BTL dự án điều khiển giám sát quạt thông gió tầng hầm bằng biến tần Mitshubisi và PLC

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN, GIÁM SÁT QUẠT THƠNG GIĨ TẦNG HẦM LỜI NĨI ĐẦU Kinh tế nước ta ngày phát triển, với tòa nhà cao tầng mọc lên ngày nhiều Trong tòa nhà đại thường xây dựng khu vực tầng hầm làm nhiệm vụ để xe Do hoạt động xe vào tầng hầm mà lượng khí thải từ xuất tầng hầm Tùy theo nồng độ chất khí khác mà mức độ ảnh hưởng đến sức khỏe người khác Tầng hầm nơi kín, trao đổi khơng khí với mơi trường bên ngồi khơng giống nơi khác Đặc biệt, nguy hiểm xảy người tầng hầm chứa chất độc hại khơng khí nhiễm khí NO, CO2, SO2, Do trao đổi khơng khí với mơi trường ngồi hạn chế nên khí độc khó tự bay ngồi Ngồi ra, việc thơng gió quan trọng tầng hầm gặp cố hỏa hoạn Lượng khói hay khí độc nhiều mức độ nguy hiểm tới người giảm Từ đó, hệ thống thơng gió tầng hầm đời nhằm giảm tải chất độc hại ô nhiễm ngồi đưa khí vào tầng hầm đảm bảo oxy đủ cho người Đối với đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển, giám sát quạt thơng gió tầng hầm” em nêu lên số biện pháp tổ chức thơng gió, khử bụi khí độc Sau đó, thiết kế hệ thống để điều khiển giám sát quạt thơng gió hầm Do kiến thức hạn chế nên làm em khơng thể tránh sai sót, em mong nhận bảo thầy ý kiến đóng góp bạn để làm em hoàn thiện Ngày 21 tháng 11 năm 2017 Sinh viên thực Nguyễn Văn Ý Muc luc PHẦN I: TỔNG QUAN CHUNG VỀ DỰ ÁN 1.1 Tổng quan 1.2 Yêu cầu hệ thống thơng gió PHẦN II: CÁC PHƯƠNG ÁN THƠNG GIĨ .5 2.1 Thông gió đường ống gió .5 2.2 Thơng gió khơng đường ống gió PHẦN III: CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ ĐIỀU KHIỂN .7 3.1 Điều khiển the khung thời gian ngày 3.2 Điều khiển theo nhu cầu .8 3.3 Điều khiển kết hợp thời gian nhu cầu thơng gió PHẦN IV: GIỚI THIỆU THIẾT BỊ 4.1 Hệ thống quạt thơng gió JetFan 4.1.1 Giới thiệu chung 4.1.2 Ứng dụng hệ thống 10 4.2 Cảm biến nồng độ khí độc 10 4.2.1 Cảm biến khí CO .10 4.2.2 Cảm biến khí NOx .13 4.3 Thiết bị điều khiển PLC S7-200 .15 4.3.1 Giới thiệu chung 15 4.3.2 Cấu trúc nguyên lý hoạt động .15 4.4 Module analog EM235 .18 4.4.1 Khái niệm chung module analog 18 4.4.2 Module analog EM235 20 4.5 Biến tần mitsubishi FR-A700 27 4.5.1 Giới thiệu chung 27 4.5.2 Thông số kỹ thật, cấu trúc nguyên lý hoạt động 28 PHẦN V: GHÉP NỐI, LẬP TRÌNH, CÀI ĐẶT HỆ THỐNG 31 5.1 Ghép nối 31 5.1.1 Kết nối EM235 cảm biến .31 5.1.2 Kết nối PLC s7-200 module analog EM235 33 5.1.3 Kết nối biến tần với PLC s7-200 động quạt JetFan 34 5.2 Cài đặt biến tần 36 5.2.1 Reset biến tần .36 5.2.2 Cài đặt nhiều cấp tốc độ 37 5.3 Lập trình PLC 37 5.3.1 Thuật toán 37 5.3.2 Chương trình PLC .39 PHẦN I: TỔNG QUAN CHUNG VỀ DỰ ÁN 1.1 Tổng quan Thiết kế hệ thống thơng gió cho khu vực hầm nhu cầu tất yếu tất cơng trình kiến trúc.Có thể kể tới tòa nhà cao tầng có khu vực tầng hầm, cơng trình hầm đường bộ, … Vậy đâu lí cho cần thiết tất yếu ? Nguyên nhân an tồn người khu vực tầng hầm Tầng hầm nơi kín, trao đổi khơng khí với mơi trường bên ngồi khơng giống nơi khác Đặc biệt, nguy hiểm xảy người tầng hầm chứa chất độc hại