thiết kế giám sát cho trạm có nhiều bơm cấp lỏng cho bồn kin Chương 1. Tổng quan hệ thống bơm chất lỏng bình kín 3 1.1. Khái quát về hệ thống bơm chất lỏng bình kín 3 1.2. Giới thiệu chung về hệ thống máy bơm 3 1.3. Giới thiệu hệ thống bơm chất lỏng bình kín 16 Chương 2. Thiết kế điều khiển, hệ truyền động điện cho tram có nhiều bơm 18 2.1. Xây dựng mạch động lực cho trạm có nhiều bơm 18 2.2. Xây dựng mạch điều khiển tự động cho trạm có nhiều bơm 18 Chương 3. Viết chương trình điều khiển cho hệ thống bơm chất lỏng bình kín 22 3.1. Cấu hình các đầu vào, ra mạch điều khiển hệ thống bơm chất lỏng bình kín 22 3.2. Viết chương trình điều khiển cho trạm có nhiều bơm trên PLC S7300 27 3.2. Mô phỏng chương trình điều khiển trên S7PLCSIM 37 3.4. Nhận xét kết quả mô phỏng đạt được 42
Chương 1: NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN GIÁM SÁT 1.1 Đề xuất trạm nhiều bơm bình kín xây dựng sơ đồ P&ID 1.1.1 Đề xuất trạm nhiều bơm bình kín Nước khơng thể thiếu với sống người Việc quy hoạch cấp nước đòi hỏi tính kỹ thuật cao, đảm bảo người có đủ nước sinh hoạt thời điểm Do đó, yêu cầu phải xây dựng trạm bơm đáp ứng nhu cầu cấp thiết người Trong đề tài trình bày hệ thống trạm nhiều bơm bồn kín cấp nước sinh hoạt cho khu dân cư Bơm chất lỏng lên bình kín sử dụng phổ biến dân dụng hệ thống công nghiệp Trong hệ thống chất lỏng chuyển từ bên ngồi sau đưa vào bình kín nhờ bơm, mục đích tạo cho dòng nước có lượng đủ lớn đưa vào bình Bình kín loại bình đặc biệt, chế tạo cho chịu áp suất lớn chất lỏng gây bình Khác với bình hở, chất lỏng bình kín có lượng lớn áp suất tạo ra, cho lên chất lỏng chảy tới nơi khác khoảng cách định mà không cần có hệ thống máy bơm Điều chứng minh dễ dàng, ta biết áp suất vật kín (bình kín) tăng lên, áp suất có xu hướng tác dụng lên bề mặt bên bình kín Vì ta mở van xả chất lỏng bị áp suất bình kín tác dụng đẩy Điều quan trọng ta phải nắm áp suất bình, áp suất nhỏ ta cần bơm khí để tăng áp suất bình lên Tuỳ theo tốc độ bơm, nối động bơm trực tiếp (đồng trục) gián tiếp qua hộp tốc, đai truyền ly hợp thay đổi tốc độ, hệ thống biên maniven, trục khuỷu… Do vậy, chọn công suất động cơ, cần lưu ý tới hiệu suất khâu truyền lực trung gian bơm khơng đòi hỏi thay đổi tốc độ nên phổ biến kéo bơm dùng động không đồng xoay chiều pha rotor lồng sóc, mở máy trực tiếp (nếu cơng suất nhỏ) hay gián tiếp qua điện trở, cuộn kháng mạch stator (nếu cơng suất trung bình) Với bơm có cơng suất trung bình lớn, thường dùng động không đồng xoay chiều pha rotor dây quấn, mở máy điện trở hạn chế mạch rotor để giảm dòng mở máy kết hợp thêm với phần tử hạn chế mạch stator Trong trạm nhiều bơm vấn đề giám sát cần giải giám sát tình trạng hoạt động động cơ, hệ thống, mức chất lỏng áp suất bình kín, đưa tín hiệu cảnh báo hệ thống bị lỗi 1.1.2 Xây dựng lưu đồ P&ID a Lưu đồ P&ID Hình 1.2: Lưu đồ cơng nghệ hệ thống bơm chất lỏng bình kín Chú thích: 1: Hệ thống bơm mồi 2: Bình kín 3: Phụ tải LIC (Level Indicate Control): Bộ điều khiển hiển