Thiết kế giám sát cho trạm có nhiều bơm cấp lỏng cho bồn hở

Mục luc MỞ ĐẦU iv 1. Tính cấp thiết của đề tài iv 2. Mục đích nghiên cứu của đề tài iv 3. Đối tương và phạm vi nghiên cứu iv 4. Phương pháp nghiên cứu v 5. Ý nghĩa khoa học của đề tài v CHƯƠNG 1: ĐỀ XUẤT THIẾT KẾ GIÁM SÁT TRẠM CÓ NHIỀU BƠM CẤP LỎNG CHO BỒN HỞ 1 1.1. Các yêu cầu đối với hệ thống giám sát trạm có nhiều bơm cấp lỏng cho bồn hở. 1 1.2. Sơ đồ PID biểu diễn các thiết bị giám sát. 2 1.2.1. Cấu trúc PID của một nhánh bơm. 2 1.2.2. Sơ đồ PID toàn hệ thống bơm 3 1.2.3. Giải thích ký hiệu các phần tử trong hệ thống bơm. 5 CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ VÀ CẤU TRÚC HỆ THỐNG GIÁM SÁT TRẠM NHIỀU BƠM CẤP LỎNG 6 2.1. Lựa chọn sensor và các mạch đo phục vụ giám sát 6 2.1.1. Chọn cảm biến mức 6 2.1.2. Cảm biến áp suất 7 2.2. Xây dựng mạch giám sát trung gian. 8 2.2.1. Xây dựng cấu trúc tổng thể của hệ thống giám sát 8 2.2.2 Mạch giám sát cấp nguồn cho hệ thống 11 2.2.3 Mạch rơle trung gian 11 2.2.4 Thiết kế tủ giám sát 15 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN CHO HỆ THỐNG GIÁM SÁT 16 3.1. Xây dựng các thuật toán giám sát 16 3.1.1 Thuật toán giám sát 16 3.1.3 Thống kê các tín hiệu vào, ra của PLC S7300 17 3.2. Thiết kế chương trình giám sát 19 3.2.1 Thiết lập cấu hình phần cứng của trạm PLC 19 3.2.2 Chương trình giám sát trên PLC S7300 20 3.3. Mô phỏng kiểm chứng 30 Kết luận 31 Tài liệu tham khảo 32

M c luc ụ

1

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

2.8 Mạch nghép nối giữa các rơle trung gian và contactor động lực

DANH MỤC CÁC BẢNG

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài

Với những tiến bộ không ngừng của nền khoa học kỹ thuật ngày nay, những

hệ thống hiện đại hóa, công nghiệp hóa có vai trò rất quan trọng trong mọi lĩnh

2

vực: sản xuất, dịch vụ, tiêu dùng Vậy nên các trạm bơm tăng áp, duy trì lưu lượng, áp suất, của chất lỏng (ví dụ như xăng, dầu, nước sạch ) cũng cần được ứng dụng tự động hóa để tăng năng suất, giảm sức lao động của con người cũng như đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật.

Từ những vấn đề trên, em đã được thầy Hoàng Xuân Bình giao đồ án môn

học Trang bị điện và máy công nghiệp dùng chung có tên: “Thiết kế giám sát cho trạm có nhiều bơm cấp lỏng cho bồn hở” để nghiên cứu quá trình hoạt

động của hệ thống bơm, cũng như đề xuất giải pháp thiết kế giám sát quá trình hoạt động của hệ thống , cải thiện khả năng làm việc của hệ thống

2. Mục đích nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu nguyên lý hoạt động , điều khiển của hệ thống bơm để đưa ra giải pháp giám sát áp suất, lưu lượng, nhiệt độ, công suất làm việc, độ an toàn của hệ thống trạm bơm cấp lỏng

3. Đối tương và phạm vi nghiên cứu

a. Đối tượng nghiên cứu

-Nghiên cứu nguyên lý hoạt động để đưa ra yêu cầu với hệ thống giám sát trạm bơm và hệ thống bơm

-Nghiên cứu thiết kế hệ thống giám sát trạm bơm và toàn bộ hệ thống bơm

b Phạm vi nghiên cứu

- Đồ án môn học này giới hạn nghiên cứu trong phạm vi 1 hệ thống bơm (gồm nhiều máy bơm) có thể được sử dụng trong việc cung cấp nước, xăng , dầu, cho 1 địa điểm hoặc vận chuyển từ nơi cung cấp đến nơi sử dụng