khơng khí nhiễm khí NO, CO2, SO2, Do trao đổi khơng khí với mơi trường ngồi hạn chế nên khí độc khó tự bay ngồi Tầng hầm nhà cao tầng thường chứa lưu lượng xe lớn thải lượng lớn khí độc ảnh hưởng tới sức khỏe người, chưa kể tới việc khơng khí khơng thống đãng khiến người bị thiếu oxy dẫn đến tình trạng ngất xỉu Do giải pháp thiết kế hệ thống thơng gió tầng hầm tối quan trọng 1.2 Yêu cầu hệ thống thơng gió Tầng hầm với mục đích để xe máy ln có sản sinh, tích tụ nhiệt, ẩm, khói bụi chất độc hại Để ngăn cản tích tụ nhiệt, ẩm chất độc hại cần phải thay liên tục lượng khơng khí bị nhiễm lượng khơng khí tươi mát lấy từ mơi trường bên ngồi Q trình gọi thơng gió Trước hết cần thấy rằng, người nhân tố quan trọng, việc bảo vệ sức khỏe cho cư dân nhân viên tầng hầm cần thiết Mơi trường khơng khí sạch, có chế độ nhiệt ẩm thích hợp… giúp cho đời sống sức khỏe người dân ln đảm bảo an tồn Vì vậy, hệ thống thơng gió cho tầng hầm để xe phải đảm bảo số yêu cầu sau:  Cung cấp đầy đủ lượng khí tươi từ mơi trường bên ngồi vào nhằm mục dích giải nhiệt thừa, trung hòa chất khí độc hại khử khói bụi  Lượng khí hầm phải xử ý trước đưa  Hệ thống phải đảm bảo độ bền lâu dài giá thành vừa phải PHẦN II: CÁC PHƯƠNG ÁN THƠNG GIĨ Hiện có hai phương án thơng gió cho tầng hầm: 2.1 Thơng gió đường ống gió Hệ thống cấp gió tươi hút gió thải thơng qua đường ống gió quạt Thông thường thiết kế cho tầng hầm có cao độ lớn, có khơng gian đường ống Phương án phân bố lưu lượng khí tươi điều tồn tầng hầm thơng qua hệ thống miệng gió lại chiếm nhiều diện tích chi phi đường ống 2.2 Thơng gió khơng đường ống gió Thơng gió JetFan, có nhiều cơng trình thi cơng Những tầng hầm lớn có lưu lượng khơng khí lớn hạn chế khơng gian đường ống phương án JetFan phương án tuyệt vời Hiện có nhiều cơng trình sử dụng phương án này, ưu điểm phương án khắc phục đáp ứng nhu cầu phương pháp đường ống gió Với quạt JetFan hai tốc độ, phương án thực phương án tuyệt vời việc thơng gió có hỏa hoạn xảy ra, việc thử nghiệm  Nguyên lý hoạt động: Quạt JetFan hoạt động ngun tắc thơng gió theo phương dọc phương ngang Quạt tạo phản lực với áp lực khơng khí cao, áp lực làm di chuyển lượng khơng khí lớn cách lấy khơng khí xung quanh quạt Lượng khơng khí bị theo quạt khơng khí quạt hút thải đằng trước, tạo thành luồng khí mạnh kéo theo miền khơng khí xung quanh Những đặc điểm liên quan trực tiếp đến lực đẩy quạt, đo Newton (N) Lực đẩy hình thành thơng qua mối quan hệ lưu lượng thể tích, vận tốc khối lượng riêng khơng khí Nên lực đẩy mà quạt tạo tỉ lệ thuận với lưu lượng vận tốc quạt Hệ thống thơng gió JetFan cao bật ưu điểm tính gọn nhẹ, chiếm khơng gian trần, khả thơng gió tổng thể hiệu q trình thi cơng lắp đặt nhanh gọn Do đó, đề tài này, em thiết kế hệ thống điều khiển sử dụng quạt thơng gió JetFan PHẦN III: CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ ĐIỀU KHIỂN Hệ thống thơng gió tầng hầm sử dụng quạt thơng gió thiết bị lọc khơng khí Các thiết bị vừa có tác dụng hút khí nhiễm, đồng thời đẩy mạnh khả trao đổi khí bên tầng hầm với môi trường xung quanh Tùy thuộc vào độ lớn không gian khả trao đổi khí, lượng chất độc có tầng hầm mà tính tốn số lượng thiết bị cho phù hợp Tuy nhiên, để đảm bảo vấn đề tiết kiệm lượng, lúc số thiết bị chạy hết công suất, mà tùy theo điều kiện khác mà sử dụng lượng thiết bị khác Có phương án vạch để thực hiện, vừa đảm bảo việc thông gió, cung cấp khơng khí cho người, vừa đảm bảo vấn đề lượng, không gây lãng phí 3.1 Điều khiển the khung thời gian ngày Phương án đưa sử dụng hệ thống thiết bị tùy thuộc vào thời gian thực ngày Như ta dễ dàng nhận thấy lượng người khu vực hầm khơng đồng ngày, có thời điểm đơng, có lại Mặt khác, tầng hầm để xe tòa nhà cao tầng, lượng xe lại tầng hầm khác ngày Phương án sử dụng thời gian thực tế qua khảo sát thực tế, đánh giá để xác định điều khiển thiết bị hoạt động Ta chia thời gian làm khoảng sau : 0h-6h ; 10h-13h ; 18h-24h : lượng phương tiện người hoạt động khu vực tầng hầm ít, khơng cần phải hoạt động tồn thiết bị thơng gió hay nói cách khác hệ thống không cần phải hoạt động tối đa công suất 6h-10h ; 13h-18h : cao điểm, lượng phương tiện người hoạt động khu vực tầng hầm lớn, cần phải hoạt động tồn thiết bị thơng gió hay nói cách khác hệ thống cần phải hoạt động công suất tối đa 3.2 Điều khiển theo nhu cầu Phương án thứ em đưa điều chỉnh công suất hoạt động hệ thống dựa vào nhu cầu lượng khơng khí nhiễm cần lọc Ở phương án này, em sử dụng cảm biến để xác định nồng độ chất khí có khu vực tầng hầm Tùy theo tiêu chuẩn khơng khí an tồn người mà điều chỉnh công suất hệ thống cho phù hợp 3.3 Điều khiển kết hợp thời gian nhu cầu thơng gió Để đảm bảo an toàn cho người hệ thống làm việc hiệu nhất, em tiến hành xây dựng hệ thống kết hợp phương án PHẦN IV: GIỚI THIỆU THIẾT BỊ 4.1 Hệ thống quạt thơng gió JetFan 4.1.1 Giới thiệu chung Hình ảnh minh họa quạt thơng gió JetFan  Tính năng: + Thúc đẩy luồng khí ln chuyển nhanh cho khơng gian rộng, kiểu hướng trục khơng nối ống gió, truyền động trực tiếp cánh quạt loại có góc nghiêng cánh điều chỉnh + Phân phối gió - loại bỏ chất ô nhiễm phát từ xe điều kiện bình thường trường hợp có hỏa hoạn kiểm sốt nóng, khí sinh từ đám cháy nhằm bảo vệ lối thoát nạn hỗ trợ sâm nhập cho việc cứu nạn  Đặc điểm: + Dùng để đuổi gió, chống cháy lan, phòng cháy chữa cháy tầng hầm (gara đỗ xe ) cơng trình đường hầm giao thông + Chịu nhiệt độ dài hạn tới 150oC ngắn hạn lên tới 300oC + Đa dạng kích cỡ, thơng số kỹ thuật + Áp suất lớn, hiệu suất cao, tiết kiệm chi phí vận hành + Độ ồn thấp nhờ hệ thống giảm âm tiêu chuẩn + Thuận tiện lắp đặt bảo dưỡng + Độ bền cao 4.1.2 Ứng dụng hệ thống Hệ thống quạt JetFan bố trí khu vực tầng hầm Tùy thuộc vào diện tích chiều cao tầng hầm mà ta bố trí số lượng quạt với công suất cho phù hợp Ở đây, em bỏ qua việc chọn số lượng quạt công suất quạt khơng có số liệu trường hợp tầng hầm cụ thể, chúng em xây dựng chương trình điều khiển hệ thống quạt nói chung, số lượng quạt hay công suất quạt phụ thuộc vào trường hợp cụ thể 4.2 Cảm biến nồng độ khí độc Có nhiều loại khí độc ảnh hưởng xấu tới sức khỏe người, nhiên, phạm vi đề tài, em xét tới loại khí độc xuất nhiều