Đồ án: “Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát trạm bơm tưới tiêu ”

LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, con người cùng với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến của thế giới, chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn.Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ…là những yếu tố rất cần thiết góp phần cho hoạt động của con người đạt hiệu quả ngày càng cao hơn. Việc áp dụng khoa học công nghệ vào trong thực tế sản xuất đang được phát triển rộng rãi cả về quy mô lẫn chất lượng. Trong đó ngành tự động hóa chiếm một vai trò rất quan trọng không những làm giảm nhẹ sức lao động cho con người mà còn góp phần rất lớn trong việc nâng cao năng xuất lao động, cải thiện chất lượng sản phẩm, chính vì thế tự động hóa ngày càng khẳng định được vị trí cũng như vai trò của mình trong các ngành công nghiệp và đang được phổ biến rộng rãi trong các hệ thống công nghiệp trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng. Chiếm một vị trí khá quan trọng trong ngành tự động hóa đó là kỹ thuật điều khiển logic khả lập trình viết tắt là PLC.Nó đã và đang phát triển mạnh mẽ và ngày càng chiếm vị trí quan trọng trong các ngành kinh tế quốc dân. Không những thay thế cho kỹ thuật điều khiển bằng cơ cấu cam hoặc kỹ thuật rơle trước kia mà còn chiếm lĩnh nhiều chức năng phụ khác nữa. Bên cạnh đó việc sử dụng Biến Tần đem lại cho chúng ta rất nhiều lợi ích Xuất phát từ thực tế trên trong quá trình học tập tại trường em đã được giao đề tài “ xây dựng hệ thống điều khiển giám sát trạm bơm tưới tiêu” Đồ án bao gồm những nội dung sau: 1. Tổng quan về hệ thống tưới tiêu 2. Xây dựng phương án và tính chọn các thiết bị liên quan 3. Xây dựng hệ điều khiển và giám sát

Bộ công thương

Trường đại học công nghiệp Hà Nội

Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

ĐỒ ÁN

CHUYÊN MÔN TỰ ĐỘNG HÓA

Báo cáo đề tài số 9 :

“Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát trạm bơm tưới tiêu ”

MỤC LỤC Chương 1 Tổng quan hệ thống bơm tưới tiêu

1.1 Giới thiệu chung về các loại máy bơm nước 4

1.1.2 Các công trình hệ thống máy bơm 4

1.1.3 Cấu trúc trạm bơm 5

1.1.4 Trang bị điện trong trạm bơm 6

1.2 Đặc tính máy bơm làm việc song song 7

Chương 2 Thiết kế hệ thống trạm bơm tính chọn thiết bị liên quan 2.1 Xây dựng phương án làm việc 12

2.1.1 Thuyết minh nguyên lí hệ thống 12

2.2 Tính chọn thiết bị liên quan 13

2.2.1 Cảm biến mức 13

2.2.2 Động cơ máy bơm 14

2.2.3 Rơ le nhiệt 15

2.2.4 Công tắc tơ 15

2.2.5 PLC 16

2.3 Sơ đồ đấu dây 17

2.3.1 Sơ đồ mạch động lực 17

2.3.2 Sơ đồ mạch điều khiển 17

Chương 3 Thiết kế hệ thống điều khiển 3.1 Xây dựng hệ thống điều khiển 21

3.2 Xây dựng chương trình mô phỏng 22

3.3 Đánh giá kết luận 22

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, con người cùng với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến của thế giới, chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn.Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ…là những yếu tố rất cần thiết góp phần cho hoạt động của con người đạt hiệu quả ngày càng cao hơn Việc áp dụng khoa học công nghệ vào trong thực tế sản xuất đang được phát triển rộng rãi cả về quy mô lẫn chất lượng Trong đó ngành tự động hóa chiếm một vai trò rất quan trọng không những làm giảm nhẹ sức lao động cho con người mà còn góp phần rất lớn trong việc nâng cao năng xuất lao động, cải thiện chất lượng sản phẩm, chính vì thế tự động hóa ngày càng khẳng định được

