Đo điều khiển và cảnh báo lưu lượng trên đường ống

Thành viên: Nguyễn Thành Luân Thân Hồng Anh Hoàng Huỳnh Đức Phan Văn Linh Đỗ Trọng Hải Mục Lục Chương 1: Cơ sở lý thuyết 1.1 Mục đích đề tài Mục đích đề tài là: “ Đo, điều khiển cảnh báo lưu lượng đường ống” ngưỡng đặt trước thông qua điều khiển PLC biến tần Hệ thống bơm dựa tín hiệu cảm biến lưu lượng đường ống đưa 1.2 Phương pháp đo lưu lượng 1.2.1 Khái quát Lưu lượng chất lưu lượng chất lưu chảy qua tiết diện ngang ống đơn vị thời gian Tùy theo đơn vị tính lượng chất lưu (theo thể tích theo khối lượng) người ta phân biệt: • • Lưu lượng thể tích Q tính m3/s, m3/giờ,… Lưu lượng G tính kg/s, kg/giờ,… Lưu lượng trung bình khoảng thời gian ∆t= t2- t1 xác định biểu thức: Qtb= Gtb= Trong đó: ∆V, ∆m: thể tích khối lượng chất lưu chảy qua ống thời gian khảo sát Lưu lượng nước tức thời tính theo công thức: Q= G= Để đo lưu lượng người ta dùng lưu lượng kế, tùy thuộc vào tính chất lưu yêu cầu công nghệ mà người ta sử dụng lưu lượng kế khác Nguyên lý hoạt động lưu lượng kế dựa sở: Để trực tiếp thể tích chất lưu chảy qua công tơ khoảng thời gian xác định ∆t • Đo vận tốc chất lưu chảy qua công tơ lưu lượng hàm vận tốc • Đo độ giảm áp qua tiết diện thu hẹp dòng chảy, lưu lượng hàm phụ thuộc vào độ giảm áp • Tín hiệu đo biến đổi trực tiếp thành tín hiệu điện nhờ chuyển đổi điện thích hợp 1.2.2 Phương pháp đo lưu lượng Đo lưu lượng theo nguyên lý chênh áp (Differential Pressure) Đo lưu lượng theo nguyên lý Vortex Đo lưu lượng theo nguyên lý từ tính Đo lưu lượng theo nguyên lý chiếm chổ ( Positive Displacement Sensor)\ Đo lưu lượng theo nguyên lý Turbine Đo lưu lượng theo nguyên lý gia nhiệt Đo lưu lượng theo nguyên lý Coriolis 1.2.3 Các cảm biến đo lưu lượng 1) Công tơ thể tích Công tơ thể tích đo thể tích chất lưu chảy qua công tắc tơ cách đếm trực tiếp lượng thể tích qua buồng chứa tích xác định công tắc tơ Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý công thể tích Công tơ gồm hai bánh hình ovan truyền động ăn khớp Dưới tác động dòng chất lỏng, bánh quay truyền động tới bánh lúc bánh vị trí thẳng đứng, bánh nằm ngang Chất lỏng thể tích V1 đẩy sang cửa sau bánh quay, trình tương tự lặp lại, thể tích chất lỏng buồng V2 đẩy sang cửa Trong vòng quay công tơ thể tích chất lỏng qua công tơ lần V1+ V2 Trục bánh lien kết với cấu đém đặt công tơ Để đếm số vòng quay chuyển thành tín hiệu điện, người ta dung cách sau: - - Dùng nam châm nhỏ gắn trục quay công tơ Khi nam châm qua cuộn dây đặt cố định tạo xung điện đếm số xung điện theo thời gian tính tốc độ quay trục công tơ Dùng tốc đọ kế quang Dùng mạch đo thích hợp để đo tần số điện áp Giới hạn công tơ loại từ 0,01- 250 m3/h, sai số từ 0,5- 1%, tổn thất áp suất