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu hoạt động hệ thống bơm, nghiên cứu lưu đồ P&ID của hệ thống bơm

Đề xuất các phương án giám sát và lựa chọn phương án giám sát

3

Tìm hiểu và lựa chọn các thiết bị giám sát cho trạm bơm

Thiết kế hệ thống giám sát cho các trạm bơm, hệ thống bơm

5 Ý nghĩa khoa học của đề tài

a. Ý nghĩa khoa học của đề tài

Nắm rõ nguyên lý làm việc của hệ thống để xây dựng hệ thống giám sát quá trình vận hành hệ thống bơm , giảm thiểu sức lao động con người, giảm thiểu rủi

ro, tăng tính ổn định , bền vững cho hệ thống

b. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Xây dựng hệ thống giám sát hoạt động của hệ thống bơm vận chuyển chất lỏng trên tuyến ống dài có khả năng áp dụng vào thực tiễn

4

CHƯƠNG 1: ĐỀ XUẤT THIẾT KẾ GIÁM SÁT TRẠM CÓ NHIỀU BƠM

CẤP LỎNG CHO BỒN HỞ

1.1. Các yêu cầu đối với hệ thống giám sát trạm có nhiều bơm cấp lỏng

cho bồn hở.

- Giám sát nguồn điện cho trạm bơm, thông báo trạng thái của nguồn điện:

o Nguồn điện ba pha: có đủ 3 pha không, điện áp các pha, thứ tự các pha

o Nguồn điện 1 pha (phòng điều khiển): điện áp nguồn một pha

- Giám sát tình trạng hoạt động của các trang thiết bị truyền động điện hệ thống bơm chất lỏng trên tuyến ống dài

o Tần số, số vòng quay của động cơ thông qua biến tần

o Hiển thị công suất hoạt động của từng động cơ bơm trong hệ thống

- Giám sát lượng chất lỏng trong bể chứa chất lỏng đầu vào của hệ thống bơm

o Khi lượng chất lỏng trong bể chứa thấp cần thông báo để tiếp chất lỏngvào bể hoặc dừng hệ thống bơm

- Giám sát lưu lượng, áp suất đầu ra của từng trạm bơm

o Khi bắt đầu vận hành, bươm bắt đầu chạy mà áp suất trong ống khôngtăng thì cần kiểm tra hoạt động của hệ thống

o Khi hoạt động ổn định cần kiểm tra áp suất lưu lượng để tăng giảm công suất của bơm để đạt yêu cầu

- Giám sát lưu lượng, áp suất đầu ra cuối cùng của nơi tiếp nhận nhiên liệu

o Kiểm tra áp suất lưu lượng cuối xem có đạt yêu cầu cung cấp nhiên liệu

1.2. Sơ đồ P&ID biểu diễn các thiết bị giám sát.

Sơ đồ cấu trúc P&ID miêu tả chi tiết quá trình công nghệ kèm theo các chức năng tiêu biểu của một hệ thống điều khiển quá trình cùng các đường liên

hệ thành phần

Sơ đồ cấu trúc P&ID có ý nghĩa trong việc đặc tả chức năng và thiết bị của hệ thống điều khiển quá trình, cơ sở cho việc phân tích và thiết kế hệ thống Các biểu tượng trong sơ đồ cấu trúc P&ID được sử dụng thống nhất trên toàn thế giới theo tiêu chuẩn DIN 19227-3 của Đức hoặc ANSI/ISA và S5.33 của Mỹ.

1.2.1. Cấu trúc P&ID của một nhánh bơm.

Hình1.1 : Sơ đồ P&ID một nhánh bơm Trong đó:

- D1, D2, D3 là các điểm đặt cảm biến

- M Bơm ly tâm động cơ rôto lồng sóc

Đầu hút của bơm được đặt sát đáy của bể chứa chất lỏng

Kết nối đầu hút, đẩy của bơm tới đường ống bằng khớp nối mềm, đảm bảo hạn chế rung ồn trong quá trình bơm hoạt động

- Van cầu tại hai đầu bơm cho phép cách ly hoàn toàn bơm ra khỏi hệ thống khi cần thiết

