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
Trang 1BỘ CÔNG THƯƠNGTRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA CƠ KHÍ
ĐỒ ÁN MÔN CƠ ĐIỆN TỬ
NGÀNH: CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ
ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ HỆ THÔNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC TRONG BÌNH CHỨA
Giáo viên hướng dẫn : ThS Lê Ngọc Duy
Sinh viên thực hiện :
Trang 2LỜI MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của xã hội, đời sống người dân ngày càng được nâng cao, việcthay 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 Công nghệ này được ứng dụng nhiều trong việc xứ lý nước thải, lọc hoá dầu, nhà máy nước, nhà máy nhiệt điện, thuỷ điện, điện hạt nhân, các bể nước, tháp nước tự động…
Vấn đề quản lý các loại chất lỏng như: Nước, Dầu mỏ, Xăng, Nước thải, làm sao cho hiệu quả đang là vấn đề được nhiều người, nhiều tổ chức quan tâm trong thời đại hiện nay Đề tài “Điều khiển và giám sát mức nước” được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực Công Nghiệp, Nông Nghiệp, ở nhiều Công ty, Xí nghiệp và các nhà máy, đóng vaitrò quan trọng trong lĩnh vực giám sát và quản lý chất lỏng ở nhiều lĩnh vực khác nhau Có nhiều phương pháp để giám sát và quản lý chất lỏng, kể đến có phương phápthủ công và ứng dụng điều khiển tự động, ngày nay phương pháp giám sát và quản lý chất lỏng phần lớn được tự động hoá nhằm giám bớt sức lao động của con người và đềtài “Điều khiển và giám sát mức trong bể chứa bằng PLC‟ cũng được nhiều cá nhân và
tổ chức ứng dụng
Từ những vấn đề trên đặt ra yêu cầu là dùng phương pháp nào để giám sát và điều khiển mức chất lỏng một cách hợp lý nhất về chi phí, độ tin cậy, khả năng linh hoạt, dễvận hành và sử dụng nhất Trong thực tế có nhiều phương pháp tự động điều khiển mức chất lỏng, ở phần này em thực hiện đề tài “THIẾT KẾ HỆ THÔNG ĐIỀU
KHIỂN MỨC NƯỚC TRONG BÌNH CHỨA” Đề tài gồm các nội dung sau:
Chương 1: Giới thiệu chung
Chương 2: Tổng quan về mô hình
Chương 3: Thiết kế hệ thống
Trang 4CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 Lịch sử nghiên cứu
1.1.1 Trên thế giới
Hệ thống điều khiển mức chất lỏng đã có từ rất lâu và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực trên thế giới Trong các lĩnh vực hóa học, hóa dầu, xử lý nước thải, thựcphẩm, dân dụng,… Các nhà máy thủy điện, điện nguyên tử, các phòng thí nghiệm hóahọc, cho đến phục vụ trong gia đình Cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của khoa học công nghệ, sự phát triển của kĩ thuật vi điều khiển, các loại cảm biến mới ra đời với độ chính xác cao, các hệ thống ngày càng phát triển linh hoạt và tiện dụng Hệ thống cảm biến mức trên thế giới cũng đang phát triển mạnh và hoàn thiện chính xác hơn từng ngày, từ giám sát điều khiển tự động đơn giản bằng phao vận hành công tắc, đến việc dùng các các biến siêu âm, radar, cảm biến áp suất, để ứng dụng trong các hệ thống phức tạp yêu cầu đòi hỏi độ chính xác cao, liền mạch và hoàn tự động Trên thế giới các hệ thống điều khiển mức đã hoàn thiện đến mức đáng kinh ngạc từ độ chính xác cho đến khả năng vận hành ổn định và hoàn hảo, mọi thông tin được quản lý dễ dàng qua màn hình máy tính, áp suất, thể tích, nhiệt độ, nồng độ,… Các hệ thống cân bằng mức với số lượng bình chứa nhiều đang được phát triển, các modul điều khiển mức được nghiên cứu và sản xuất, để đơn giản hóa bộ điều khiển và tiện lợi cho việc kết nối lắp đặt