thị mức chất lỏng dùng để điều khiển toàn hệ thống LT (Level Transmite): Đo mức chất lỏng truyền giá trị LIC LTV (Level Transmite Valve): Đo mức chất lỏng truyền LIC có sử dụng van giảm trấn PT1, PT2 (Pressure Transmite): Đo áp suất truyền xử lý trung tâm LIC LAL, LAH ( Level Alarm Low – Hight): chức cảnh báo ngưỡng cao thấp mức nước SP (Set Point): Giá trị đặt vào điều khiển LIC *Các điểm đo -LT: Đo mức chất lỏng bình chứa song hồ mà hệ thống bơm chất lỏng, sau gửi tín hiệu điều khiển xử lý, mức chất lỏng thấp dừng bơm -PT1: Chỉ sử dụng giai đoạn khởi động bơm, mục đích đo áp suất bơm Đưa điều khiển q thời gian cắt (khơng chạy bơm) -PT2: Đo áp suất công tác bơm, khởi động bơm khác điểm đo không đạt yêu cầu b Nguyên lý hoạt động: Trong trường hợp điểm đo đạt yêu cầu trạm bơm hoạt động bình thường Nước bình chứa song hồ truyền qua van bơm để vào bồn kín, lúc ta nạp áp suất khơng khí ban đầu, khóa van khí lại, bắt đầu cấp lỏng vào bình, khí chịu nén nên áp lực mạnh, lúc mở van cấp chất lỏng cho phụ tải Trong trường hợp điểm đo không đạt yêu cầu: + Nếu đo mức LT không đạt yêu cầu bơm dừng + Nếu áp suất bơm PT1 khơng đạt u cầu bơm khơng hoạt động thời gian khởi động lâu lượng nước dùng cho khởi động không đủ + Nếu áp suất đo đầu PT2 không đạt yêu cầu khơng cho bơm hoạt động, chuyển qua bơm khác Nếu trường hợp có cố điểm đo khơng hoạt động ta phải kiểm tra lại điểm đo đó, bị hỏng hóc khơng khắc phục phải thay điểm đo điểm đo khác để hệ thống hoạt động bình thường Với yêu cầu đề điều khiển tự động cho trạm có nhiều bơm nên ta lựa chọn trạm gồm bơm P1,P2,P3,P4 Bơm sử dụng bơm ly tâm lai động khơng đồng rotor lồng sóc, động lai có Rơle nhiệt bảo vệ tải mức chất lỏng bình kín giám sát cảm biến mức để phục vụ việc giám sát Áp suất bơm bình kín giám sát áp suất nhỏ yêu cầu ta tăng áp suất nhờ hệ thống khí nén Áp suất trước sau bơm kiểm tra, vị trí có van tay nhằm mục đích kiểm tra sửa chữa 1.2 Các thông số yêu cầu hệ thống giám sát Việc giám sát hệ thống thông qua thiết bị cảm biến, thiết bị đo lường chuyển đổi tín hiệu Về bản, thiết bị đo lường sử dụng hệ thống thực nhiệm vụ điều khiển giám sát Đối với việc giám sát, tín hiệu đo phục vụ hiển thị, báo thông số q trình, khơng ảnh hưởng tới chế độ làm việc hệ thống Khoảng 85-90% dung tích bồn sử dụng điều kiện bình thường, phần thể tích khơng sử dụng khoảng chết ( dead space) đỉnh khoảng chết (dead stock) đáy Khoảng chết chết chịu ảnh hưởng nhiều chiều cao đường kính, với thể tích bồn cao chứa nhiều bồn thấp Bể cấp nước cho hệ thống : bể tích nước từ hệ thống cấp nước thành phố, chìm đất, bể có dung tích 500 m3 Trạm bơm : Trạm bơm gồm bàn trực, bàn điều khiển giám sát, phòng đặt bơm Hình 1.2 : Bản vẽ bố trí tởng thể trạm bơm 1- Cửa vào; 2- Bàn điểu khiển giám sát thông qua máy tính; 3- Bàn trực; 4,5,6,7 – Bơm số 1,2, 3, -Bơm : dùng bơm ly tâm động không đồng rotor lồng sóc Có thơng số sau: + Cột áp H 32m + Lưu lượng bơm 40 m3 /h + Công suất : 12kw , điện áp xoay chiều ba pha 380v, tần