Cùng với sự phát triển của xã hội, đời sống người dân ngày càng được nâng cao, việc thay thế các hoạt động thủ công bằng các thiết bị tự động cũng được người dân ứng dụng nhiều trong công nghiệp cũng như trong sinh hoạt. Công nghệ tự động giám sát và điều khiển mức chất lỏng cũng được nhiều công ty, xí nghiệp cũng như các nhà máy ứng dụng nhiều nhằm thay thế việc giám sát và điều khiển mức chất lỏng bằng phương pháp thủ công, công nghệ tự động giám sát mức chất lỏng đảm bảo việc kiểm soát, điều khiển lưu lượng chất lỏng sử dụng, bơm, xả chất lỏng một cách tin cậy mà không cần sự kiểm tra trực tiếp của con người
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN MƠN CƠ ĐIỆN TỬ NGÀNH: CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ HỆ THƠNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC TRONG BÌNH CHỨA Giáo viên hướng dẫn : ThS Lê Ngọc Duy Sinh viên thực : LỜI MỞ ĐẦU Cùng với phát triển xã hội, đời sống người dân ngày nâng cao, việc thay hoạt động thủ công thiết bị tự động người dân ứng dụng nhiều công nghiệp sinh hoạt Công nghệ tự động giám sát điều khiển mức chất lỏng nhiều công ty, xí nghiệp nhà máy ứng dụng nhiều nhằm thay việc giám sát điều khiển mức chất lỏng phương pháp thủ công, công nghệ tự động giám sát mức chất lỏng đảm bảo việc kiểm soát, điều khiển lưu lượng chất lỏng sử dụng, bơm, xả chất lỏng cách tin cậy mà không cần kiểm tra trực tiếp người Công nghệ ứng dụng nhiều việc xứ lý nước thải, lọc hoá dầu, nhà máy nước, nhà máy nhiệt điện, thuỷ điện, điện hạt nhân, bể nước, tháp nước tự động… Vấn đề quản lý loại chất lỏng như: Nước, Dầu mỏ, Xăng, Nước thải, cho hiệu vấn đề nhiều người, nhiều tổ chức quan tâm thời đại Đề tài “Điều khiển giám sát mức nước” ứng dụng nhiều lĩnh vực Công Nghiệp, Nơng Nghiệp, nhiều Cơng ty, Xí nghiệp nhà máy, đóng vai trò quan trọng lĩnh vực giám sát quản lý chất lỏng nhiều lĩnh vực khác Có nhiều phương pháp để giám sát quản lý chất lỏng, kể đến có phương pháp thủ công ứng dụng điều khiển tự động, ngày phương pháp giám sát quản lý chất lỏng phần lớn tự động hoá nhằm giám bớt sức lao động người đề tài “Điều khiển giám sát mức bể chứa PLC‟ nhiều cá nhân tổ chức ứng dụng Từ vấn đề đặt yêu cầu dùng phương pháp để giám sát điều khiển mức chất lỏng cách hợp lý chi phí, độ tin cậy, khả linh hoạt, dễ vận hành sử dụng Trong thực tế có nhiều phương pháp tự động điều khiển mức chất lỏng, phần em thực đề tài “THIẾT KẾ HỆ THÔNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC TRONG BÌNH CHỨA” Đề tài gồm nội dung sau: Chương 1: Giới thiệu chung Chương 2: Tổng quan mơ hình Chương 3: Thiết kế hệ thống CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Lịch sử nghiên cứu 1.1.1 Trên giới Hệ thống điều khiển mức chất lỏng có từ lâu ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực giới Trong lĩnh vực hóa học, hóa dầu, xử lý nước thải, thực phẩm, dân dụng,… Các nhà máy thủy điện, điện ngun tử, phòng thí nghiệm hóa học, phục vụ gia đình Cùng với phát triển ngày mạnh mẽ khoa học công nghệ, phát triển