Thiết kế ĐIỀU KHIỂN tự động cho trạm nhiều bơm cấp lỏng cho bồn hở

MỞ ĐẦU1.Tính cấp thiết của đề tàiTrong các đô thị, vùng đô thị hóa và trong đời sống xã hội hiện nay, hệ thống bơm nước là một trong những hệ thống cơ sở hạ tầng rất quan trọng, không thể thiếu được. Hệ thống bơm không những ảnh hưởng đến đời sống sinh hoạt của con người mà còn ảnh hưởng đến các ngành công nghiệp, nông nghiệp nhằm đảm bảo phục vụ lợi ích cho con người. Từ những vấn đề trên tôi được giao đề tài: “Thiết kế điều khiển tự động cho trạm nhiều bơm cấp lỏng cho bồn hở” để hiểu rõ hơn quá trình hoạt động của hệ thống nhằm năng cao kiến thức từ đấy tiến hành nâng cao chất lượng điều khiển.2.Mục đích nghiên cứu của đề tàiNghiên cứu nguyên lý hoạt động của một số hệ thống điều khiển bơm trên lý thuyết nhằm nâng cao độ chính xác từ đó thiết kế trạm nhiều bơm cấp lỏng cho bồn hở có ý nghĩa thực tiễn.3.Đối tượng và phạm vi nghiên cứua)Đối tượng nghiên cứuNghiên cứu các hệ thống điều khiển tự động cho trạm nhiều bơm cấp lỏng cho bồn hở có mặt trong thực tiễn.b)Phạm vi nghiên cứuĐồ án môn học này giới hạn nghiên cứu, thiết kế trạm nhiều bơm cấp lỏng cho bồn hở có thể sử dụng được trong việc cấp nước cho 1 khu vực trong thành phố hoặc cho một xí nghiệp vừa và nhỏ.4.Phương án nghiên cứuNghiên cứu dựa trên lý thuyết về các hệ thống bơm điển hình nói chung và hệ thống trạm nhiều bơm cấp lỏng cho bồn hở nói riêng. Từ đó rút ra các nhận xét, đánh giá, để đề xuất phương án thiết kế của bản thân.5.Ý nghĩa khoa học và thực tiễna)Ý nghĩa khoa học của đề tàiNắm được nguyên lý hoạt động của hệ thống để giảm thiểu tối đa rủi ro trong quá trình vận hành hệ thống, nâng cao tính ổn định, bền vững của hệ thống.b)Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Số hình Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 Hình 1.5 Hình 1.6 Hình 2.1 Hình 2.2 Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 2.5 Hình 2.6 Hình 2.7 Hình 2.8 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Tên hình Sơ đồ hệ thống bơm Cấu tạo bơm ly tâm Các đặc trưng tính cơng tác bơm ly tâm Cấu tạo bơm piston Các đặc tính bơm piston Sơ đồ cấu trúc hệ thống trạm nhiều bơm van chiều KVS – 100 Bơm ly tâm SLW150-250 Cảm biến đo áp suât cho đường ống Cảm biến đo mức nước cho bể chứa Dãy tủ điện động lực Hình 3D tủ Contactor LS 3P 50A Rơle nhiệt LS MT – 32 Sơ đồ cấp nguồn cho trạm bơm tăng áp Sơ đồ chuyển đổi nguồn điều khiển Sơ đồ mạch động lực bơm Sơ đồ mạch điều khiển bơm dùng PLC Sơ đồ mạch điều khiển bơm dùng rơle trung gian Hình 3.6 sơ đồ rơle trung gian nút ấn cảm biến Hình 3.7 Sơ đồ tín hiệu đầu vào PLC Hình 3.8 Thuật tốn chọn chế độ bơm Hình 3.9 Thuật tốn điều khiển tay Hình 3.10 Thuật tốn điều khiển từ xa Hình 3.11 Thuật tốn chọn bơm chủ Hình 3.12 Thuật toán chế độ tự động Số