số 50Hz + Tốc độ 1450 vòng / phút Các bơm có vai trò nhau, cơng suất, bơm hoạt động độc lập lúc tuỳ theo yêu cầu bơm Bồn kín : bồn để chứa nước bơm tới, đặt ngầm nhà xưởng Bình làm thép chịu lực Bồn đặt bệ bê tơng Bồn có dung tích 30 khối Theo thiết kế, bể nước cao 10m, bể chứa, đo mức chất lỏng bể để cảnh báo mức chất lỏng xuống tới giá tri thấp cao - Mức cảnh báo thấp, động làm việc với mức nước nhỏ 1m Mức cảnh báo cao, động làm việc với mức nước lớn 9m Do bồn kín, lượng khí nạp vào từ thời điểm ban đầu cần giám sát áp suất bồn - 1.3 Cảnh báo áp suất cao từ mức 14 bar Cảnh báo áp suất thấp bar Các loại cảm biến sử dụng giám sát Sử dụng loại cảm biến loại tương tự cho phép khả mềm dẻo việc định làm việc bơm Ngoài ra, hệ thống cần phải điều khiển làm việc bơm cách luân phiên, tránh trường hợp có bơm hoạt động liên tục, có bơm khơng hoạt động 1.3.1 Cảm biến mức Mức chiều cao điền đầy chất lỏng hay hạt có tiết diện khơng thay đổi thiết bị công nghệ tham số cần xác định để kiểm tra chế độ làm việc thiết bị, điều khiển trình sán xuất Mặt khác nhờ cảm biến mức ta đánh giá khối lượng chất lỏng chứa bồn xăng, dầu,…Đơn vị đo mức đơn vị đo chiều dài Đo mức thực đo liên tục xác định theo ngưỡng Đo liên tục q trình tín hiệu đo cho biết thể tích chất lưu lại bồn chứa Khi đo theo ngưỡng, cảm biến đưa tín hiệu dạng nhị phân để phát tình trạng mức có đạt hay khơng để điều khiển q trình làm việc bồn chứa Dựa sở lý thuyết, lựa chọn thiết bị sau để tiến hành xây dựng, nghiên cứu đồ án: - Cảm biến phao từ báo mức, loại phòng nổ Rongde RDHL Series Floater - Level Sensor Tín hiệu đầu ra: RS485, tín hiệu dòng 4~20mA, tiếp điểm đầu - điện trở đầu Dải báo mức cao: Dải rộng từ 0.3~18m, nhiệt độ làm việc -40~+C Độ ổn định cao: Chống nhiễu điện từ, chống xốc, chống tính điện… Cấu tạo đơn giản, kín khí, bị ảnh hưởng nhiệt độ, bị ảnh hưởng áp lực, chống ăn mòn điện hóa, độ nhạy cao Chất lượng ổn định, tuổi - thọ cao, cách nhiệt tốt Thiết kế chịu rung lắc, vật liệu thép khơng rỉ Hình 1.3 Cảm biến mức kiểu phao 1.3.2 Cảm biến áp suất a) Cảm biến đo áp suất đường ống Sử dụng để đo áp suất đường ống đẩy, sau thời gian khởi động bơm mà áp suất khơng tăng cần dừng bơm - Chọn loại SITRANS P DS III Siemens +Tín hiệu : đến 20 mA + Nhiệt độ : -40 đến 185o F + Độ xác ≤ ±0.075% + Sự ổn định theo thời gian 0.25% / 60 tháng + Dải đo : 0-10 mbar đến 0-400 bar (0-5800 psi) + Chuẩn giao tiếp :HART Cable (1.5-3km) Hình 1.4 : SITRANS P DS III của Siemens b) Cảm biến áp suất bồn kín Hình 1.5 Cảm biến áp suất Cảm biến áp suất 16bar Sensys M5256-C3079E-016BG - Phạm vi đo: ~ 16bar - Ngõ ra: 4~20mA (được bảo vệ nối ngược cực ngắn mạch) - Nguồn cấp: 9-30VDC - Điện trở cách điện: 100 MΩ - Kiểu nối cáp: Mini DIN43650 - Nhiệt độ hoạt động: -40~125℃ - Áp suất đột ngột: lần áp suất định mức - Thân vỏ thép không gỉ - Chịu rung 20G, 20~200Hz - Trọng lượng: 85g - Mơi chất: nước, dầu, khí Hình 1.6 Kết nối cảm biến với bồn đo Chương 2: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN GIÁM SÁT CHO TRẠM CÓ NHIỀU BƠM 2.1 Xây dựng cấu trúc hệ thống giám sát Các cảm biến biến đại lượng vật lý thành tín hiệu điện analog, tín hiệu điện đưa điều khiển, điều khiển tính tốn đưa chiều cao mức nước áp suất thực tế Để đọc tín hiệu Analog cảm biến trả ta có hai phương pháp khác dùng vi điều khiển dùng PLC Bản chất vi điều khiển PLC xử lí trung tâm làm nhiệm vụ phân tích sử lí liệu thu Trong điều kiện cơng nghiệp PLC tỏ có ưu nhờ vào độ bền cao, chịu điều kiện khắc nhiệt, độ ổn định cao dễ lập trình điều khiển Vì đồ án môn học em nghiên cứu ứng dụng PLC để đo, điều khiển cảnh báo mức nước bể sử dụng cảm biến alalog module mở rộng ADC PLC Thông thường đầu vào module analog tín hiệu điện áp dòng điện Trong tín hiệu tương tự cần xử lý lại thường tín hiệu không điện nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, lưu lượng, khối lượng Vì người ta cần phải có thiết bị trung gian để chuyển tín hiệu tín hiệu điện áp tín hiệu dòng điện – thiết bị gọi đầu đo hay cảm biến Để tiện dụng đơn giản tín hiệu vào module Analog Input tín hiệu module Analog Output tn theo chuẩn tín hiệu cơng nghiệp.Có loại chuẩn phổ biến chuẩn điện áp chuẩn dòng điện -Điện áp : – 10V, 0-5V,±5V… -Dòng điện : – 20 mA, 0-20mA,±10mA Trong tín hiệu từ cảm biến đưa lại không theo chuẩn Vì người ta cần phải dùng thêm thiết chuyển đổi để đưa chúng chuẩn công nghiệp Kết hợp đầu cảm biến thiết bị chuyển đổi thành cảm biến hoàn chỉnh , thường gọi tắt thiết bị cảm biến, hay thiết đo chuyển đổi đo (bộ transducer) Các tín hiệu đầu cảm biến đưa vào module alalog để đọc trả giá trị alalog tương ứng tùy theo độ phân giải module Q6.3 Báo role nhiet bơm Q6.4 Đèn cảnh báo mức bể nguồn, hút bình thường Q6.5 Đèn cảnh báo mức bể nguồn xuống thấp Q6.6 Đèn cảnh báo mức bể nguồn xuống thấp, dừng toàn trạm Q6.7 Đèn báo bơm mồi hoạt động Q24.0 Đèn báo mức bình kín cao Q24.1 Đèn báo mức bình kín làm việc bình thường 3.1.3 Chương trình giám sát PLC S7-300 3.2 Mô kiểm chứng Chương trình sẵn sang hoạt động Hình 3.1 Giao diện mơ PLC Có thể khởi động hệ thống giao diện PLCSIM WINCC Hình 3.2 Giao diện mô WINCC Khi ấn start trên, hệ thống hoạt động, cảm biến mức cảm biến áp suất làm việc, sau thời gian 5s mà cửa hút chưa có tín hiệu báo động bơm khơng hút, sau 10s mà bơm khơng hút khởi động hệ thống bơm dự phòng Khi bơm chạy, giao diện hiển thị nhấp nháy bơm Hình 3.3 Giao diện hệ thống hoạt động Tín hiệu tương tự cảm biến có đầu từ 4-20mA đưa vào modul SM331, modul chuyển giá trị tương tự sang số lưu vào ghi 12 bit SM331, độ phân giải từ 0-32000, lưu vào địa PIW288 Khi hệ thống hoạt động, mức bình kín giao diện thay đổi theo giá trị thực tế Hình 3.4 Giao diện mơ PLCSIM hệ thống hoạt động Nếu áp suất đầu đẩy bơm mức thấp cao dừng bơm khởi động bơm dự phòng, tín hiệu đèn bật báo bơm dự phòng làm việc Hình 3.5 Khi có tín hiệu từ cảm biến áp suất đầu đẩy bơm Để xem cảnh báo áp suất đầu đẩy bơm, ấn vào nút “AP SUAT DAU DAY BOM” Hình 3.6 Giao diện cảnh báo áp suất đầu đẩy bơm