tầng hầm 4.2.1 Cảm biến khí CO a- Tác hại khí CO: Carbon monoxit khí khơng mùi vị, có độc tính cao với sức khỏe người nguy hiểm, việc hít thở phải lượng lớn CO dẫn tới thương tổn giảm ôxy máu hay tổn thương hệ thần kinh gây tử vong Nồng độ khoảng 0,1% carbon monoxit không khí nguy hiểm đến tính mạng CO chất khí khơng màu, khơng mùi 10 Chúng ta việc gắn PLC với EM235 hình vẽ cấp nguồn cho EM235 Cấp nguồn sau: 5.1.3 Kết nối biến tần với PLC s7-200 động quạt JetFan 33 Kết nối hình vẽ: Ở đây, đầu nối động quạt JetFan ta nối nhiều động cơ, tùy thuộc vào trường hợp lưu ý tổng công suất động nối vào biến tần, tối đa 45kW Nếu vượt cơng suất trên, ta nối song song nhiều biến tần với Các đầu nối ngõ vào bắt đầu quay xuôi, tốc độ cao, tốc độ tốc độ thấp nối với đầu PLC s7-200, tương ứng sau: Đầu Q0.0 PLC nối với chân RL biến tần Đầu Q0.1 PLC nối với chân RM biến tần Đầu Q0.2 PLC nối với chân RH biến tần Đầu Q0.3 PLC nối với chân STF biến tần Sơ đồ kết nối: 34 Đầu PLC nối với Re-lay trung gian 24VDC Tiếp điểm Re-lay trung gian nối với chân ngoại vi biến tần 5.2 Cài đặt biến tần 5.2.1 Reset biến tần - Bấm "PU/EXT" để chọn vận hành PU - Bấm "MODE" để chọn chế độ cài đặt tham số - Vặn núm điều chỉnh "Pr.CL", "ALLC" xuất 35 - Bấm "SET" đểđọc giá trị thiết lập "0" (giá trị ban đầu) xuất - Vặn núm điều chỉnh theo chiều kim đồng hồ để thay đổi với giá trị cài đặt "1 " - Bấm "SET" để thiết lập 5.2.2 Cài đặt nhiều cấp tốc độ Ở đây, chúng em cài đặt biến tần điều khiển động chạy theo cấp tốc độ 30Hz, 40Hz 50Hz với chế độ hoạt động sau: Tần số Thời gian 50Hz 6-10h 13-18h 40Hz 30Hz 0-6h 10-13h 18-24h Điều kiện set tần số Nồng độ khí Khí CO từ 200pm NOx từ 15ppm trở lên Khí CO từ 50 đến 200ppm Khí CO từ 25 đến 50ppm *Các bước cài đặt: - Xoay Mode, chọn thông số P79 set - ứng với việc điều khiển biến tần thiết bị ngoại vi, đầu PLC - Set thông số P4 50 Hz tương ứng điều khiển chân RH - Set thông số P5 40 Hz tương ứng điều khiển chân RM - Set thông số P6 30 Hz tương ứng điều khiển chân RL - Set thông số P180 để sử dụng chân ngõ vào RL - Set thông số P181 để sử dụng chân ngõ vào RM - Set thông số P182 để sử dụng chân ngõ vào RH 5.3 Lập trình PLC 5.3.1 Thuật tốn 36 37 5.3.2 Chương trình PLC *Các kí hiệu địa chân: Symbol Start Stoph RLN Giây Phút Giờ Ngày Tháng Năm Thứ RL RM RH Chạy thuận Cảm biến CO Cảm biến NOx Address I0.0 I0.1 I0.2 MW10 MW8 MW6 MW4 MW2 MW0 MW12 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 VD112 VD128 Comment Nút ấn khởi động hệ thống (NO) Nút ấn dừng hệ thống (NO) Rơ le nhiệt Đầu vào tốc độ thấp biến tần Đầu vào tốc độ trung bình biến tần Đầu vào tốc độ cao biến tần Cho phép chạy động * Chương trình: Network 1: Khởi động hệ thống Network 2: Dừng hệ thống Network 3: Đọc thời gian thực 38 Cách đọc sau: - Khai báo đồng hồ thời gian thực: Năm Tháng Ngày VB0 VB1 VB2 MW0 MW2 MW4 - Chuyển đổi từ B-I ( VB7-AC0) Giờ VB3 MW6 Phút VB4 MW8 Giây VB5 MW10 Thứ VB7 MW12 - Chuyển đổi từ BCD-I ( AC0-MW0) Network 4: Biến trung gian ứng với cảm biến CO có nồng độ từ 25-50 ppm 39 Network 5: Biến trung gian ứng với giá