nhỏ chất lỏng phải lọc tốt không gây ồn đo 2) Công tơ tốc độ Công tơ tuabin hướng trục hình đây: Hình 1.2: Công tơ tốc độ tuabin hướng trục 1: Bộ chỉnh dòng chảy 2: Tuabin hướng trục 3: Bộ truyền bánh răng- trục vít 4: Thiết bị đếm Bộ chỉnh dòng chảy để san phẳng dòng chảy rối loại bỏ xoáy Tốc độ quay công tơ tỷ lệ với tốc độ dòng chảy: N= k.W Trong đó: • • k: Hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào cấu tạo công tơ W: Tốc độ dòng chảy Lưu lượng thể tích chất lưu chảy qua công tơ: Q= W.F= n Với: • • F: Tiết diện dòng chảy n: Tốc độ quay tuabin Nếu dung cấu đếm để đếm tổng số vòng quay công tơ khoảng thời gian nhận thể tích đong chảy qua công tơ Công tơ tuabin hướng trục với đường kính tuabion từ 50-300 mm có phạm vi đo từ 50- 300 m3/h, cấp xác 1; 1,5 3) Lưu lượng kế điện từ Nguyên lý hoạt động lưu lượng kế điện từ dựa tượng cảm biến điện từ Khi có chất lưu dẫn điện chảy qua ống, chất lưu xuất sức điện động cảm ứng: E= B.W.D= Q Trong đó: • • • • B: Cường độ từ trường W: Tốc độ trung bình dòng chảy D: Đường kính ống Q: Lưu lượng thể tích chất lưu Khi B= h/s E tỷ lệ với Q Đặc điểm: - - Đo lưu lượng chất lỏng dẫn điện không nhỏ 10-5- 10-6 simen/m Đo lưu lượng không cần đo tỷ trọng chất lỏng, phần tử bọt khí, hạt không làm ảnh hưởng đến độ dẫn điện không ảnh hưởng đến kết đo Với ống có đường kính từ 10- 1000 mm đo lưu lượng từ 1- 2500 m3/h với vận tốc dòng chảy từ 0,6- 10 m/s độ xác 1; 2,5 Hình 1.3: Cấu tạo nguyên lý lưu lượng kế điện từ 1,2: Điện cực 3: Ống dẫn chất lỏng 4: mV 5: Nam châm 4) Đo lưu lượng thay đổi nhiệt độ Nguyên tắc: - Một đầu đốt nóng làm giá trị điện trở Sensor tăng mạch cầu cân Khi có dòng chảy lưu chất, nhiệt độ Sensor giảm nên mạch cầu cân Đo điện áp ngõ xác định tốc độ dòng chảy Q= = A = A.V Trong đó: A: Tiết diện V: Vận tốc dòng chảy Hình 1.4: Cấu tạo nguyên lý đo lưu lượng thay đổ nhiệt độ 5) Đo lưu lượng dựa chênh lệch áp suất  Ống co Venturi Phương pháp đo lưu lượng ống co dựa định luật lien tục phương trình lượng Bernoulli Phương trình liên tục: A1u1ρ= A2u2ρ Phương trình Bernoulli: p1+ ρ.g.h1+ = p2+ ρ.g.h2+ áp dụng cho trường ống co venture: p1+ = p2+ Ở nơi diện tích ống bị thu nhỏ, vận tốc dòng chảy gia tăng Với phương trình lượng Bernoulli, lượng dòng chảy tổng lượng áp suất tĩnh động số ∆p= p1- p2= ( Lưu lượng tính theo thể tích khối lượng tính theo công thức sau: QV= A2.u2= α.A2 = α.k Qm= A2.u2.