Trang 5Hệ thống tái chế nước thông minh-rửa ngược trong bể bơi được phát triển bởi
ProMinent
Bể bơi công cộng được phép, phù hợp với DIN 19645, để xử lý nước rửa ngược và sau
đó sử dụng lại nó, do đó làm giảm đáng kể chi phí vận hành Kết quả tiết kiệm giúp giảm nhu cầu về nước ngọt và lượng nước thải có thể lên đến 80% so với tất cả các chiphí năng lượng thấp hơn
Sử dụng các quy trình tiêu chuẩn được phát triển bởi ProMinent cho các mô-đun khác nhau, nước rửa ngược có thể được tái chế hiệu quả, tùy thuộc vào mục đích và chất lượng của loại nước hoạt động cần thiết: để tái sử dụng làm nước đầy; để làm sạch, vệ sinh nhà vệ sinh và tưới tiêu như nước xử lý hoặc để chuyển trực tiếp trở lại vào nước mặt
Hệ thống có sẵn trong ba kích cỡ cho một tốc độ dòng chảy lên đến 80 m³ mỗi
ngày So với công nghệ thông thường, nó đặc biệt phù hợp với việc cải tạo các hồ bơi nhờ vào diện tích tối thiểu của nó Và tùy thuộc vào chất lượng nước được yêu cầu, các mô-đun khử trùng bằng clo hoặc clo điôxít có thể được thêm vào Việc lắp đặt linhhoạt và vận hành đơn giản kết hợp với hoạt động hoàn toàn tự động là những lợi thế hơn nữa của các giải pháp kinh tế này
1.1.2 Trong nước
Công nghệ tự động giám sát và điều khiển mức chất lỏng cũng được
nhiều công ty, xí nghiệp cũng như các nhà máy trong nước 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 lưulượng chất lỏng sử dụng, bơm, xả chất lỏng một cách tin cậy mà không cần sựkiểm tra trực tiếp của con người Công nghệ này được ứng dụng nhiều trong
việc xứ lý nước thải, lọc hoá dầu, nhà máy nước,nhà máy thuỷ điện, hệ thốnglàm mát nhiệt điện, hệ thống làm mát, các bể nước, tháp nước
tự động…
Trang 6Khánh thành Nhà máy xử lý nước thải VSIP Quảng Ngãi
Nhà máy là một hợp phần quan trọng của dự án Khu công nghiệp VSIP Quảng Ngãi,
có công suất 11.000 m3/ngày đêm, trong đó giai đoạn 1 được xây dựng trên diện tích 1,2 ha, công suất 6.000 m3/ngày đêm, tổng vốn đầu tư trên 50 tỉ đồng
Theo lãnh đạo VSIP Quảng Ngãi, nhà máy gồm các hạng mục như: nhà điều hành, các
bể xử lý nước thải, tuyến thu gom nước thải, phòng thí nghiệm có khả năng phân tích các chỉ tiêu cơ bản của nước thải
Nhà máy cũng được ứng dụng công nghệ mới trong vận hành hệ thống xử lý nước thải, lần đầu tiên được ứng dụng tại Quảng Ngãi
Được biết, VSIP Quảng Ngãi là dự án thứ 5 của VSIP tại Việt Nam, được khởi công xây dựng vào tháng 9.2013, với quy hoạch gồm 1.143 ha đất công nghiệp và 504 ha đất đô thị, dịch vụ
1.2 Vấn đề đặt ra
- Thiết kế cơ khí hệ thống điều khiển mức trong bình chứa
- Thiết kế hệ thống điều khiển mức chất lỏng trong bình chứa
- Hiểu được cấu tạo nguyên lý hoạt động của hệ thống
- Hiểu và nắm bắt được cấu tạo của các thành phần trong hệ thống
- Điều khiển mức nước trong bình một cách chính xác tự dộng
- Tính toán được chính xác các thông số ra vào
1.3 Đối tượng nghiên cứu
Đảm bảo đối tượng nghiên cứu của đề tài mô hình hệ thống điều khiển mức chất lỏng
