ĐỒ án điều KHIỂN bơm nước

MỤC LỤCLỜI NÓI ĐẦU2LỜI CẢM ƠN2NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN4ĐẶT VẤN ĐỀ.5CÁCH GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ6 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI7CHƯƠNG 1:GIỚI THIỆU81.1. Giới thiệu chung về hệ thống bơm cấp nước.81.2. Các phương pháp bơm cấp nước.8CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT92.1. Sơ đồ khối hệ thống bơm cấp nước.92.2. Phân tích các khối.92.3. Tính toán, lựa chọn và giới thiệu thiết bị từng khối.112.3.1. khối tín hiệu122.3.2. khối xử lý điều khiển và hiển thị.132.3.3. khối chấp hành (máy bơm).172.3.4. Các thiết bị điện khác.192.4.Lý thuyết liên quan về PLC S7300 và biến tần MM440.202.4.1. Khái quát chung về PLC S7300202.4.2. Biến tần MicroMaster 44025CHƯƠNG 3:THIẾT KẾ MÔ HÌNH VÀ GIAO DIỆN MÔ PHỎNG293.1. Thiết kế Phần cơ khí.293.2. Thiết kế Phần cơ điện.303.3.Thiết kế Lưu đồ.323.4.Chương trình điều khiển.333.5.Thiết kế giao diện.36CHƯƠNG 4 : KẾT QUẢ MÔ PHỎNG.37PHẦN KẾT LUẬN39KẾT LUẬN.39HƯỚNG PHÁT TRIỂN40TÀI LIỆU KHẢO41

BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC PLC

ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN BƠM NƯỚC BẰNG PLC VÀ BIẾN TẦN

Ngày 20 tháng 5 năm 2016

Đặc biệt chúng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Ths: Nguyễn Phong Lưu , là người trực tiếp giúp đỡ, chỉ bảo, hướng dẫn trong suốt quá trình làm đồ Điều Khiển Lập Trình Trong thời gian làm việc để hoàn thành đồ án với thầy, chúng em không ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích mà còn học tập được tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả, đây là những điều rất cần thiết cho em trong quá trình học tập trong trường cũng như công tác sau này khi đã tốt nghiệp.

Hy vọng chúng em sẽ lại được sự giúp đỡ, hướng dẫn của thầy trong thời gianhọc tập tại trường cũng như những đồ án sau này

SINH VIÊN

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

……….

……….

……….………

……….…

………

………

………

…………

………

……….….

………

……….….

………… ……….

………

……….

………

………

………

……… …………

………

………

………

……… ……… ……… …

……… ………

………

………

Nguồn nước rất quan trọng đối với sự sống và mọi hoạt động của con người,

nguồn nước ở 1 số nơi trên thế giới rất là khan hiếm và tình trạng ô nhiễm nguồn nước

ngày càng gia tăng.Trước thực trạng ấy chúng ta cần phải có giải pháp để khai thác và sử dụng nguồn nước sạch 1 cách hiệu quả và tiết kiệm

Nhu cầu sử dụng nước trong khu công nghiệp, khu dân cư rất khác nhau trong các thời điểm của ngày (cao điềm và thấp điểm), yêu cầu đặt ra là phải giải quyết được việc

tự động ổn định áp suất trên đường ống cấp nước và tiết 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 nướcthay đổi bất thường, máy bơm trong hệ thống luôn làm việc liên tục ở chế độ đầy tải Tuynhiên điều này dẫn đến 1 số bất lợi sau:

+Áp lực nước trong hệ thống đôi khi tăng lên 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 và áp lực lên đường ống cao

+ Bơm phải chạy liên tục dẫn đến giảm tuổi thọ cơ khí

Ở đây ta đặt vấn đề cụ thể cần giải quyết như sau: Bơm cấp nước cho một chung cư

10 tầng ( mỗi tầng cao 3.5m) mỗi tầng có 30 căn hộ, mỗi căn hộ có trung bình 5 người sinh sống.

Khi dùng biến tần thì dòng khởi động được hạn chế sẽ không gây sụt áp khi khởiđộng để tránh ảnh hưởng tới các thiết bị khác.