trang 12 15 16 17 17 18 19 20 20 30 31 32 33 33 34 35 36 37 39 40 42 DANH MỤC CÁC BẢNG Sô bảng Bảng 1.1 Bảng 3.1 Tên bảng Bảng ký hiệu phần tử hệ thống bơm chất lỏng cho bồn hở Các tín hiệu I/O hệ thống Số trang 11 23 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong thị, vùng thị hóa đời sống xã hội nay, hệ thống bơm nước hệ thống sở hạ tầng quan trọng, thiếu Hệ thống bơm ảnh hưởng đến đời sống sinh hoạt người mà ảnh hưởng đến ngành công nghiệp, nông nghiệp nhằm đảm bảo phục vụ lợi ích cho người Từ vấn đề giao đề tài: “Thiết kế điều khiển tự động cho trạm nhiều bơm cấp lỏng cho bồn hở” để hiểu rõ trình hoạt động hệ thống nhằm cao kiến thức từ tiến hành nâng cao chất lượng điều khiển Mục đích nghiên cứu đề tài Nghiên cứu nguyên lý hoạt động số hệ thống điều khiển bơm lý thuyết nhằm nâng cao độ xác từ thiết kế trạm nhiều bơm cấp lỏng cho bồn hở có ý nghĩa thực tiễn Đối tượng phạm vi nghiên cứu a) Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu hệ thống điều khiển tự động cho trạm nhiều bơm cấp lỏng cho bồn hở có mặt thực tiễn b) Phạm vi nghiên cứu Đồ án môn học giới hạn nghiên cứu, thiết kế trạm nhiều bơm cấp lỏng cho bồn hở sử dụng việc cấp nước cho khu vực thành phố cho xí nghiệp vừa nhỏ Phương án nghiên cứu Nghiên cứu dựa lý thuyết hệ thống bơm điển hình nói chung hệ thống trạm nhiều bơm cấp lỏng cho bồn hở nói riêng Từ rút nhận xét, đánh giá, để đề xuất phương án thiết kế thân Ý nghĩa khoa học thực tiễn a) Ý nghĩa khoa học đề tài Nắm nguyên lý hoạt động hệ thống để giảm thiểu tối đa rủi ro trình vận hành hệ thống, nâng cao tính ổn định, bền vững hệ thống b) Ý nghĩa thực tiễn đề tài Tính tốn thiết kế mặt bằng, trang thiết bị cần thiết, xây dựng sơ đồ nguyên lý, sơ đồ điều khiển, chương trình điều khiển cho trạm nhiều bơm cấp lỏng cho bồn hở CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ DỰ ÁN THIẾT KẾ TRẠM NHIỀU BƠM CẤP LỎNG CHO BỒN HỞ 1.1 Các thông số kỹ thuật cần thiết trạm nhiều bơm cấp lỏng cho bồn hở 1.1.1 Khái niệm chung Bơm máy thủy lực dùng để hút đẩy chất lỏng từ nơi đến nơi khác Chất lỏng dịch chuyển đường ống nên bơm phải tăng áp suất chất lỏng đầu đường ống để thắng trở lực đường ống thắng hiệu áp suất đầu đường ống Năng lượng bớm cấp cho chất lỏng lấy từ động điện từ nguốn động lực khác (máy nổ, máy nước ) Điều kiện làm việc bơm khác (trong nhà, trời, độ ẩm, nhiệt độ v.v ) bơm phải chịu tính chất hóa lý chất lỏng cần vận chuyển 1.1.2 Sơ đồ phẩn tử hệ thống bơm Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống bơm Bơm hút chất lỏng từ bể hút qua lọc 3, qua ống hút 5, qua van 6, van đẩy chất lỏng qua ống đẩy vào bể chứa Động lai dùng để quay bơm 2, 11 đồng hồ thị cửa hút 12 đồng hồ thị cửa đẩy 1.1.3 Đặc tính thơng a) Đặc tính bơm • Bơm ly tâm số kỹ thuật loại bơm Bơm ly tâm loại bơm