trị cảm biến CO có nồng độ 50-200 ppm Network 6: Biến trung gian ứng với giá trị cảm biến CO có nồng độ lớn 200ppm Network 7: Biến trung gian ứng với giá trị cảm biến NOx có nồng độ lớn 15ppm Network 8: Chạy cấp tốc độ lớn ứng với 50Hz 40 Network 9: Chạy cấp tốc độ lớn ứng với 40Hz Network 10: Chạy cấp tốc độ lớn ứng với 30Hz Network 11: Chạy tần số 50Hz Network 12: Chạy tần số 40Hz Network 13: Chạy tần số 30Hz 41 Network 14: Đọc liệu từ cảm biến CO Do vùng nhớ AIW vùng nhớ 16 bit, giá trị tính tốn sau chuyển đổi analog nhiệt độ giá trị 32 bit có dấu phẩy động, trước hết ta chuyển: + Từ kiểu int 16 bit vùng nhớ AIW sang kiểu word 32 bit + Chuyển tiếp từ kiểu word 32 bit sang kiểu word 32 bit dấu phẩy động + Sử dụng hàm tính tốn để tính tốn giá trị chuyển đổi 42 Network 15: Đọc liệu từ cảm biến NOx 43 Network 16: Chạy động chiều thuận: *Nguyên lý chương trình: - Cơng thức chuyển đổi giá trị đầu vào analog cảm biến thành giá trị cảm biến đo được: A _ In  A _ Max  A _ Min ( D _ Out  D _ Min)  A _ Min D _ Max  D _ Min Với: + A_In : Giá trị analog đầu vào cần xác định + A_Min : Giá trị giới hạn giá trị đầu vào tương tự + A_Max : Giá trị giới hạn giá trị đầu vào tương tự 44 + D_out : Giá trị chuyển đổi số A_In + D_Min : Giá trị chuyển đổi số A_Min + D_Max : Giá trị chuyển đổi số A_Max Áp dụng cơng thức tính tốn chuyển đổi giá trị đo cảm biến: - Cảm biến nồng độ khí CO MQ-7 : Có : + A_Min : 10 (ppm) + A_Max : 1000 (ppm) + D_Min : + D_Max : 32000 Thay số vào ta được: 1000  10 A _ In  ( D _ Out  0)  10 32000   0,03093.D _ Out  10 Tương tự với Cảm biến nồng độ khí Nox MQ-135 tương tự cơng thức Ta có: + A_Min : 10 (ppm) + A_Max : 1000 (ppm) + D_Min : + D_Max : 32000 Thay số vào ta được: 1000  10 A _ In  ( D _ Out  0)  10 32000   0,03093.D _ Out  10 Ta có chương trình chuyển đổi analog: 45 - Ở trạng thái ban đầu, tức hệ thống chưa làm việc, ta nhấn nút start, cho phép động chạy theo chiều thuận Đồng thời, thực chương trình tính thời gian thực đo cảm biến Thực lệnh so sánh thời gian thực nồng độ khí đo để đưa lệnh điều khiển tốc độ động quạt gió Ở chế độ bình thường, động điều khiển theo khung giờ: + Từ 6-10h từ 13-18h động hoạt động tần số định mức 50Hz + Từ 0-6h động hoạt động tần số 40Hz + Từ 10-13h 18-24h động hoạt động tần số 30Hz Tuy nhiên, thời điểm nào, nồng độ khí vượt giới hạn, động điều chỉnh để hoạt động tần số phù hợp: 46 Với cảm biến MQ-7 MQ-135: + Khí CO từ 200pm NOx từ 15ppm trở lên động hoạt động tần số định mức 50Hz + Khí CO từ 50-200 pm động hoạt động tần số 40Hz + Khí CO từ 25-50 pm động hoạt động tần số định mức 30Hz 47 ... phương án JetFan phương án tuyệt vời Hiện có nhiều cơng trình sử dụng phương án này, ưu điểm phương án khắc phục đáp ứng nhu cầu phương pháp đường ống gió Với quạt JetFan hai tốc độ, phương án thực... Lập trình PLC 37 5.3.1 Thuật toán 37 5.3.2 Chương trình PLC .39 PHẦN I: TỔNG QUAN CHUNG VỀ DỰ ÁN 1.1 Tổng quan Thiết kế hệ thống thơng gió cho...Muc luc PHẦN I: TỔNG QUAN CHUNG VỀ DỰ ÁN 1.1 Tổng quan 1.2 Yêu cầu hệ thống thơng gió PHẦN II: CÁC PHƯƠNG ÁN THƠNG GIĨ .5 2.1 Thông