và có các tính chất điều khiển như ta mong muốn
Để lưa chọn bộ điều khiển cho hệ thống trên thực tế có rất nhiều như vi điều
khiển(Arduino,…),Relay đóng ngắt hay PLC.Ở đây ta chọn PLC vì nó chính xác,ổn định và ứng dụng mạnh trong công nghiệp
Trang 7Trong phạm vi nghiên cứu của đồ án giải thuật điều khiển là rất quan trọng Có
nhiều giải thuật điều khiển được đề cập tới với nhiều đối tượng phi tuyến khác nhau.Các giải thuật điều khiển thường được sử dụng là điều khiển tuyến tính, điều khiểnphi tuyến và điều khiển thông minh Đa số các bộ điều khiển trong thực tế đều làđiều khiển tuyến tính (PID, …) và đều cho đáp ứng tốt
1.4 Phương pháp nghiên cứu
1.4.1 Phương pháp lý thuyết
Thông qua tìm hiểu từ sách vở, các nguồn tài liệu trên Internet, nghiên cứu vềphương pháp PID trong điều khiển các đối tượng tuyến tính, đặc biệt là hệ thống điều khiển mức chất lỏng Việc nắm rõ phương pháp bao gồm hiểu về lý thuyết hình thành,xây dựng bộ điều khiển, cách thức tinh chỉnh thông số bộ điều khiển, dạng đáp ứng,ngõ ra tương ứng…
Kết quả xây dựng được thử nghiệm trên phần mềm mô phỏng
1.4.2 Phương pháp thực nghiệm
Thực hiện chế tạo cơ khí, mạch điện,chương trình điều khiển để kiểm chứng trên mô hình thực Ngoài ra, học hỏi tham khảo thiết kế của các hệ thống ngoài đời thực, để chọn lọc các mẫu thiết kế hợp lý và hiệu quả Dựa trên cơ sở các phương pháp thiết kế,tiến hành phân tích ưu nhược điểm để lựa chọn thi công sản phẩm Từ những kết quả thực nghiệm để hoàn thiện sản phẩm cuối cùng Kết quả của thực nghiệm phản ánh chất lượng sản phẩm, đúc kết được kinh nghiệm để hoàn thiện sản phẩm
1.5 Dự kiến kết quả đạt được
Mục tiêu của đồ án là xây dựng được hệ thống có khả năng điều khiển
mức và ổn định chất lỏng , tự động hóa quá trình cấp nước
Trong khuôn khổ đồ án môn, những mục tiêu được đề ra như sau:
-Thiết kế cơ khí ( bình chứa,ống nước,van ,động cơ,…)
- Thiết kế hệ thống điều khiển bao gồm PLC ,các cảm biến thực hiện chức năng đo mức nước
- Giải thuật và lập chương trình cho PLC kết hợp thuật toán PID
- Hiểu được sự vận hành của hệ thống
- Hiểu được cấu tạo nguyên lý vận hành của từng phần tử trong hệ thống
Trang 8CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH
2.1 Nguyên lý làm việc của mô hình
Nguyên lý của của hệ thống cân bằng mức chân lỏng trong bình là việc điều chỉnh lượng nước bơm vào và lượng nước xả ra, sao cho mức nước trong bình chứa luôn ổn định
Với mô hình được thiết kế Mức nước trong bình được đặt vào bộ điều khiển thông qua màn hình máy tính Cảm biến siêu âm đo và đưa tín hiệu đưa về bộ điều khiển, cácphép toán ở trong chương trình PLC sẽ tính toán để xử lý tính hiệu của cảm biến, để biết được lượng nước trong bình chứa hiện tại là bao nhiêu, hiện lên màn hình máy tính thông qua phần mềm mô phỏng HMI Mitsubishi Bộ xử lý tín hiệu sẽ so sánh với giá trị đặt trước, đưa ra tín hiệu điều khiển động cơ bơm nước vào thông qua biến tần
để cân bằng lượng nước trong bình
Lưu lượng nước vào được tính toán thông qua tốc độ của máy bơm và tiết diện đường ống,lưu lượng nước ra được xả bằng van có thể thay đổi lưu lượng ra bằng cách điều chỉnh góc mở
2.2 Hệ thống cơ khí của mô hình
Trang 102.3 Hệ thống điều khiển mô hình.