- Tại mỗi đầu đẩy của bơm ly tâm, lắp đặt van một chiều có tác dụng:

+ Giảm tải khởi động cho bơm

+Ngăn chất lỏng chảy ngược về đầu đẩy của bơm gây tổn thất trong hệ thống

- Đồng hồ áp suất chân không chỉ thị độ chân không trong đường ống mà không cần thu thập thông tin về hệ thống giám sát Nếu sau một thời gian trễ, bơm không có khả năng khử áp suất âm trong đường ống hút thì cần điều khiển hệ thống bơm mồi làm việc hoặc dừng bơm

- Thiết bị đo áp suất ở đầu ra giúp người vận hành giám sát thông số hệ thống bơm trên máy tính trung tâm

- Tại mỗi vị trí lắp đặt thiết bị đo áp suất ta lắp đặt một van cửa đề thuận tiện tháo lắp, kiểm tra thiết bị đo trong hệ thống ngay cả khi hệ thống vẫn đang hoạt động

1.2.2. Sơ đồ P&ID toàn hệ thống bơm

Hình1.2 : Sơ đồ P&ID toàn hệ thống

• Các thông số yêu cầu giám sát

- Tại điểm đo D1 sử dụng cảm biến đo mức với yêu cầu giám sát mức nước tại vị trí cấp nước của hệ thống Giám sát ba mức nước tương đương với

ba mức cảnh báo của hệ thống:

+ : Mức nước bình thường, hệ thống làm việc bình thường

+ : Mức nước thấp, cảnh báo bằng tín hiệu đèn vàng ngắt quãng, yêu cầu giảm công suất hệ thống.

+ : Mức nước cạn, cảnh báo bằng tín hiệu đèn đỏ ngắt quãng và còi, yêu cầu dừng hệ thống khẩn cấp

- Tại điểm đo D2.1, D2.2, D2.3 sử dụng cảm biến đo áp suất với yêu cầu giám sát áp suất trong lòng ống tại vị trí trước bơm Chỉ sử dụng trong giai đoạn khởi động bơm Nếu sau khi khởi động hệ bơm chính một khoảng thời gian T

mà áp suất tại vị trí đo không tăng lên Phải cảnh báo, yêu cầu khởi động bơm mồi Sau khi bơm mồi hoạt động, áp suất tăng lên đến giá trị xác định, cảnh báo dừng bơm mồi

- Tại điểm đo D3 sử dụng cảm biến đo áp suất, đo áp suất trong đường ống ở vị trí sau bơm Đo áp suất công tác của bơm, khởi động bơm khác nếu điểm đo ở đây không đạt yêu cầu

- Tại điểm đo D4 sử dụng cảm biến đo mức, giám sát mức chất lỏng trong bình với với 3 mức:

+ : Mức nước bình thường

+ : Mức nước thấp, cảnh báo yêu cầu mở bơm dự phòng

+ : Mức nước cạn, cảnh báo yêu cầu mở tất cả các bơm đảm bảo cấp nướccho tải

1.2.3. Giải thích ký hiệu các phần tử trong hệ thống bơm.

Bảng 1.1 Ý nghĩa ký hiệu các phần tử trong hệ thống bơm

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ VÀ CẤU TRÚC HỆ THỐNG

GIÁM SÁT TRẠM NHIỀU BƠM CẤP LỎNG 2.1 Lựa chọn sensor và các mạch đo phục vụ giám sát

Sử dụng loại cảm biến loại tương tự cho phép khả năng mềm dẻo trongviệc quyết định sự làm việc của các bơm Ngoài ra, hệ thống cần phải điều khiển

sự làm việc giữa các bơm một cách luân phiên, tránh trường hợp có bơm hoạtđộng liên tục, có bơm không hoạt động

2.1.1 Chọn cảm biến mức

Mức là chiều cao điền đầy các chất lỏng hay hạt có tiết diện không thayđổi trong các thiết bị công nghệ và là tham số cần xác định để kiểm tra chế độlàm việc của thiết bị, điều khiển các quá trình sán xuất Mặt khác nhờ cảm biếnmức ta có thể đánh giá được khối lượng của các chất lỏng chứa trong bồn xăng,dầu,…Đơn vị đo mức là đơn vị đo chiều dài