Quá trình START , STOP của bơm được êm hơn, tác dụng giảm tác hại cho động

cơ về mặt cơ khí.Chi phí bão dưỡng giảm

Tiết kiệm năng lượng khi nhu cầu sử dụng thay đổi nhiều

Có các chức năng bảo vệ : quá áp , thấp áp , quá nhiệt, bảo vệ nhiệt động cơ ,bảo

vệ quá tải …

Khởi động bơm từ từ với việc cài đặt thời gian tăng tốc , giảm tốc tránh gây rungđường ống và sự thay đổi áp suất đột ngột…tránh ảnh hưởng xấu cho hệ thống

GIỚI HẠN ĐỀ TÀI

Về kỹ thuật hệ thống bơm cấp nước sử dung PLC và biến tần khá hoàn hảo về thỏa mãn yêu cậu kỹ thuật đặt ra nhưng lại đòi hỏi khả năng tính toán, thiết kế lắp đặt, vận hành cao

Về kinh tế chi phí cho việc đầu tư ban đầu như PLC, biến tần, cảm biến khá cao nên chỉ thích hợp cho những công trình cao cấp với nhu cầu bơm cấp nước khắc khe

Về bản thân đồ án này dù với sự chỉ dẩn, hổ trợ nhiệt tình của thầy cùng với tham khảo từ nhiều phía nhưng do bản chất là một đồ án môn học cùng với khả năng giới hạn kiến thức của sinh viên khi mới tập làm quen với thiết kế một hệ thống thực tế Nên đồ ánvẫn còn rất sơ sài và chắc chắn còn rất nhiều thiếu sót thậm chí là sai sót Mong Thầy và người đọc cảm thông và góp ý

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1.1 Giới thiệu chung về hệ thống bơm cấp nước.

Hệ thống cấp nước trong nhà có nhiệm vụ đưa nước từ mạng lưới cấp nước ngoài nhà đến mọi thiết bị, dụng cụ vệ sinh hoặc máy móc sản xuất trong nhà

Hệ thống cấp nước trong nhà gồm các bộ phận sau:

Đường ống dẫn nước vào nhà nối liền đường ống cấp nước bên ngoài với nút đồng hồ đo

Nút đồng hồ đo: gồm đồng hồ đo nước và các van khóa để đo lưu lượng nước tiêuthụ

Mạng lưới cấp nước trong nhà:

- Đường ống chính dẫn nước từ đồng hồ đo đến các đường ống đứng cấp nước

- Đường ống đứng cấp nước lên các tầng nhà

- Đường ống nhánh cấp nước: dẫn nước từ ống đứng đến các dụng cụ vệ sinh

- Các dụng cụ lấy nước, các thiết bị đóng mở, điều chỉnh, xả nước, đảm bảo đưa nước đến các thiết bị vệ sinh thì thêm 1 số công trình khác: két nước, trạm bơm, bể chứa, trạm khí ép

Các yêu cầu cơ bản đối với một hệ thống cấp nước là:

- Bảo đảm đưa đầy đủ và liên tục lượng nước cần thiết đến các nơi tiêu dùng

- Bảo đảm chất lượng nước đáp ứng các yêu cầu sử dụng

- Giá thành xây dựng và quản lý rẻ

- Thi công và quản lý dễ dàng thuận tiện, có khả năng tự động hoá và cơ giớihoá việc khai thác, xử lý và vận chuyển nước…

1.2 Các phương pháp bơm cấp nước.

Bể ngầmTrạm bơm Bể trung gian (có thể có) Trạm bơm trung gian Bể mái phân vùng cấp nước trọng lực và trạm bơm cho các tầng trên cùng

Bể ngầm Trạm bơm phân vùng cấp nước tới các tầng

Bể ngầm Trạm bơmTới các tầng dưới và Bể trung gian Trạm bơm và phân vùng cấp nước tới các tầng

Bể ngầm 2 bơm biến tần (1 duty, 1 stanby) + bình áp lực phân 3 vùng cấp

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Sơ đồ khối hệ thống bơm cấp nước.

PLC

Cam bien muc nuoc

Cam bien

ap suat Bien tan

Bom chinh Bom phu

Khoi tin hieu Khoi dieu khien

Khoi chap hanh

2.2 Phân tích các khối.

a khối tín hiệu.

- Đầu đo áp suất ở ống nước bồn mái: Với tín hiệu đo được từ đầu đo áp suất đưa

về PLC xử lý điều khiển tốc độ bơm thông qua biến tần nhằm giữ áp suất ổn định (mực nước ổn định) Với đầu đo này PLC sẽ giám sát được áp suất nước trên mạng

- Đầu đo mực nước ở bể chứa ngầm: xác nhận nguồn nước có hay không Nếu không có Hệ thống ngưng hoạt động

b khối xử lý điều khiển và hiển thị.