2.3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
2.3.1.1 PLC FX 3U/16M Mitsubishi
Theo định nghĩa PLC của bách khoa toàn thư Wiki, PLC là viết tắt của Programmable Logic Controller , là thiết bị điều khiển lập trình được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các giải pháp điều khiển logicthông qua một ngôn ngữ lập trình
Dòng sản phẩm mới PLC FX3U là thế hệ thứ ba trong gia đình họ FX-PLC, là một PLC dạng nhỏ gọn và thành công của hãng Mitsubishi Electric Sản phẩm được thiết
kế đáp ứng cho thị trường quốc tế, tính năng đặc biệt mới là hệ thống “adapter bus” được bổ xung cho hệ thống bus hữu ích cho việc mở rộng thêm những tính năng đặc
Màn hình HMI
Biến tần
Trang 11biệt và khối truyền thông mạng Khả năng tối đa có thể mở rộng lên đến 10 khối trên
bus mới này
2.3.1.2 Biến tần
-Biến tần là gì?
Biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều từ tần số này sang dòng điện xoay chiều có tần số khác có thể thay đổi được Đối với các biến tần dung trong việc điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều thì ngoài việc thay đổi tần số thì nó còn có thể thay đổi điện áp ra 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
Trang 12a Biến tần trực tiếp
Biến tần trực tiếp là bộ biến đổi tần số trực tiếp từ lưới điện xoay chiều không thông qua khâu trung gian một chiều Tần số ra được điều chỉnh nhảy cấp và nhỏ hơn tần số lưới ( f1 < flưới ) Loại biến tần này hiện nay ít được sử dụng
b Biến tần gián tiếp
Để biến đổi tần số cần thông qua một khâu trung gian một chiều vì vậy có tên gọi là biến tần gián tiếp
- Tầm quan trọng của biến tần trong công nghiệp
Biến tần với chức năng điều khiển vô cấp tốc độ động cơ cho phếp người sử dụng điềuchỉnh tốc độ động cơ theo nhu cầu và mục đich sử dụng Chức năng điều khiển tốc độ đông cơ lên tối đa 16 cấp với khả năng kiểm soát thời gia tốc/ giảm tốc, nhiều mức công suất phù hợp với nhiều loại động cơ Có chức năng bảo vệ quá tải, quá áp, thấp
áp, quá dòng, thấp dòng, quá nhiệt động cơ, nối đất… nó giúp người vận hành yên tâmkhông phải lo lắng về vấn đề mất kiểm soát trong quá trình vận hành Biến tần giúp cácdây chuyền hoạt động tối ưu: tiết kiệm điện năng, đồng bộ các thiết bị (động cơ) hoạt động trơn tru, than thiện với người sử dụng và giẩm thiểu chi phí bảo trì – bảo dưỡng Trong thực tế có rất nhiều hoạt động trong công nghiệp có lien quan đến tóc độ động
cơ điện Đôi lúc có thể xem sự ổn định của tốc độ đông cơ mang yếu tố sống còn của chất lượng sản phẩm, sử ổn định của hệ thống… Ví dụ: máy ép nhựa làm đế giày, cán thếp, hệ thống tự đông pha trộn nguyên liệu,…Vì thế, việc điều khiển và ổn định tốc
độ động cơ được xem như vấn đề chính yếu của các hệ thống điều khiển trong công nghiệp