Đo mức có thể thực hiện đo liên tục hoặc xác định theo ngưỡng Đo liêntục là quá trình trong đó tín hiệu đo cho biết thể tích chất lưu còn lại trong bồnchứa

Khi đo theo ngưỡng, cảm biến đưa ra tín hiệu dưới dạng nhị phân để pháthiện tình trạng mức có đạt hay không để điều khiển quá trình làm việc của bồnchứa

Dựa trên cơ sở lý thuyết, lựa chọn các thiết bị sau đây để tiến hành xâydựng, nghiên cứu đồ án:

- Cảm biến phao từ báo mức, loại phòng nổ Rongde RDHL Series FloaterLevel Sensor

- Tín hiệu đầu ra: RS485, tín hiệu dòng 4~20mA, tiếp điểm đầu ra hoặcđiện trở đầu ra

- 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, ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, ít bị ảnh hưởngbởi áp lực, chống ăn mòn điện hóa, độ nhạy cao Chất lượng ổn định, tuổithọ cao, cách nhiệt tốt

- Thiết kế chịu rung lắc, vật liệu thép không rỉ

Hình 2.1 Cảm biến mức kiểu phao

2.1.2 Cảm biến áp suất

a) Cảm biến đo áp suất trong đường ống

Sử dụng để đo áp suất trong đường ống đẩy, nếu sau thời gian khởi động bơm

mà áp suất không tăng thì cần dừng bơm

- Chọn loại SITRANS P DS III của Siemens

+Tín hiệu ra : 4 đến 20 mA

+ Nhiệt độ : -40 đến 185o F

+ Độ chính 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 và Cable (1.5-3km)

Hình 2.2 : SITRANS P DS III của Siemens

2.2 Xây dựng mạch giám sát trung gian.

2.2.1 Xây dựng cấu trúc tổng thể của hệ thống giám sát

Để đọc được tín hiệu trả về từ cảm biến ta có thể lựa chọn hai phương án là dung vi sử lý hoặc PLC Vi sử lý và PLC đều giống nhau về mặt bản chất, tuy nhiên trong môi trường công nghiệp PLC tỏ ra ưu việt hơn do khả năng làm việcđược ở môi trường khắc nhiệt, có độ bền và khả năng kháng nhiễu tốt hơn các chip vi sử lý Nhược điểm của PLC là to lớn, cồng kềnh hơn, giá cả đắt hơn Tuyvậy ta vẫn sử dụng PLC trong thiết kế giám sát hệ thống trạm bơm

Cấu trúc tổng thể của hệ thống giám sát:

Hình 2.3 Cấu trúc tổng thể của hệ thống giám sátCác cảm biến đo mức, đo áp suất đặt tại hệ thống bơm chuyển tín hiệu về cho PLC Tuy nhiên phần lớn những tín hiệu đầu ra của cảm biến không phù hợp vớiPLC do đó ta phải đưa các tín hiệu này qua một bộ chuyển đổi để chuyển chúng

về chuẩn công nghiệp của PLC

Sơ đồ chuyển đổi tín hiệu:

Hình 2.4 Sơ đồ chuyển đổi tín hiệu cảm biếnSau khi nhận được tín hiệu chuẩn hóa từ các cảm biến và thiết bị đo lườngPLC xử lý và đưa đến hiển thị trên PC PC và PLC có thể kết nối với nhau thôngqua mạng MPI Giao diện MPI (Multipoint Interface) dùng để ghép PLC và máytính với nhau, tích hợp sẵntrong PLC, là một loại mạng đơn giản với số trạm tối

đa là 32, vận tốc truyền chuẩn 187.5kb/s Môi trường truyền là cáp hai dây haysợi quang

Để có thể hiển thị được các thông số giám sát, máy tính cần được cài sẵn các phần mềm Winn cc dùng để thiết kế giao diện giám sát và Step 7 để lập trìnhcho PLC

Các thông số giám sát cũng được đưa đến tủ giám sát đặt tại hiện trường

để giám sát trực tiếp hoại động các bơm

2.2.2 Mạch giám sát cấp nguồn cho hệ thống

Hình 2.5 Mạch đo điện áp và dòng điện tại nguồn

2.2.3 Mạch rơle trung gian

Hình 2.6 Nghép nối các thiết bị ngoại vi với modul đầu vào số

Hình 2.7 Mạch nghép nối các đầu ra số với các rơle trung gian

Hình 2.7 Mạch nghép nối giữa các rơle trung gian và contactor động lựcCác biến giám sát trong hệ thống gồm:

- Mức nước trong bình cấp nước: mức cao và mức thấp không đủ để bơm.