-PLC S7-300: bộ điều khiển trung tâm, xử lý các tín hiệu thu thập về từ hệ thống

để điều khiển các động cơ Các động cơ được điều khiển chạy thông qua biến tần và các contactor

- Inverter (biến tần): điều khiển trơn tốc độ động cơ Với biến tần thì động cơ chạyvới hiệu suất rất cao ngay cả khi hoạt động ở tốc độ thấp Biến tần sẽ làm cho hệ thống hoạt động tiết kiệm năng lượng điện

-Màn hình hiển thị: dùng để cài đặt các chế độ hoạt động toàn hệ thống, cài đặt áp suất mạng Ngoài ra, trên màn hình còn hiển thị áp suất đo được ở bễ ngầm để xác nhận

có nguồn nước câp hay không

c khối thực thi.

- Contactor: dùng để điêu khiển bơm phụ mục đích dự phòng khi bơm chính không đủ công suất câp nước, khi sự cố

- Bơm chính : hoặt động thường xuyên

- Bơm phụ : bơm nền (bơm dự phòng)

Nguyên lý hoạt động:

Với thiết kế này, hệ thống sẽ tự động giám sát áp suất nước trên bồn mái và điều khiển để đảm bảo giữ đúng áp suất theo yêu cầu PLC sẽ điều khiển áp suất nước ổn địnhthông qua việc điều chỉnh tốc độ của máy bơm và số lượng máy bơm Hệ thống điều khiển tự động này một số chức năng chính sau:

- Đo lường: đo đầu đo áp suất và mức nước đo lường và chuyển đổi để đưa về CPU của S7-300

- Xử lý thông tin: bộ điều khiển trung tâm PLC S7-300

- Điều khiển: S7-300 sẽ phối hợp với biến tần điều khiển các máy bơm

- Giám sát: S7-300 sẽ kết đầu đo áp suất để giám sát hệ thống hoạt động

- Giao tiếp giữa người vận hành và thiết bị: do màn hình hiển thị TD-200 thực hiện

- Hệ thống có thể chuyển đổi qua lại giữa các motor bơm chạy với biến tần nhằm mục đích nâng cao tuổi thọ bơm, phục vụ bảo trì bảo dưỡng mà không làm gián đoạn sản xuất Việc chuyển đổi có thể thực hiện bằng cách cài đặt trên màn hình TD200

- Đồng thời để cho phép mở rộng và phát triển phụ tải sau này, hệ thống có thể sử dụng cùng lúc hai bơm nếu cần Bơm thứ hai sẽ đươc tự động đóng chạy trực tiếp thông qua contactor như là một bơm nền và bơm có biến tần sẽ chạy điều chỉnh đỉnh cho phù hợp với phụ tải

2.3 Tính toán, lựa chọn và giới thiệu thiết bị từng khối.

2.3.1 khối tín hiệu

a.Cảm biến áp suất.

Dựa vào cột nước H=40m vậy ta sẽ thiết lập áp suất nước trong mức dao động là 0-4 bar vậy ta chọn cảm biến áp suất 0 đến 4 bar (phản hồi tín hiệu 4 đến 20 mA )

Mã số : SEN-3245 B055 ( Của hãng KOBOLD ):

b Lựa chọn cảm biến đo mức

Cảm biến mức nước được dùng để xác định mực nước của bể ngầm có chiều cao nước là 5m vậy chọn cảm biến tầm đo thỏa mức nước trên

Chọn cảm biến siêu âm E4PA-LS600-M1-N của hãng Omron

Hình 2.2 Cảm biến siêu âm Omron E4PA-LS600-M1-N

Các thông số cơ bản của cảm biến siêu âm E4PA-LS600-M1-N

2.3.2 khối xử lý điều khiển và hiển thị.

Chọn biến PLC s7-300 như mục đích từ đầu của đồ án và tính phổ biến của dòng PLC này

Chọn các modum cho s7-300 :

Module CPU : module CPU 312C

module CPU 312C có 10DI/6D0

Module nguồn – PS ( Power supply): PS 307 2A

module analog SM334

b BIẾN TẦN.

Chọn biến tần theo công suất của động cơ Động cơ 22kw do đó biến tần cần chọn phải có công suất thỏa công suất của máy bơm Ta chọn biến tần Micromaster 440 vì Micromaster 440 chính là một họ biến tần mạnh mẽ nhất trong dòng các biến tần tiêu chuẩn Có dãy công suất định mức từ 0.12kw – 250kw đối với động cơ 3 pha AC 380 V

to 480 V

Biến tần có các thông số như sau :

c Màn hình hiển thị

PLC sử dụng là s7-300 nên ta chọn Màn hình Siemens TP 177A

Màn hình cảm ứng dành cho vận hành điều khiển & giám sát các máy nhỏ và các nhà máy

Màn hình cảm ứng 5.7" STN, màu xanh ( 4 cấp độ)

2.3.3 khối chấp hành (máy bơm).

a bơm chính.