-Biến tần sử dụng trong mô hình
a, Giới thiệu biến tần GD10
Biến tần mini GD10 là biến tần dùng cho các ứng dụng chế tạo máy cỡ nhỏ với công
suất đến 2.2 kW Biến tần GD10 nhỏ gọn, tiết kiệm không gian và dễ dàng lắp đặt, thông số cài đặt thân thiện với người dùng
Trang 13Hình 2.3: Biến tần GD10
Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật
Nguồn điện
ngõ vào
Điện áp ngõ vào (V) + AC 1pha 220V (-15%)~240 (+10%)
+ AC 3Pha 380V (-15%)~440 (+10%) Tần số ngõ vào (Hz) 50Hz, 60Hz (47~63Hz)
Chế độ điều khiển Điều khiển V/F
Độ phân giải điều chỉnh tốc độ
Trang 14Đặc tính thiết bị Diễn giải
10s với 180% dòng đinh mức 1s với 200% dòng định mức Nguồn điều khiển tần
số
Bàn phím, ngõ vào analog, truyền thong Modbus, đa cấp tốc độ: có 16 cấp tốc độ đặt trước, và PID Có thể thực hiện kết hợp nhiều ngõ vào và chuyển đổi giữa các ngõ vào khác nhau
Ngõ vào số Có 05 ngõ vào số nhận giá trị ON-OFF, có
thể đào trạng thái NO hay NC
Ngõ vào Analog Cổng AI có thể nhận tín hiệu vào từ 0~10V/
Tự động ổn điện áp ngõ ra khi điện áp nguồncung cấp dao động bất thường
Chức năng điều khiển thắng
Thắng động năng, thắng kích từ, thắng
DC
Trang 15Chức năng chuyên dụng cho ngành sợi, dệt
Điều khiển chạy tốc độ thay đổi theo chu trinh để cuộn sợi
Chức năng giúp hệ thống hoạt động liên tục
Tự động reset lỗi theo số lần và thời gian đặttrước Duy trì hoạt động khi bị mất điện thoáng qua và dải điện áp hoạt động rộng phù hợp với những nơi điện chập chờn
Chức năng timer,counter
Tích hợp bộ cài đặt thời gian trễ và bộ đếm
để phù hợp với các ứng dụng khác
nhau
Chức năng bù moment Làm tăng đặc tính momen của điều khiển
V/F khi động cơ làm việc ở tốc độ
thấp
b, Thông số cài đặt biến tần sử dụng trong đề tài
_Cài đặt điều khiển:
_Cài đặt thông số Motor :
P02.01 = 0.8 kW : Công suất định mức của motor
P02.02 = 50 Hz : Tần số định mức của motor
P02.03 = 2850 RPM : Tốc độ định mức của motor
P02.04 = 220 V : Điện áp định mức của motor
Trang 16P02.05 = 3.6 A : Cường độ dòng điện định mức của motor
2.3.1.4 Động cơ bơm
Khái quát chung
Nguyên lý làm việc của động cơ bơm là dựa vào chuyển động quay của động cơ điện, động cơ bơm sử dụng chuyển động quay đó để hút chất lỏng từ đầu vào và đẩy chất lỏng đến đầu ra nhờ áp suất từ chuyển động quay của động cơ điện Ngoài động cơ bơm chất lỏng một chiều còn có các loại động cơ bơm 2 chiều
Động cơ bơm sử dụng trong mô hình
Mô hình sử dụng động cơ không đồng bộ 3 pha có thông số kỹ thuật cơ bản như sau : Công suất : 0.75 kW
Tần số : 50 Hz
Điện áp : 220V (Đấu tam giác), 380V (Đấu sao)
Cường độ dòng điện : 3.2 A (Đấu tam giác), 1.6 A (Đấu sao)
Tốc độ : 2850 RPM
2.3.1.5 Cảm biến siêu âm
-Khái quát chung