- Áp suất trong đường ống của bơm 1, bơm 2 , bơm 3

- Áp suất đầu hút của bơm 1, bơm 2 , bơm 3

- Mức nước trong bồn hở : có mức cao và thấp

2.2.4 Thiết kế tủ giám sát

Hình 2.8 thiết kế bên ngoài tủ điện

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN CHO HỆ THỐNG GIÁM SÁT

3.1. Xây dựng các thuật toán giám sát

3.1.1 Thuật toán giám sát

Đ

Đ

Đ

Đ

Hình 3.1 Thuật toán giám sát trạm có nhiều bơm

3.1.3 Thống kê các tín hiệu vào, ra của PLC S7-300

Bảng 3.1 Các tín hiệu vào ra của PLC S7-300

TÍN HIỆU VÀO

I0.7 Áp suất cửa hút bơm 1 mức thấp, khởi động bơm mồi 1

I1.1 Áp suất cửa hút bơm 2 mức thấp, khởi động bơm mồi 2

I1.3 Áp suất cửa hút bơm 3 mức thấp, khởi động bơm mồi 3

I2.0 Áp suất cửa đẩy bơm 2 mức cao, tắt bơm

Q5.0 Start bơm dự phòng 2

3.2 Thiết kế chương trình giám sát

3.2.1 Thiết lập cấu hình phần cứng của trạm PLC

- Module nguồn: PS 307 5A

- Module CPU 316 -2DP

- Module tín hiệu vào DI32xDC24V

- Module đầu ra DO32xDC24V/0.5A

Hình 3.2: Cấu hình phần cứng của trạm PLC S7 – 300

3.2.2 Chương trình giám sát trên PLC S7-300

3.3 Mô phỏng kiểm chứng

Hình 3.3 Giao diện mô phỏng trên PLC

K t lu n ế ậ

Qua vi c hoàn thành đ án môn h c đệ ồ ọ ược giao b n thân em đã cóảthêm nh ng hi u bi t v các h th ng b m bình kín nói riêng và b m ch tữ ề ế ề ệ ố ơ ơ ấ

l ng nói chung Em đã n m đỏ ắ ược ph n nào các yêu c u công ngh mà m tầ ầ ệ ộ

h th ng b m công nghi p c n ph i đ t đệ ố ơ ệ ầ ả ạ ược, bên c nh đó em cũng tìmạ

hi u kỹ h n v h th ng PLC c a hãng Siemens qua đó c ng c kỹ h nể ơ ề ệ ố ủ ủ ố ơ

nh ng ki n th c chúng em đã đữ ế ứ ược h c trong h c ph n cùng tên Em cũngọ ọ ầ

được làm quyen v i ph n m m WinCC, đây th c s là m t ph n m m r tớ ầ ề ự ự ộ ầ ề ấ

m nh và thú v , chúng ta có th s d ng ph n m m này đ giám sát cũngạ ị ể ử ụ ầ ề ể

nh đi u khi n, sẽ vô cùng tr c quan.ư ề ể ự

Qua đây em xin c m n th y giáo Ph m Văn Toàn đã hả ơ ầ ạ ướng d n emẫhoàn thành đ án môn h c này, th y đã cho em ý ki n v yêu c u c a hồ ọ ầ ế ề ầ ủ ệ

th ng và nh ng ki n th c b ích trên l p.ố ữ ế ứ ổ ớ

Em xin c m nả ơ !

Sinh viên th c hi nự ệ

Ngô Văn Đ ngồ

Tài li u tham kh o ệ ả

[1] Ts Hoàng Xuân Bình, Bài gi ng Trang b đi n – đi n t máy côngả ị ệ ệ ử

[2] Ths Đ ng H ng H i, Ks Đoàn Văn Tuân, Kĩ thu t khí nén.ặ ồ ả ậ

[3] Nguy n Doãn Phễ ước, Phan Xuân Minh, Vũ Văn Hà, NXB Khoa h c và kĩọthu t, T đ ng hóa v i Simantic S7-300.ậ ự ộ ớ