Lưu lượng.

Theo yêu cầu ta có khoảng 1500 người sử dụng nước sinh hoặt Tiêu chuẩn

TCXDVN 33-2006 Cấp nước – Mạng lưới đường ống và công trình –Tiêu chuẩn thiết kế thì một người này sẽ sử dụng 300 lít nước / ngày đêm Vậy cả toàn nhà là 450000 lít nước / ngày đêm (450)

Tính toán sơ bộ Trung bình một phút sẽ sử dụng vậy lưu lượng máy bơm phải cấp trung bình là

.

Nhưng nhu cầu sử dụng nước sinh hoặt tất nhiên không giống nhau trong mỗi giờ của ngày đêm nên không thể sử dụng trong tính toán công suất máy bơm Vậy ta cần phải tính lưu lượng nước sử dụng lớn nhất ( tương đối ) trong ngày ( trong giờ cao điểm).giả sử 50% nhu cầu sử dụng nước rơi vào giờ cao điểm là 6h-7h, 11h-12h, 18h-20h

Vậy sẽ được tính lại với t=4h

Cột áp.

Ta có 10 tầng nhà với chiều cao mỗi tầng là 3.5m Vậy chiều cao cột áp đứng là 35m Ngoài ra còn có khoảng cách của tầng hầm và cột áp nằm ngang ( 5m ngang = 1m đứng) vậy ta chọn cột áp khi tính toán máy bơm là:

H = 40m

Lựa chọn máy bơm.

Ta chọn bơm của hãng EBARA có bảng lựu chọn như hình:

Bơm có tác dụng hoặt động hổ trợ khi yêu cầu phụ tải tăng cao và cũng có thể hoặtđộng tạm thời khi sự cố, sửa chữa bơm chính nên ta có thể chọn bơm có công suất thấp hơn đễ giảm chi phí Đều này phụ thuộc vào chủ quan của từng người khác nhau nên nhóm sẽ không tính toán lựa chọn cho bơm phụ.

2.3.4 Các thiết bị điện khác.

a CONTACTOR

Dựa vào dòng vào của biến tần là 43A, điện áp 380 VACChọn contactor có các

Chọn

Chọn MCCB của Mitshubishi

a Role trung gian.

Các đèn hiển thị và cuộn dây contactor điều có điện áp 220V Nên ta chọn Rơ le trung gian Omron MY4N AC220/240

2.4.Lý thuyết liên quan về PLC S7-300 và biến tần MM440.

2.4.1 Khái quát chung về PLC S7-300

a PLC là gì ?

PLC là thiết bị điều khiển logic khả trình (Programmable Logic Control) là loại

thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữlập trình PLC là một bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ traođổi thông tin với môi trường xung quanh ( với PLC khác hoặc với máy tính) Toàn bộchương trình điều khiển được lưu trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình( Khối OB, FC hoặc FB) và được thực hiện theo chu kỳ vòng quét

Nguyên lí chung về cấu trúc của một bộ điều khiển logic khả trình (PLC)

Để có thể thực hiện được một chươg trình điều khiển, tất nhiên PLC phải có tính năng như một máy tính, nghĩa là phải có bộ vi xử lý (CPU), một hệ điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển và tất nhiên phải có cổng vào/ ra để giao tiếp được với đối tượng điều khiển và để trao đổi thông tin với môi trường xung quanh Bên cạnh đó, nhằmphục vụ bài toán điều khiển số, PLC cần phải có thêm các khối chức năng đặc biệt khác như bộ đếm (Counter), bộ thời gian (Timer)và những khối hàm chuyên dụng

• Các module của PLC S7-300

Thông thường để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế mà ở đó phần lớncác đối tượng điều khiển có số tín hiệu đầu vào/ra khác nhau mà các bộ điều khiển PLCđược thiết kế không được cứng hoá về cấu hình Chúng được chia nhỏ thành cácmodule Số các module được chia nhiều hay ít tuỳ theo từng bài toán, song tối thiểuphải có một module chính là module CPU Các module còn lại là các modulenhận/truyền tín hiệu với tín hiệu điều khiển, các module chức năng chuyên dụng nhưcác module PID, điều khiển động cơ Chúng được gọi chung là modul mở rộng Tất cảcác module được gá trên những thanh ray (Rack)

Hình 1.9 Cấu trúc một thanh Rack của PLC S7-300

Module CPU

Modul CPU là modul có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ thời gian,

bộ đếm, cổng truyền thông (RS 485) và có thể còn có một vài cổng vào/ra số Các

cổng vào/ra số có trên modul CPU được gọi là cổng vào/ra onboard.