vị trí cũng như vai trò của mình trong các ngành công nghiệp và đang được phổ biến rộng rãi trong các hệ thống công nghiệp trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng Chiếm một vị trí khá quan trọng trong ngành tự động hóa đó là

kỹ thuật điều khiển logic khả lập trình viết tắt là PLC.Nó đã và đang phát triển mạnh mẽ và ngày càng chiếm vị trí quan trọng trong các ngành kinh tế quốc dân Không những thay thế cho kỹ thuật điều khiển bằng cơ cấu cam hoặc kỹ thuật rơle trước kia mà còn chiếm lĩnh nhiều chức năng phụ khác nữa Bên cạnh

đó việc sử dụng Biến Tần đem lại cho chúng ta rất nhiều lợi ích

Xuất phát từ thực tế trên trong quá trình học tập tại trường em đã được giao đề tài “ xây dựng hệ thống điều khiển giám sát trạm bơm tưới tiêu”

Đồ án bao gồm những nội dung sau:

1 Tổng quan về hệ thống tưới tiêu

2 Xây dựng phương án và tính chọn các thiết bị liên quan

3 Xây dựng hệ điều khiển và giám sát

Chương 1: Tổng quan về hệ thống bơm nước tưới tiêu

1.1 Giới thiệu chung về trạm bơm nước

1.1.1 Khái niệm

Hệ thống công trình trạm bơm nước là tổng hợp các chương trình thủy công và các trang thiết bị cơ điện… nhằm đảm bảo lấy nước từ nguồn nước vận chuyển

và bơm nước đến nơi sử dụng hoặc cần tiêu nước ra nơi khác

1.1.2 Các công trình của hệ thống trạm bơm nước

Hình 1.1 Sơ đồ bố trí các hệ thống các công trình trạm bơmCông trình cửa lấy nước 1 lấy nước từ nguồn (lấy từ song hồ kênh dẫn …) Công trình dẫn nước 2 có nhiệm vụ đưa nước từ cửa lấy nước về bể tập trung nước trước nhà máy bơm.Công trình dẫn nước có thể là kênh dẫn, đường ống dẫn.Trên công trình có thể có bể lắng cát.Công trình 3 là kênh đãn nước vào bể tập trung nước Bể tập trung nước 4 nằm trước nhà máy bơm, nó có nhiệm vụ nối tiếp đường dẫn với công trình nhận nước (bể hút)

Của nhà máy sao cho thuận dòng.Công trình nhận nước 9 (bể hút) lấy nước từ

bể tập trung và cung cấp nước cho ống hút hoặc ống tự chảy vào máy bơm.Nhà máy bơm 5, đây là nơi đặt các tổ máy bơm và các thiết bị phụ cơ điện.Đường ống áp lực (ống đẩy) 6, đưa nước từ máy bơm lên công trình tháo 7.Công trình tháo 7 (bể tháo) nhận nước từ ống đẩy, làm ổn định mực nước phân phối nước cho kênh dẫn 8 hoặc các công trình nhận nước

Các thiết bị năng lượng chính của trạm bơm nhằm đảm bảo làm việc của các máy bơm chính, gồm có: động cơ để kéo máy bơm chính và các thiết bị để truyền công suất từ trục động cơ cho trục bơm chính.