kĩ thuật vi điều khiển, loại cảm biến đời với độ xác cao, hệ thống ngày phát triển linh hoạt tiện dụng Hệ thống cảm biến mức giới phát triển mạnh hoàn thiện xác ngày, từ giám sát điều khiển tự động đơn giản phao vận hành công tắc, đến việc dùng các biến siêu âm, radar, cảm biến áp suất, để ứng dụng hệ thống phức tạp u cầu đòi hỏi độ xác cao, liền mạch hoàn tự động Trên giới hệ thống điều khiển mức hoàn thiện đến mức đáng kinh ngạc từ độ xác khả vận hành ổn định hoàn hảo, thơng tin quản lý dễ dàng qua hình máy tính, áp suất, thể tích, nhiệt độ, nồng độ,… Các hệ thống cân mức với số lượng bình chứa nhiều phát triển, modul điều khiển mức nghiên cứu sản xuất, để đơn giản hóa điều khiển tiện lợi cho việc kết nối lắp đặt Hệ thống tái chế nước thông minh-rửa ngược bể bơi phát triển ProMinent Bể bơi công cộng phép, phù hợp với DIN 19645, để xử lý nước rửa ngược sau sử dụng lại nó, làm giảm đáng kể chi phí vận hành Kết tiết kiệm giúp giảm nhu cầu nước lượng nước thải lên đến 80% so với tất chi phí lượng thấp Sử dụng quy trình tiêu chuẩn phát triển ProMinent cho mô-đun khác nhau, nước rửa ngược tái chế hiệu quả, tùy thuộc vào mục đích chất lượng loại nước hoạt động cần thiết: để tái sử dụng làm nước đầy; để làm sạch, vệ sinh nhà vệ sinh tưới tiêu nước xử lý để chuyển trực tiếp trở lại vào nước mặt Hệ thống có sẵn ba kích cỡ cho tốc độ dòng chảy lên đến 80 m³ ngày So với cơng nghệ thơng thường, đặc biệt phù hợp với việc cải tạo hồ bơi nhờ vào diện tích tối thiểu Và tùy thuộc vào chất lượng nước yêu cầu, mô-đun khử trùng clo clo điơxít thêm vào Việc lắp đặt linh hoạt vận hành đơn giản kết hợp với hoạt động hoàn toàn tự động lợi giải pháp kinh tế 1.1.2 Trong nước Công nghệ tự động giám sát điều khiển mức chất lỏng nhiều công ty, xí nghiệp nhà máy nước ứng dụng nhiều nhằm thay việc giám sát điều khiển mức chất lỏng phương pháp thủ công, công nghệ tự động giám sát mức chất lỏng đảm bảo việc kiểm soát, điều khiển lưu lượng chất lỏng sử dụng, bơm, xả chất lỏng cách tin cậy mà không cần kiểm tra trực tiếp người Công nghệ ứng dụng nhiều việc xứ lý nước thải, lọc hoá dầu, nhà máy nước,nhà máy thuỷ điện, hệ thống làm mát nhiệt điện, hệ thống làm mát, bể nước, tháp nước tự động… Khánh thành Nhà máy xử lý nước thải VSIP Quảng Ngãi Nhà máy hợp phần quan trọng dự án Khu cơng nghiệp VSIP Quảng Ngãi, có cơng suất 11.000 m3/ngày đêm, giai đoạn xây dựng diện tích 1,2 ha, cơng suất 6.000 m3/ngày đêm, tổng vốn đầu tư 50 tỉ đồng Theo lãnh đạo VSIP Quảng Ngãi, nhà máy gồm hạng mục như: nhà điều hành, bể xử lý nước thải, tuyến thu gom nước thải, phòng thí nghiệm có khả phân tích tiêu nước thải Nhà máy ứng dụng công nghệ vận hành hệ thống xử lý nước thải, lần ứng dụng Quảng Ngãi Được biết, VSIP Quảng Ngãi dự án thứ VSIP Việt Nam, khởi công xây dựng vào tháng 9.2013, với quy hoạch gồm 1.143 đất công nghiệp 504 đất đô thị, dịch vụ 1.2 Vấn đề đặt - Thiết kế khí hệ thống điều khiển mức bình chứa - Thiết kế hệ thống điều khiển mức chất lỏng bình chứa - Hiểu cấu tạo nguyên lý hoạt động hệ thống - Hiểu nắm bắt cấu tạo thành phần hệ thống - Điều khiển mức nước bình cách xác tự dộng - Tính tốn xác thơng số vào 1.3 Đối tượng nghiên cứu Đảm bảo đối tượng nghiên cứu đề tài mơ hình hệ thống điều khiển mức chất lỏng có tính chất điều khiển ta mong muốn Để lưa chọn điều khiển cho hệ thống thực tế có nhiều vi điều khiển(Arduino,…),Relay đóng ngắt hay PLC.