động học có cánh quạt sử dụng rộng rãi kéo động điện Bơm ly tâm loại phổ biến bơm nhiều loại chất lỏng khác (nước, axit, kiềm ), giải lưu lượng rộng (từ vài l/phút – vài m3/s), có cấu tạo đơn giản, gọn nhẹ, chắn, giá thành hạ Hình 1.2: Cấu tạo bơm ly tâm Các phận bơm ly tâm bao gồm: Vỏ bơm 1: có dạng trơn ốc Trục Guồng động có gắn cánh cong Miệng hút Miệng đẩy Trước chạy bơm ly tâm, phải mồi nước qua ống 10 để buồng trôn ốc ống - - hút chứa đẩy nước Khi động kéo bơm quay, guồng động có ánh cong gây lực ly tâm làm chất lỏng rãnh bị nén đẩy đuôi cánh cong vào buồng trôn ốc Do diện tích mặt cắt buồng trơn ốc tăng dần nên lưu tốc chất lỏng giảm dần, phần động chất lỏng thành áp dồn chất lỏng vào ống đẩy Nhược điểm bơm ly tâm khơng có khả hút nước lúc ban đầu (phải mồi) lưu lượng Q phụ thuộc vào cột áp H Hình 1.3: Các đặc tính cơng tác bơm ly tâm Lý thuyết thực nghiệm cho thấy: tốc độ quay n bơm giữ nguyên cột áp H, công suất N hiệu suất ƞ hàm số lưu lượng Q Các quan hệ H = H(Q), N = N(Q), ƞ = ƞ(Q) gọi đặc tính riêng bơm Đường cong H = H(Q) Q = Q(H) cho biết khả làm việc bơm nên gọi đường đặc tính làm việc bơm Nhận xét: cơng suất N có trị số cực tiểu lưu lượng Lúc động truyền động mở máy dễ dàng Do ta khóa van ống đẩy để Q = Sau thời gian ngắn khoảng phút mở van để tránh bớm chất lỏng bị nóng cơng suất động chuyển hồn tồn thành nhiệt Hơn lúc mở máy dòng động lớn gây nguy hiểm cho động Q ≠ • Bơm pitton Bơm pitton loại bơm thể tích có ngun lý làm việc đơn giản Khi động quay quanh trục O, kéo theo hệ thống biên maniven 3, chuyển động quay biến thành chuyển động tịnh tiến qua lại pitton, A1 A2 tương úng với điểm chết C1 C2 Khi pitton dịch chuyển sang trái thể tích buồng làm việc tăng lên, áp suất chất lỏng xi lanh giảm nhỏ áp suất bề mặt thống bể hút Lúc giai đoạn hút Khi pitton dịch sang phải thể tích buồng làm việc giảm đi, áp suất chất lỏng xi lanh tăng cao Lúc van hút bị đóng lại, van đẩy bị mở chất lỏng xi lanh bị dồn vào ống đẩy Đó giai đoạn đẩy Hình 1.4: Cấu tạo bơm pitton Hai giai đoạn hút đẩy tạo thành chu kỳ làm việc bơm Các chu kỳ liên tục nối tiếp Từ cách làm việc pitton ta thấy: Ống hút ngăn cách với ống đẩy Chuyển động chất lỏng không đều, lưu lượng bị dao động vf gần không - - phụ thuộc vào áp suất bơm Hình 1.5: Các đặc tính bơm pitton - Áp suất bơm: cột áp bơm cao (tương ứng với độ bền bơm - công suất động kéo bơm) Với lưu lượng bơm pitton cồng kềnh khó chế tạo (kín, khít ) so với bơm ly tâm Do vậy, vùng áp suất thấp trung bình người ta dùng bơm pitton, vùng áp suất cao cao (trên 200at) bơm pitton chiếm ưu tuyệt đối (như hệ thống truyền động dầu, vòi phun nhiên liệu động diezen, hệ thủy lực dùng máy bay ) Thông số kỹ thuật loại bơm Cột áp H (áp suất bơm): lượng tăng lượng riêng cho đơn vị trọng b) • lượng chất lỏng