Kiểu và nhãn hiệu của máy bơm chính được chọn dựa vào kết quả tính toán kinh tế - kỹ thuật, luận chứng được tính hợp lý của việc sử dụng nó trong trạm bơm Việc tính toán không chỉ riêng về giá thành của trạm mà còn phải tính cả đến chi phí vận hành năm của trạm Đối với trạm bơm tưới và tiêu cũng như trạm bơm cấp nước nông thôn thông thường sử dụng máy bơm cánh quạt

Các máy bơm chính được chọn cần phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Đảm bảo cấp đủ lưu lượng nước theo biểu đồ đã định trong suốt mùa với mức

an toàn và kinh tế cao

- Làm việc với hiệu suất cao trong mọi chế độ làm việc

- Có kích thước và khối lượng nhỏ nhất;

- Có khả năng phòng chống khí thực tốt nhất để cao trình đặt máy bơm cho phép việc xây dựng trạm bơm với chi phí nhỏ nhất

- Tiện lợi trong lắp đặt và vận hành, dễ sữa chữa

- Có khả năng chống được nước xâm thực

- Máy bơm đã được sản xuất hàng loạt nhắm giá rẽ và tiến độ lắp ráp nhanh

Tất nhiên chọn được một máy bơm đồng thời thỏa mãn các yêu cầu nêu trên

thường là khó, bởi vậy trong mỗi trường hợp cụ thể cần dựa vào những yêu cầu quan trọng nhất cho hiệu quả tốt nhất về kinh tế - kỹ thuật cho xây dựng và vận hành trạm

1.1.4 Trang bị điện trong trạm bơm

Trong trạm bơm, ngoài những thiết bị động lực chính trực tiếp làm nhiệm vụ bơm nước mà chúng ta đã biết, còn có những thiết bị phụ

Nhóm thiết bị phụ gồm có: các trang thiết bị cơ khí, hệ thống cấp nước kỹ thuật,

hệ thống tiêu nước, hệ thống cấp dầu, hệ thống cấp khí nén, thiết bị tạo chân

không, hệ thống cứu hỏa, hệ thống cấp nước uống và sản xuất, hệ thống thông gió, các thiết bị kiểm tra - đo lường Các thiết bị này có nhiệm vụ đảm bảo

cho trạm bơm làm việc bình thường, tránh sự cố, kiểm tra bảo vệ công trình và thiết bị làm việc tránh quá tải vv

Các thiết bị phụ cần thỏa mãn những yêu cầu sau:

- Bảo đảm vận hành tiện lợi và an toàn, giá thành rẻ;

- Khi tiến hành sữa chữa công trình và các tổ máy chính cũng như các cụm thiết bị của hệ thống thiết bị phụ thì việc vận hành trạm vẫn bình thường không bị trỡ ngại.Trang thiết bị cơ khí

Các trang thiết bị cơ khí của trạm bơm gồm những loại sau:

- Các cửa van, lưới chắn cùng với phần chi tiết lắp đăt, dịch chuyển chúng

- Các thiết bị nâng hạ tĩnh tại hoặc di động với các móc, cần kéo và dầm ngang

- Các máy vớt rác và dọn rác để làm sạch lưới chắn rác

- Các xe con chuyển thiết bị và vật liệu

Thành phần và kết cấu của các thiết bị cơ khí chủ yếu phụ thuộc vào quy mô của trạm bơm, biên độ giao động mực nước nguồn và khả năng tồn đọng của vật nổi

Mô hình trạm bơm có 4 tổ máy bơm

Hình 1.2 Trạm bơm với 4 máy bơm: 1- Ống hút; 2- Máybơm; 3- Ống đẩy

1.2 Đặc tính làm việc của máy bơm làm việc song song

1.2.1.Hai bơm đặc tính làm việc song song

Hình 1.3: Đặc tính làm việc song song của hai máy bơm giống nhau

Ta xét hai máy bơm cùng đặc tính Q –H làm việc song song trên 1 đường ống.khi

đó cột áp tổng cộng Htc của hệ thống bằng cột áp của từng bơm:

Trên đồ thị để tìm điểm C trên đường đặc tính tổng cộng

Q-H(1+2) thì lấy ac=2ab,tương tự ta tìm được đường đặc tính tổng cộng Q-H(1,2)Giao điểm giữa 2 đường đặc tính đường ống DE và đường đặc tính tổng cộng Q-H(1=2) là điểm làm việc của 2 bơm ghép song song,hoành độ cho lưu lượng tổngcộng Q(1=2) còn tung độ cho cột áp tổng cộng H(1=2).Từ điểm số 2 kẻ đườngsong song với trục hoành,đường này cắt đường đặc tính của máy bơm Q-H1,2 tạiđiểm số 1 cho lưu lượng Q1,cột áp H1 của từng bơm khi làm 2 việc song songtrong hệ thống

của bơm cũng tăng lên,điểm làm việc cũng lùi về phía cột áp lớn,vì thế lưu lượngcủa bơm khi làm việc song song bị giảm đi so với khi làm việc riêng rẽ.

Sự làm song song của 2 bơm có lợi nhất trong trường hợp điểm làm việc 1 ứng vớigiá trị hiệu suất lớn nhất,điều đó có thể thực hiện được nếu chọn bơm hợp lý.Khichọn bơm với lưu lượng của mỗi bơm bằng nửa lưu lượng tính toán,còn cột áptoàn phần xác định ứng với giá trị lưu lượng tính toán

1.2.2 Ba bơm cùng đặc tính làm việc song song

Hình1.4: Đặc tính làm việc song song của 3 bơm giống nhauXét sự làm việc song song của 3 bơm cùng đặc tính

Khi ta nhân hoành độ của ba đường đặc tính của 1 bơm thì ta được đường đặc tínhtổng cộng của 3 bơm

Chế độ làm việc của từng bơm khi 3 bơm làm việc song song cũng xác định giốngnhư trường hợp 2 bơm làm việc song song

Từ đường đặc tính ta thấy rằng khi số bơm làm việc song song càng nhiều thì sựgiảm lưu lượng của mỗi bơm so với trường hợp làm việc riêng rẽ càng lớn

Các bơm làm việc song song có lợi khi đường đặc tính của bơm và đường ống làthoải

Khi đường đặc tính đường ống đặc biệt là đường đặc tính máy bơm dốc thì hiệuquả làm việc song song như vậy là thấp.Trong trường hợp này thì sự thay đổi cột

áp ảnh hưởng đến sự thay đổi lưu lượng ít hơn trường hợp bơm có đường đặc tínhthoải.

1.2.3 Bốn bơm cùng đặc tính làm việc song song

Từ đường đặc tính ta thấy khi số lượng bơm làm việc song song tăng lên thì lưulượng giảm dần theo sự tăng số máy bơm.Khi mở thêm bơm thứ 4 thì sự tăng lưulượng của hệ thống không đáng kể so với trường hợp 2 hoặc 3 bơm cùng làm việc.Như vậy khi ghép song song nhiều bơm thì hiệu quả kinh tế sẽ thấp

1.2.4 Sự làm việc song song của các bơm khác đặc tính

Hình 1.5: Đặc tính làm việc song song của 2 bơm khác nhau

Trong một số điều kiện xác định thì các bơm có đặc tính khác nhau cũng có thểlàm việc song song với nhau

Trên đồ thị ta thấy bơm 2 tạo ra cột áp thấp hơn bơm 1

Vì 2 bơm chỉ làm việc song song khi chúng có cột áp như nhau nên từ điểm C bơm

1 và bơm 2 mới bắt đầu làm việc song song

Từ điểm C ta dựng đường đặc tính tổng cộng của chúng bằng cách cộng hoành độcủa những điểm có cùng tung độ trên đường đặc tính của 2 bơm

Đường đặc tính đường ống DE cắt đường đặc tính tổng cộng Q – H(1+2) tại A cholưu lượng Q(1+2) và cột áp H(1+2)

Khi 2 bơm cùng làm việc Điểm 1 và 2 là điểm làm việc riêng rẽ của 2 bơm trong

hệ thống cho lưu lượng tương ứng là Q1 và Q2 Điểm 1’ và 2’ là 2 điểm làm việccủa từng bơm khi chúng làm việc song song trong hệ thống cho lưu lượng của bơm

