng lương tiêu tốn là khoảng

95% (chỉ giảm 5% công suất trên 20% lưu lượng giảm)

3.1.2 Điều khiển bằng biến tần

Bơm ,quạt được cấp nguồn qua biến tần

Bơm có thể hoạt động ở các chế độ khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu

Việc thay đổi lưu lượng được thực hiện thông qua việc thay đổi tốt độ động

cơ

Nhận xét:

- Không còn tổn thất năng lượng trên valve như kiểu truyền thống

- Bơm cũng không phải sinh ra công suất trên trục lớn hơn nhu cấu thực tế để

chống lại sức càn trên valve

Ví dụ:

Khi dùng biến tần điều khiển bơm,nếu ta muốn giảm lưu lượng xuống 80% so

với định mức.Ta chỉ cần điều chỉnh biến tần để giảm tốc độ động cơ xuống.Quan hệ giữa moment tải và tốc độ động cơ (với tải bơm quạt) là:

M=n

2

(3.1) Công suất: P=M×n (3.2) P≈ n

3

(3.3)Nếu ta giảm tốc độ xuống còn 80% (0.8) thì công suất chỉ cần bằng (0.8)

3

≈ 0.5 Điều này cho ta thấy rằng bơm sẽ chỉ hoạt động với 50% công suất định mức là có thể đạt được 80% lưu lượng dẫn đến tiết kiệm điện

3.2 Đặc tính của bơm

Là mối quan hệ giữa áp suất và lưu lượng Họ đặc tính của bơm khi tốc độ bơm thayđổi được trình bày như hình sau

Hình 3.1 Họ đường cong đặc tính bơm

Điểm làm việc của bơm là giao điểm của đường cong của bơm và đường cong của hệthống Ta xét động cơ có tốc độ định mức là n= 1480 RPM

3.3.1 Dùng van tiết lưu điều chỉnh lưu lượng

Hình 3.2 Điểm làm việc của bơm dùng van tiết lưu

Công suất tổn hao đối với hệ thống dùng van tiết lưu

Hình 3.3 Công suất tổn hao với hệ thống dùng van tiết lưu

3.3.2 Dùng biến tần thay đổi tốc độ động cơ

Hình3.4 Điểm làm việc của bơm dùng biến tần

Công suất bơm được tính bằng tích của lưu lượng nhân với áp suất Đây chính làdiện tích trên đường đặc tuyến Ta có công thức tính công suất như sau: xét lưu lượng Qtính theo (m3 /s)

P = (d * H * Q) / k (3.4)

Với:

d: Khối lượng riêng của chất được bơm (kg/m3)

H: Độ cao cột áp cần bơm (m) Q: lưu lượng bơm (m3/s) k: Tỷ số giữa công suất đầu ra với công suất trên trục của bơm

- Dùng valve tiết lưu:

Động cơ luôn chạy với công suất định mức, việc thay đổi lưu lượng thông qua việc thay đổi độ đóng mở của valve Điều này sẽ gây tổn hao năng lượng khi chạy ở lưulượng thấp (tải bơm)

- Dùng biến tần:

Toàn bộ hệ thống bơm quạt sẽ được điều khiển thông qua biến tần Áp suất củatoàn hê thống không đổi với mọi lưu lượng (cảm biến áp suất trên đường ống phản hồithông số về cho biến tần) Với phương pháp điều khiền U/f , điều khiển vector ,do đó tốc

độ có thể thay đổi một cách linh hoạt Dòng khởi động được hạn chế sẽ không gây sụt ápkhi khởi động sẽ không ảnh hưởng đến các thiết bị khác Quá trình stop ,start được mềmhóa nên giảm tổn hại cho động cơ về mặt cơ khí, cho hệ truyền động cũng như về mặtđiện Chi phí bảo dưỡng giảm Không giới hạn số lần khởi động Tiết kiệm năng lượngkhi tải thay đổi liên tục

CHƯƠNG 4: GIAO THỨC USS

Giao thức USS (Universal Serial Interface Protocol) định nghĩa một kiểu truy cập theonguyên tắc master-slave cho thông tin liên lạc thông qua bus nối tiếp Giao thức USS làkiểu truyền thông của Siemens dành riêng cho PLC S7-200 và biến tần của hãng Quagiao thức này 1 PLC có thể điều khiển tối đa một mạng gồm 32 biến tần, Dạng kết nối làđiểm-điểm Ta có thể điều khiển toàn bộ các chức năng của biến tần thông qua mạng này,ngoài ra còn còn có thể giám sát được dòng điện, điện áp, tốc độ, hướng quay dựa vàocác lệnh trong thư viện USS cho mỗi biến tần Chi phí cho mạng này là thấp và tối ưunhất cho các ứng dụng nhỏ và vừa

Để sử dụng được giao thức này yêu cầu biến tần phải được hỗ trợ giao thức USS, phầnmềm step7-micorowin phải cài đặt thư viện USS Sử dụng port 0 của PLC để kết nốiUSS ,khi đã chọn port 0 cho truyền thông USS không sử dụng port 0 với bất kì mục đíchkhác Vì vậy để thực hiện việc giám sát hệ thống cần lựa chọn PLC có 2 port truyền thông,cụ thể trong luận văn sử dụng PLC s7200 -224xp Các giá trị của các lệnh USS yêu cầu

400 byte của vùng nhớ V của PLC ,vì vậy trước khi lập trình phải khai báo vùng nhớ V và

S7-200 và biến tần được kết nối truyền thông USS qua cáp RS485.Chân số 3 port 0của PLC kết nối với chân 14(P+) của biến tần ,chân số 8 nối với chân 15(N-).

4.2.1 Tổng thể

Mỗi bức điện bắt đầu với kí tự STX (=02hex) tiếp theo là chiều dài khối dữ liệu (LGE)

và byte địa chỉ (ADR) Bức điện kết thúc bằng kí tự (BBC)

Trong đó:

- STX: là một byte ASCII (02hex) được sử dụng để biết bắt đầu một kí tự.

- LEG: Quy định chiều dài khối dữ liệu.Khối dữ liệu được chia làm 2 khu vực

PKW( tham số ID-giá trị khu vực) PZD (xử lí dữ liệu)

- ADR: là một byte duy nhất có chứa địa chỉ của slave

- BBC: là một byte kiểm tra xác nhận tin nhắn đã được sử dụng Nếu biến tần nhận

được một tin nhắn không hợp lí thì biến tần sẽ không trả lời

Hình 4.1 Cấu trúc tổng thể bức điện

Cấu tạo khối dữ liệu

Hình 4.2 Cấu tạo khối dữ liệu

PKW: chứa dữ liệu thông số

PKE: chứa yêu cầu, thông số

IND: chứa giá trị mở rộng thông số và giá trị index

PWE: chứa giá trị yêu cầu

PZD: chứa word điều khiển word giám sát

STW: chứa word điều khiển

ZSW: chứa word giám sátHSW: chứa điểm đặt tần số

HIW: chứa giá trị tần số thực tế

Đối với MM420 chỉ hỗ trợ loại bức điện PPO1 và PPO3