chảy qua bơm (từ miệng hút đến miệng đẩy bơm) Cột áp H thường tính mét cột chất lỏng (hay mét cột nước) tính đổi áp suất bơm P = γ H = ρ g H (1-1) Trong đó: γ - ρ : trọng lượng riêng chất lỏng bơm (N/m3) : khối lượng riêng chất lỏng (kg/ m3) g : gia tốc trọng trường Cột áp H bơm dùng để khắc phục: Độ chênh lệch chất lỏng bể hút bể chứa Hb + Hd [m] Độ chênh áp suất hai mặt thoáng bể hút (p1) bể chứa (p2) p2 − p1 p2 − p1 = γ ρ g Trở thủy lực (tổn thất lượng đơn vị) ống hút ∑ hh ống đẩy v 2 Độ chênh lệch áp suất động học (động năng) hai mặt thoáng ∑ hd + v1 2.g + p − p1 H = (Hh + H d ) + + ∑ hh + ∑ hd + v v1 ρ g 2.g (1-2) Trở thủy lực ống hút ống đẩy tính theo cơng thức ∑ hh ∑ hd =v λhlh + ∑ ξh ) g dh =v h ( (1-3) λd ld + ∑ ξd ) g dd d ( (1-4) Trong đó: - vh, vd: vận tốc chất lỏng ống hút ống đẩy (m/s) λh, λd: hệ số trở lực ma sát ống hút ống đẩy lh, ld, dh, dd: chiều dài đường kính ống hút ống đẩy (m) ∑ ξh ∑ ξd - , : tổng hệ số trở lực cục ống hút ống đẩy 10 Hình 3.5: Sơ đồ mạch điều khiển bơm dùng rơle trung gian Điện áp 220V từ mạch động lực cấp nguồn hoạt động cho PLC, điện áp 24VDC từ mạch động lực cấp nguồn cho module đầu vào, Để đảm bảo số lượng đầu vào tín hiệu bơm thiết bị điện toàn trạm, bao gồm sử dụng cho giám sát điều khiển, trạm PLC bao gồm module nguồn, CPU, module đầu vào/ra Trạm PLC kết nối module T-link để lấy tín hiệu, điều khiển trực tuyến thơng qua máy tính phòng điều khiển Các tiếp điểm nút ấn, cảm biến đưa vào rơ le trung gian, giúp tiếp điểm tác động vào nhiều vị trí, mạch điều khiển, chương trình PLC thơng báo cho trạng thái hoạt động 35 Hình 3.6: sơ đồ rơle trung gian nút ấn cảm biến Tác động từ tiếp điểm rơle trung gian điều khiển cuộn hút contactor Với contactor cấp điện, tiếp điểm contactor phân bố mạch điều khiển động đóng,mở tùy theo thiết kế điều khiển,nối liền mạch cung cấp điện cho bơm hoạt động ngắt mạch để ngừng sử dụng bơm, thay thế, dự phòng hay dừng hệ thống 36 Hình 3.7: Sơ đồ tín hiệu đầu vào PLC 3.2 Xây dựng chương trình điều khiển cho trạm nhiều bơm cấp lỏng cho bồn hở 3.2.1 Xây dựng thuật toán điều khiển a) Thuật tốn chọn chế độ bơm 37 Hình 3.8: Thuật toán chọn chế độ bơm Khi bắt đầu ta kiểm tra hệ thống sẵn sàng làm việc hay chưa (khối SS) chọn chế độ hoạt động tự động (Auto) sai kết thúc (End) Tiếp theo ta kiểm tra chế độ tự động khởi dộng chế độ tự động (A), sai chọn chế độ tay (Manual) Tiếp theo kiểm tra chế độ tay khởi động hệ thống hoạt động theo chế độ tay (M), sai 38 chọn chế độ hoạt động từ xa (Remote) Tiếp theo kiểm tra chế độ từ xa khởi động chế độ từ xa (RM), sai quay lại điều kiện kiểm tra hệ thống hoạt động b) Thuật toán chế độ tay Hình 3.9: Thuật tốn điều khiển tay 39 Chạy chế độ tay (M) Ta kiểm tra hoạt động bơm (1), kiểm tra chạy bơm (B1=1), sai chạy bơm (2) B1=1, chạy