ρ= α.A2 = α.k → Lưu lượng tỷ lệ với bậc hai hiệu áp khối lượng riêng số  Pitot tube Nguyên tắc hoạt động: p1+ = p2+ đó: • • • • • p1: Áp suất tĩnh dòng chảy lưu chất ống dẫn p2: Áp suất dẫn pitot tube v1: Vận tốc dòng chảy v2: Vận tốc dòng chảy vị trí động ρ: Khối lượng riêng lưu chất Lưu lượng tính theo thể tích khối lượng sau: Qv= A.v1= A Trong thực tế pitot tube tích hợp khối, phận đo tổng áp suất tĩnh động với phận đo áp suất tĩnh đặt thiết bị 6) Đo lưu lượng phương pháp siêu âm Sensor siêu âm dùng rộng rãi nhiều lĩnh vực công nghiệp sinh học để đo dòng chảy Các cảm biến loại thiết bị đo áp điện phát xung ngắn song âm để xác định tần số âm dòng khoảng nghe Nguyên lý hoạt động dựa truyền song siêu âm điểm Thời gian truyền song điểm thay đổi ứng với tốc độ trung bình dòng chảy Hay nói cách độ chênh lệch thời gian truyền xuôi truyền ngược tỷ lệ trực tiếp với tốc độ dòng chảy Sử dụng phương pháp siêu âm có ưu điểm đo chất lỏng chất khí, nhiên phương pháp bị hạn chế chất lỏng có lẫn tạp chất rắn không đo có bọt khí → Từ phương pháp đo lưu lượng trên, ta chọn phương pháp đo lưu lượng cảm ứng điện từ phương pháp có ưu điểm sau: Khoảng đo rộng độ xác cao Có thể đo chất lỏng dơ bẩn, môi trường độc hại dơ bẩn cao Mặt cắt dòng chảy không bị thu hẹp ống blende hay ống phun 1.3 Tìm hiểu PLC- S7-200 - 1.3.1 Khái quát PLC PLC điều khiển logic khả trình, tiếng anh là: "Programmable Logic Controller", PLC xếp vào họ máy tính, sử dụng ứng dụng công nghiệp thương mại PLC đặc biệt sử dụng ứng dụng hoạt động logic điều khiển chuỗi kiện, trì biến số theo giá trị không đổi hàm cho trước PLC có đầy đủ chức tính toán vi xử lý, PLC có tích hợp thêm hàm chuyên dùng điều khiển PID, dịch chuyển khối liệu, khối truyền thông,… PLC có ưu điểm: - Có kích thước nhỏ, thiết kế tăng bền chịu rung động, nhiệt, ẩm tiếng ồn, đáng tin cậy Rẻ tiền ứng dụng điều khiển cho hệ thống phức tạp Dễ dàng nhanh chóng thay đổi cấu trúc mạch điều khiển PLC có chức kiểm tra lỗi, chẩn đoán lỗi Có thể nhân đôi ứng dụng nhanh tốn Một PLC gồm: Bộ nguồn: cung cấp thiết bị module mở rộng kết nối vào CPU: thực chương trình liệu để điều khiển tự động tác vụ trình Vùng nhớ Các ngõ vào, ra: gồm ngõ vào, số, ngõ vào tương tự ngõ dung để quan sát tín hiệu từ bên đưa vào Ngõ dung để điều khiển thiết bị ngoại vi trình Các cổng, module truyền thông: dung để nối CPU với thiết bị khác để kết nối thành mạng, xử lý thực truyền thông trạm mạng Các loại module chức năng: Phân loại PLC PLC phân làm loại theo phần cứng:  PLC kiểu hộp đơn ( thường sử dụng thiết bị lập trình cỡ nhỏ)  PLC kiểu module ( gồm module riêng cho nguồn, xử lý…) CPU thường có: - Bộ thuật toán logic Bộ nhớ Bộ điều khiển Cấu trúc bên PLC Hình 1.5: Cấu trúc bên PLC Một hệ thống lập trình phải gồm có phần:  Khối xử lý trung tâm CPU  Hệ thống giao tiếp vào Trong đó:      Thiết bị đầu vào gồm thiết bị tạo tín hiệu điều khiển Input, Output cổng nối vào PLC hay module mở rộng Cơ cấu chấp hành gồm thiết bị điều khiển Chương trình điều khiển Khối điều khiển trung