Ở ta chọn PLC xác,ổn định ứng dụng mạnh công nghiệp Trong phạm vi nghiên cứu đồ án giải thuật điều khiển quan trọng Có nhiều giải thuật điều khiển đề cập tới với nhiều đối tượng phi tuyến khác Các giải thuật điều khiển thường sử dụng điều khiển tuyến tính, điều khiển phi tuyến điều khiển thơng minh Đa số điều khiển thực tế điều khiển tuyến tính (PID, …) cho đáp ứng tốt 1.4 Phương pháp nghiên cứu 1.4.1 Phương pháp lý thuyết Thơng qua tìm hiểu từ sách vở, nguồn tài liệu Internet, nghiên cứu phương pháp PID điều khiển đối tượng tuyến tính, đặc biệt hệ thống điều khiển mức chất lỏng Việc nắm rõ phương pháp bao gồm hiểu lý thuyết hình thành,xây dựng điều khiển, cách thức tinh chỉnh thông số điều khiển, dạng đáp ứng,ngõ tương ứng… Kết xây dựng thử nghiệm phần mềm mô 1.4.2 Phương pháp thực nghiệm Thực chế tạo khí, mạch điện,chương trình điều khiển để kiểm chứng mơ hình thực Ngồi ra, học hỏi tham khảo thiết kế hệ thống đời thực, để chọn lọc mẫu thiết kế hợp lý hiệu Dựa sở phương pháp thiết kế, tiến hành phân tích ưu nhược điểm để lựa chọn thi công sản phẩm Từ kết thực nghiệm để hoàn thiện sản phẩm cuối Kết thực nghiệm phản ánh chất lượng sản phẩm, đúc kết kinh nghiệm để hoàn thiện sản phẩm 1.5 Dự kiến kết đạt Mục tiêu đồ án xây dựng hệ thống có khả điều khiển mức ổn định chất lỏng , tự động hóa q trình cấp nước Trong khuôn khổ đồ án môn, mục tiêu đề sau: -Thiết kế khí ( bình chứa,ống nước,van ,động cơ,…) - Thiết kế hệ thống điều khiển bao gồm PLC ,các cảm biến thực chức đo mức nước - Giải thuật lập chương trình cho PLC kết hợp thuật tốn PID - Hiểu vận hành hệ thống - Hiểu cấu tạo nguyên lý vận hành phần tử hệ thống CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH 2.1 Ngun lý làm việc mơ hình Ngun lý của hệ thống cân mức chân lỏng bình việc điều chỉnh lượng nước bơm vào lượng nước xả ra, cho mức nước bình chứa ln ổn định Với mơ hình thiết kế Mức nước bình đặt vào điều khiển thơng qua hình máy tính Cảm biến siêu âm đo đưa tín hiệu đưa điều khiển, phép tốn chương trình PLC tính tốn để xử lý tính hiệu cảm biến, để biết lượng nước bình chứa bao nhiêu, lên hình máy tính thơng qua phần mềm mô HMI Mitsubishi Bộ xử lý tín hiệu so sánh với giá trị đặt trước, đưa tín hiệu điều khiển động bơm nước vào thông qua biến tần để cân lượng nước bình Lưu lượng nước vào tính tốn thông qua tốc độ máy bơm tiết diện đường ống,lưu lượng nước xả van thay đổi lưu lượng cách điều chỉnh góc mở 2.2 Hệ thống khí mơ hình 2.2.1 Tổng quát hệ thống 2.2.2 Bể chứa nước động Mơ hình bể chứa chế tạo từ nhựa mica dày mm, có kích thước chiều 1050x800x1402 mm 2.3 Hệ thống điều khiển mô hình 