bơm (Start B1 tay) sai dừng bơm (Stop B1 tay) Chọn bơm 2, kiểm tra chạy bơm (B2=1), sai chạy bơm (3) B2=1, chạy bơm (start B2 tay) sai dừng bơm (Stop B2 tay) Chọn bơm 3, kiểm tra chạy bơm (B3=1), sai chạy bơm (4) B3=1, chạy bơm (start B3 tay) sai dừng bơm (Stop B3 tay) Chọn bơm 4, kiểm tra chạy bơm (B4=1), sai chạy bơm (5) B4=1, chạy bơm (start B4 tay) sai dừng bơm (Stop B4 tay) Chọn bơm 5, kiểm tra chạy bơm (B5=1), sai kết thúc chương trình B5=1, chạy bơm (start B5 tay) sai dừng bơm (Stop B5 tay) c) Thuật toán chế độ từ xa Chạy chế độ từ xa (RM) Ta kiểm tra hoạt động bơm (1), kiểm tra chạy bơm (B1=1), sai chạy bơm (2) B1=1, chạy bơm (Start B1 từ xa) sai dừng bơm (Stop B1 từ xa) Chọn bơm 2, kiểm tra chạy bơm (B2=1), sai chạy bơm (3) B2=1, chạy bơm (start B2 từ xa) sai dừng bơm (Stop B2 từ xa) Chọn bơm 3, kiểm tra chạy bơm (B3=1), sai chạy bơm (4) B3=1, chạy bơm (start B3 từ xa) sai dừng bơm (Stop B3 từ xa) Chọn bơm 4, kiểm tra chạy bơm (B4=1), sai chạy bơm (5) B4=1, chạy bơm (start B4 từ xa) sai dừng bơm (Stop B4 từ xa) 40 Chọn bơm 5, kiểm tra chạy bơm (B5=1), sai kết thúc chương trình B5=1, chạy bơm (start B5 từ xa) sai dừng bơm (Stop B5 từ xa) Hình 3.10: Thuật tốn điều khiển từ xa 41 d) Thuật toán chọn bơm chủ Khi bắt đầu ta chọn bơm làm bơm chủ (1) chạy bơm (A(1)), sai chọn bơm làm bơm chủ (2) Kiểm tra chế độ hoạt động bơm chạy bơm (A(2)), sai chọn bơm làm bơm chủ (3) Tiếp theo kiểm tra chế độ hoạt động bơm chạy bơm (A(3)) sai chọn bơm (4) làm chủ Tiếp theo kiểm tra chế độ hoạt động bơm chạy bơm (A(4)) sai chọn bơm (5) làm bơm chủ Cuối kiểm tra chế độ hoạt động bơm chạy bơm (A(5)) sai chọn bơm làm chủ Hình 3.11: Thuật tốn chọn bơm chủ 42 e) Thuật toán chế độ tự động Bắt đầu ta chọn bơm làm bơm chủ, thực khởi động hệ thống (start tự động), kiểm tra mức nước bể thứ cấp mức đầy (DN=1) đưa cảnh báo cố dừng hệ thống (reset), sai kiểm tra mức nước cạn bể thứ cấp Mức nước bể cạn báo cố Mức nước bể thứ cấp không trạng thái đầy hay cạn nước hệ thống lúc trạng thái sẵn sàng làm việc (SS) ta kiểm tra mức nước thấp bể sơ cấp (a=1, b=c=d=0) Các cảm biến mức nước bể sơ cấp sử dụng cảm biến mức logic Cảm biến a: mức nước thấp bể sơ cấp, cảm biến b: mức nước trung bình bể sơ cấp, cảm biến c: mức nước cao bể sơ cấp, cảm biến d: mức nước đầy bể sơ cấp Nếu cảm biến áp suất bơm thõa mãn chạy bơm sai quay lại kiểm tra điều kiện hệ thống sẵn sàng hoạt động Bơm chạy ta tiếp tục kiểm tra mức nước bể sơ cấp, mức nước cảm biến b phát (a=b=1, c=d=0) ta kiểm tra hoạt động bơm sai quay lại kiểm tra điều kiện hệ thống sẵn sàng làm việc Nếu cảm biến áp suất bơm thỏa mãn chạy bơm 2, sai quay lại điều kiện hệ thống sẵn sàng làm việc Bơm chạy ta kiểm tra mức nước bể sơ cấp, mức nước đạt đến trạng thái cảm biến c (a=b=c=1, d=0) kiểm tra bơm tương tự