Việc vận hành hệ thống các bơm có đặc tính khác nhau tương đối phức tạp nên chỉghép các bơm trong trường hợp thật cần thiết

Chương 2 :Thiết kế hệ thống trạm bơm, tính chọn thiết bị

2.1 Xây dựng phương án làm việc

2.1.1 Thuyết minh nguyên lí làm việc của hệ thống

Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển bơm tưới tiêu

Chế độ tưới:

Chế độ 1: Ấn Mode 1, thực hiện chế độ bơm dài hạn, cả 4 tổmáy bơm cùng hoạt

tự động ngắt, khi mức nước trên kênh dẫn xuống mức cạn thì máy bơm lại tiếp tụcchạy, duy trì cho kênh dẫn luôn có nước chảy vào cánh đồng.Không giới hạn số lầnđầy kênh và cạn kênh Khi nào muốn dừng ta ấn nút STOP trên bảng điều khiển.Chế độ 2: Ấn Mode 2 thực hiện bơm như chế độ 1, nhưng chỉ cho phép trạm bơmchạy trong 1 lần đầy kênh dẫn( cảm biến báo đầy) thì dừng lại.

Chế độ 3: Ấn Mode 3 thực hiện chế độ bơm như chế độ 2, nhưng sẽ có giới hạn 2lần đầy kênh dẫn

Khởi động hệ thống bằng nút Start, dừng hệ thống ta ấn nút Stop

Sự khoa học của các chế độ: Khi bơm chế độ 1, thích hợp cho mùa vụ đổ ải gieocấy Cần nhiều nước và lịch bơm trong nhiều ngày liên tục Khi bơm ở chế độ 2,thích hợp cho tưới hàng ngày khi cánh đồng trồng rau màu, cần hàng ngày tưới 1lần vào buổi chiều tối hoặc sáng sớm Với chế độ bơm 3thích hợp cho việc giữmực nước duy trì cho cây lúa trong thời kì đẻ nhánh và làm đòng

Chế độ tiêu lụt: ngoài sông luôn có 1 cảm biến mức báo lũ lụt khi mực nước

ngoài sông dâng cao, ảnh hưởng đe dọa đến hệ thống đê chắn, thì tổ máy bơm tựđộng bơm từ sông lên kênh để giảm bớt áp lực trên sông, tiêu đi các vùng khác.Đây chỉ là giải pháp tình thế Tuy nhiên cũng góp phần không nhỏ trong việcchống vỡ đê, giảm thiệt hại do lũ lụt tràn bờ

Theo chu trình hoạt động của hệ thống như quá trình công nghệ đã nêu thì chúng tathấy đối tượng điều khiển là các động cơ máy bơm

2.2 Tính chọn thiết bị liên quan

2.2.1 Cảm biến mức

Cảm biến đo mực nước bằng sóng siêu âm liên tục, đo lường mà không cần tiếp xúc với nước

Hình 2.2 Cảm biến siêu âm

Hình 2.3 Động cơ máy bơmĐặc điểm động cơ:

- Thân bơm, khung động cơ: Sắt đúc

- Sử dụng cho các contacto: S-N50/65/80/95

2.2.4 Công tắc tơ

Hình 2.5 Công tắc tơĐặc điểm contactor Ls

- Thiết kế nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt kèm theo vỏ kim loại và phị kim loại khép kín

là giải pháp hiệu quả cho khách hàng

- Chỉ có 3 khung kích thước cho dải lên tới 95A, giúp nhà sản xuất dễ dàng làm tủ điện

2.2.5 PLC

Hình 2.6 PLC S7-200-PLC S7-200 là một loại PLC cỡ nhỏ của công ty Siemens Cấu trúcS7-200 gồm1CPUvàcácmodulemởrộngchonhiềuứngdụngkhácnhau.S7-200gồm

nhiềuloại:CPU221,222,224,226….cónhiềunhất7modulemởrộngkhicónhu cầu:

tổng số ngõ vào/ra, ngõ vào/ra Analog, kết nối mạng ( AS-I, Profibus)