2.3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển PLC Cảm biến siêu âm FX3U/16M Biến tần Mitsubishi Màn hình Động bơm HMI KĐB pha 0.75 kW 2.3.1.1 PLC FX 3U/16M Mitsubishi Theo định nghĩa PLC bách khoa toàn thư Wiki, PLC viết tắt Programmable Logic Controller , thiết bị điều khiển lập trình (khả trình) cho phép thực linh hoạt giải pháp điều khiển logicthông qua ngôn ngữ lập trình Dòng sản phẩm PLC FX3U hệ thứ ba gia đình họ FX-PLC, PLC dạng nhỏ gọn thành công hãng Mitsubishi Electric Sản phẩm thiết kế đáp ứng cho thị trường quốc tế, tính đặc biệt hệ thống “adapter bus” bổ xung cho hệ thống bus hữu ích cho việc mở rộng thêm tính đặc biệt khối truyền thông mạng Khả tối đa mở rộng lên đến 10 khối bus 2.3.1.2 Biến tần -Biến tần gì? Biến tần thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều từ tần số sang dòng điện xoay chiều có tần số khác thay đổi Đối với biến tần dung việc điều chỉnh tốc độ động xoay chiều ngồi việc thay đổi tần số thay đổi điện áp khác với điện áp cấp vào biến tần -Phân loại biến tần: Biến tần thường chia làm hai loại: - Biến tần trực tiếp - Biến tần gián tiếp a Biến tần trực tiếp Biến tần trực tiếp biến đổi tần số trực tiếp từ lưới điện xoay chiều không thông qua khâu trung gian chiều Tần số điều chỉnh nhảy cấp nhỏ tần số lưới ( f1 < flưới ) Loại biến tần sử dụng b Biến tần gián tiếp Để biến đổi tần số cần thơng qua khâu trung gian chiều có tên gọi biến tần gián tiếp - Tầm quan trọng biến tần công nghiệp Biến tần với chức điều khiển vô cấp tốc độ động cho phếp người sử dụng điều chỉnh tốc độ động theo nhu cầu mục đich sử dụng Chức điều khiển tốc độ đông lên tối đa 16 cấp với khả kiểm soát thời gia tốc/ giảm tốc, nhiều mức công suất phù hợp với nhiều loại động Có chức bảo vệ tải, áp, thấp áp, dòng, thấp dòng, nhiệt động cơ, nối đất… giúp người vận hành yên tâm lo lắng vấn đề kiểm sốt q trình vận hành Biến tần giúp dây chuyền hoạt động tối ưu: tiết kiệm điện năng, đồng thiết bị (động cơ) hoạt động trơn tru, than thiện với người sử dụng giẩm thiểu chi phí bảo trì – bảo dưỡng Trong thực tế có nhiều hoạt động cơng nghiệp có lien quan đến tóc độ động điện Đơi lúc xem ổn định tốc độ đơng mang yếu tố sống chất lượng sản phẩm, sử ổn định hệ thống… Ví dụ: máy ép nhựa làm đế giày, cán thếp, hệ thống tự đơng pha trộn ngun liệu,…Vì thế, việc điều khiển ổn định tốc độ động xem vấn đề yếu hệ thống điều khiển cơng nghiệp -Biến tần sử dụng mơ hình a, Giới thiệu biến tần GD10 Biến tần mini GD10 biến tần dùng cho ứng dụng chế tạo máy cỡ nhỏ với công suất đến 2.2 kW Biến tần GD10 nhỏ gọn, tiết kiệm không gian dễ dàng lắp đặt, thông số cài đặt thân thiện với người dùng Hình 2.3: Biến tần GD10 Bảng 2.1: Thơng số kỹ thuật Đặc tính thiết bị Diễn giải Dải cơng suất 0.75kW~2.2kW Điện áp ngõ vào (V) + AC 3Pha 380V (-15%)~440 (+10%) Nguồn điện ngõ vào Tần số ngõ vào (Hz) 50Hz, 60Hz (47~63Hz) Động không đồng Loại động Đặc tính điều khiển + AC 1pha 220V (-15%)~240 (+10%) Chế độ điều khiển Điều khiển V/F Độ phân giải điều chỉnh tốc độ 1:100 Độ phân giải ngõ vào analog