bơm Bơm hoạt động kiểm tra mức nước đầy bể, cảm biến d phát (a=b=c=d=1) kiểm tra hai bơm 4, hoạt động tương tự bơm 43 Hình 3.12: Thuật tốn chế độ tự động 3.2.2 Chương trình điều khiển PLC a) Khai báo PLC Đầu tiên ta khởi động phần mềm step 7, chọn trạm PLC s7 – 300, sau ta khai báo cấu hình cho trạm: 44 Hình 3.13: Khai báo cấu hình trạm Trạm gồm có: - Slot 1: module nguồn, chọn nguồn ni PS 307 5A Slot 2: module CPU 316 – DP Slot 3: để trống Slot 4: module vào số DI32xDC24V Slot 5: module vào số DI32xDC24v Slot 6: module số DO32xDC24V/0.5A Slot 7: module số DO32xDC24V/0.5A Slot 8: module vào tương tự AI8x12Bit Ta khai báo tên biến: 45 Hình 3.14: khai báo biến b) - Xây dựng chương trình điều khiển Chế độ điều khiển tay 46 Hình 3.15: Chương trình PLC chế độ tay Đầu tiên ta nhấn nút I0.0 gán bit nhớ M0.0 lên để chọn chế độ điều khiển tay, sau ta nhấn nút I0.3 để khởi động tay cho bơm 1, cuộn hút Q0.0 Q0.1 cấp điện, bơm khởi động chế độ Sau thời gian đặt trước 5s, thời gian T1 tác động ngắt điện Q0.1 cấp nguồn Q0.2, bơm khởi động chế độ tam giác Các bơm 2, 3, 4, khởi động tương tự 47 KẾT LUẬN Sau khoảng thời gian tuân thực đồ án môn học, với nỗ lực thân với giúp đỡ thầy bạn, đến e hoàn thành đề tài “Thiết kế điều khiển tự động cho trạm nhiều bơm cấp lỏng cho bồn hở” Trong đề tài em tìm hiểu thực yêu cầu sau: - Tìm hiểu hệ thống trạm nhiều bơm cấp lỏng cho bồn hở Lựa chọn thiết bị cho điện cho trạm Thiết kế vẽ mạch động lực, mạch điều khiển, mạch trung gian Ứng dụng PLC lập trình điều khiển Tuy nhiên thời gian có hạn trình độ thân nhiều hạn chế nên đề tài thực nhiều thiếu sót Em mong nhận bảo, sữa chữa đóng góp ý kiến thầy để em thực hoàn thành tốt Một lần em xin chân thành cảm ơn bảo PGS.TS Hồng Xn Bình q trình thực đề tài Em xin chân thành cảm ơn! Hải phòng, ngày 10 tháng năm 2018 Sinh viên thực Vũ Thành Đạt 48 Tài liệu tham khảo [1] PGS.TS Hoàng Xuân Bình, Bài giảng điều khiển trình, Khoa điện – điện tử, Đại học Hàng Hải Việt Nam [2] PGS.TS Hồng Xn Bình, Trang bị điện – điện tử máy công nghiệp dùng chung, Khoa điện – điện tử, Đại học Hàng Hải Việt Nam [3] Vũ Văn Tẩm, Ngô Hồng Quang, Giáo trình thiết kế cấp điện, nhà Xuất Giáo dục Việt Nam 49 ... 22 giác động TH điều khiển khởi động động TH điều khiển cấp nguồn động TH điều khiển khởi động tam giác động TH điều khiển khởi động động TH điều khiển cấp nguồn động TH điều khiển khởi động tam... gian làm việc bơm đồng 1.3 Đề xuất phương án thiết kế Phương án thiết kế cho trạm nhiều bơm cấp lỏng cho bồn hở đề xuất sau: Thiết kế trạm nhiều bơm cấp lỏng cho bồn hở, cung cấp nước cho khu vực... điều khiển tự động cho trạm nhiều bơm cấp lỏng cho bồn hở có mặt thực tiễn b) Phạm vi nghiên cứu Đồ án môn học giới hạn nghiên cứu, thiết kế trạm nhiều bơm cấp lỏng cho bồn hở sử dụng việc cấp