tâm gồm phần: xử lý, hệ thống nhớ hệ thống cung cấp nguồn 10 29 2.3.3 Chương trình điều khiển 2.3.3.1Xác định mối quan hệ biến • Giá trị lưu lượng đầu max: Osh=10 • Giá trị lưu lượng đầu min:Osl=0 • Giá trị tín hiệu đầu vào max:Ish=32768 • Giá trị tín hiệu đầu vào min:Isl=6553 • Ov nằm dải từ (0-10) • Iv nằm dải từ (6553-32760) Công thức liên hệ: Thay vào ta được: 2.3.3.2Viết chương trình điều khiển Microwin S7-200 30 G 31 2.3.3.3Giải thích khối Stt Tên khối I_DI SUB_DI MUL_DI DIV_DI ;< Chức Chuyển đổi tín hiệu word 12bit sang số nguyên 32bit Khối trừ số nguyên Khối nhân số nguyên Khối chia số nguyên Các khối so sánh số nguyên 32 Chương 3: Kết đề tài 3.1 Kết lý thuyết Chạy thử nghiểm s7-200: Bước 1: chạy hệ thống Nhấn nút khởi động Start (I0.0) dẫn đến (Q0.0) có điện ,duy trì cung cấp nguồn cho cảm biến ,biến tần,động thiết bị khác Bước 2: Xử lý tín hiệu cảnh báo Nếu mức nước đường ống [...]... Tải tăng lên (lưu lượng trên đường ống sẽ giảm) → Muốn ổn định lưu lượng thì biến tần sẽ điều chỉnh máy bơm ba pha chạy nhanh lên cho đến khi bằng với lưu lượng đặt • TH2: Tải giảm đi (lưu lượng trên đường ống tăng lên) → Muốn ổn định lưu lượng thì biến tần sẽ điều chỉnh tốc độ động cơ của máy bơm ba pha chạy chậm lại cho đến khi lưu lượng trên đường ống bằng với lưu lượng đặt • Hệ thống cứ hoạt động... đổi tần số dòng điện đưa vào động cơ để đảm bảo lưu lượng trong đường ống là luôn ổn định  Mô tả công nghệ: Trong hệ thống ta sử dụng 1 máy bơm ba pha Biến tần sẽ điều khiển trực tiếp máy bơm ba pha Khi khởi động hệ thống nên thì máy bơm ba pha được điều khiển trực tiếp từ biến tần sẽ khởi động chạy cho đến khi đạt được lưu lượng đặt khi lưu lượng trên đường ống bằng lưu lượng đặt thì biến tần sẽ... thang tới một trong những đầu nối của ngõ vào Đọc dữ liệu thu được cho CPU Điều chỉnh GAINcủa máy đo điện thế cho đến khi bằng 32000, hoặc giá trị dữ liệu dạng số mong muốn Lặp lại sự chỉnh định OFFSET và GAIN theo yêu cầu 17 Chương 2: Thiết kế hệ thống Trong đề tài ứng dụng PLC đo, điều khiển và cảnh báo lưu lượng trên đường ống, chúng em áp dụng đề tài này vào trạm cấp nước của trường Đại Học Công... toàn trường ĐHCNHN 18 Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống  Nguyên tắc điều khiển trong hệ thống Đầu ra của PLC được nối với biến tần để điều khiển biến tần và từ đây biến tần điều khiển tốc độ động cơ Khi sử dụng thiết bị biến tần cho phép điều khiển một cách linh hoạt lưu lượng và áp lực cấp vào mạng lưới theo yêu cầu tiêu thụ Với tín hiệu từ cảm biến lưu lượng truyền vể PLC, PLC sẽ so sánh giá trị truyền... trì và cung cấp nguồn cho cảm biến ,biến tần,động cơ và các thiết bị khác Bước 2: Xử lý tín hiệu và cảnh báo Nếu mức nước trong đường ống