Sử dụng trong bài làm là PLC S7-200 CPU 224

2.3 Sơ đồ đấu dây

2.3.1 Sơ đồ mạch động lực

L1 L2 L3

STOP_ I0.1 Dừng hệ thống

S1 I0.2 Cảm biến mức báo mức nước sông lên cao

K1 Q1.0 Cấp điện cho đèn báo hệ thống hoạt động

K2 K3 K4 K5

~

Q0.0 Q0.1

Q0.2 Q0.3

I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7

b, Sơ đồ đấu dây

STARTSTOPS1S2S3M1M2M3

Hình 2.8 Sơ đồ đấu dây PLC

Chương 3: Xây dựng hệ điều khiển và giám sát

3.1 Chương trình điều khiển hệ thống máy bơm

3.2 Sơ đồ mô phỏng hệ thống

Hình 3.1 Mô hình mô phỏng hệ thống3.3 Đánh giá kết luận

●Đánh giá, nhận xét chung:

Nhìn chung, kết quả mô phỏng trạm bơm tưới tiêu sử dụng PLC S7-200 đạt được

là khá sát với thực tế Nó đã thế hiện dược những yêu cầu quan trọng và cơ bản củabài toán đặt ra.Đồng thời việc ghép nối truyền thông giữa PLC và PC-simu có thểcoi là một kết quả quan trọng mà bài nghiên cứu đạt được Cùng với mô hình phầncứng, sự kết hợp giữa PC-simu - PLC thực sự đã khiến cho cả hệ thống trở nênthực tế hơn, linh hoạt hơn và mang tính công nghiệp hiện đại rõ ràng

Tuy nhiên để có thể đạt dược tới mức có thể ứng dụng vào thực tế thì vẫn cần phảisửa đổi và cải tiến hơn nữa.Việc sửa đổi phải cải tiến không chỉ nằm ở cấu trúcphần cứng mà quan trọng hơn là ở cấu trúc phần mềm, vì phần mềm tác động rấtlớn đến sự tối ưu, kinh tế cũng như độ linh hoạt của hệ thống

●Các kết quả đạt được:

Qua đề tài chúng em đã hiểu hơn ứng dụng của PLC không chỉ ở trong lĩnh vựccông nghiệp mà cả trong lĩnh vực nông nghiệp cũng đang phát triển rất làmạnh.Đồng thời việc tìm hiểu và sử dụng phần mềm mô phỏng.Ngoài ra việc đấulắp tủ điện điện là một kinh nghiệm thực tế hết sức quan trọng cho chúng em khilàm việc sau này

●Hướng phát triển:

Có thể nhận thấy trong mô hình nghiên cứu này, khả năng điều khiển giám sát trạmbơm chỉ bó hẹp trong phạm vi một trạm riêng lẻ và các chế độ bơm theo mùa, theochương trình cài sẵn còn ít Trong thực tế, với việc điều khiển giám sát ta còn điềukhiển liên hoàn nhiều hơn một trạm bơm có liên kết giữa các trạm Với các trạmcông suất lớn có thể khởi động và điều khiển theo lưu lượng bằng biến tần và cáccảm biến lưu lượng

Trong quá trình làm thực hiện đồ án em cũng đã cố gắng tham khảo nhiều tài liệu, vận dụng những kiến thức đã học nhưng do trình độ còn hạn chế nên đồ án của em chắc chắn còn gặp những thiếu sót Em rất mong sự góp ý kiến của các thầy cô để bản đồ án của em được đầy đủ hơn Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong

bộ môn Điện, các bạn trong lớp đã hướng dẫn, giúp đỡ em và đặc biệt là sự chỉ dẫn

trực tiếp và tận tình Th.S Nguyễn Đăng Toàn đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án.

Chúng em xin chân thành cảm ơn!