Trong họ PLC S7-300 có nhiều loại CPU khác nhau Nói chung chúng được đặttên theo bộ vi xử lý có trong nó như modul 312, modul 314, modul 315

Những modul cùng sử dụng một loại bộ vi xử lý, nhưng khác nhau về cổngvào/ra onboard cũng như các khối hàm đặc biệt được tích hợp sẵn trong thư viện của hệđiều hành phục vụ cho việc sử dụng các cổng vào/ra onboard này sẽ được phân biệt với

nhau trong tên gọi bằng thêm cụm chữ cái IFM (Intergrated Function Module) Ví dụ

modul 312 IFM, modul 314 IFM

Ngoài ra còn có các loại modul CPU với hai cổng truyền thông, trong đó cổngtruyền thông thứ hai có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng phân tán Tất nhiênkèm theo cổng truyền thông thứ hai này là những phần mềm tiện dụng thích hợp cũng đãđược cài sẵn trong hệ điều hành Các loại CPU được phân biệt với những modul CPU

khác bằng thêm cụm từ DP (Distributed Port) trong tên gọi Ví dụ modul DP,

315-2DP

Module mở rộng

Module mở rộng được chia thành 5 loại chính :

Hình ảnh thực tế các module mở rộng của PLC S7-300

• Module nguồn – PS ( Power supply)

Có chức năng cung cấp nguồn cho các module của hệ Simatic S7_300 Modulenguồn có 3 loại : 2A, 5A, 10A

Nối với hệ thống AC một pha (điện áp vào 120/230 VAC tần số 50/60 Hz)

• Module tín hiệu SM (Signal module)

SM (Signal modul): modul mở rộng cổng tín hiện vào/ra bao gồm:

mở rộng có thể là 8, 16, hoặc 32 tuỳ theo từng loại module

rộng có thể là 8, 16, hoặc 32 tuỳ theo từng loại modul

Số các cổng vào/ra số mở rộng có thể là 8vào/8ra, 16vào/16 ra theo từng loại modul

chúng chính là các bộ chuyển đổi tương tự số12 bit (AD), tức là mỗi tín hiệu tương tự

được chuyển thành một tín hiệu số (nguyên) có độ dài 12 bit Số các cổng vào tương tự

có thể là 2,4 hoặc 8 tuỳ từng loại modul

chúng chính là các bộ chuyển đổi số tương tự (DA) Số các cổng ra tương tự có thể là 2 hoặc 4 tuỳ từng loại modul

tương tự Số các cổng vào/ra tương tự có thể là 4 vào/2 ra hoặc 4vào/4 ra tuỳ từng loại modul

• Module ghép nối IM (Interface module)

Modul ghép nối đây là loại modul chuyên dụng có nhiệm vụ nối từng nhóm các modul mở rộng lại với nhau thành một khối và được quản ly chung bởi modul CPU Thông thường các modul mở rộng được gá liền với nhau trên một thanh đỡ gọi là rack Trên mỗi một rack chỉ có thể gá được nhiều nhất 8 modul mở rộng (không kể modul CPU, modul nguồn nuôi Một modul CPU S7-300 có thể làm việc trực tiếp được với nhiều nhất 4 Racks và các Racks này phải được nối với nhau bằng modul IM

• Module chức năng FM ( Function module)

Modul có chức năng điều khiển riêng, ví dụ như module điều khiển động cơ bước,modul điều khiển động cơ servo, modul PID, modul điều khiển vòng kín

• Module truyền thông CP ( Communication module)

Phục vụ truyền thông trong mạng giữa các PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính

2.4.2 Biến tần MicroMaster 440

a Khái quát chung về biến tần MicroMaster 440

MicroMaster 440 là loại biến tần mạnh mẽ nhất trong dòng các biến tần tiêu chuẩn Khả năng điều khiển vector ổn định tốc độ hay khả năng điều khiển vòng kín bằng

bộ PID có sẵn đem lại độ chính xác tuyệt vời cho các hệ thống truyền động quan trọng như các hệ nâng chuyển, các hệ thống định vị Không chỉ có vậy, một loạt khối Logic có sẵn lập trình tự do cung cấp cho người dùng sự linh hoạt tối đa trong việc điều khiển hàng loạt thao tác một cách tự động

Đây là các ứng dụng đòi hỏi bộ biến tần phải có tính năng và khả năng đáp ứng động