Thiết kế điều khiển cho trạm có nhiều bơm tăng áp 2 cấp

Báo cáo Đồ án môn học Trang bị điện 2Thiết kế điều khiển cho trạm có nhiều bơm tăng áp 2 cấp Báo cáo Đồ án môn học Trang bị điện 2Thiết kế điều khiển cho trạm có nhiều bơm tăng áp 2 cấp Báo cáo Đồ án môn học Trang bị điện 2Thiết kế điều khiển cho trạm có nhiều bơm tăng áp 2 cấp Báo cáo Đồ án môn học Trang bị điện 2Thiết kế điều khiển cho trạm có nhiều bơm tăng áp 2 cấp

Trang 1

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 4

1 Tính cấp thiết của đề tài 4

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài 4

3 Đối tương và phạm vi nghiên cứu 4

4 Phương pháp nghiên cứu 4

5 Ý nghĩa khoa học của đề tài 5

CHƯƠNG 1: XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN CHO TRẠM BƠM 2 CẤP 6

1.1 Đề xuất phương án thiết kế 6

1.2 Sơ đồ P&ID cho trạm bơm 8

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN, XÂY DỰNG MẠCH ĐỘNG LỰC MẠCH ĐIỀU KHIỂN 11

2.1 Lựa chọn các thiết bị thu thập tín hiệu phục vụ điều khiển 11

2.1.1 Relay áp suất 11

2.1.2 Bơm 11

2.1.3 Aptomat 12

2.1.4 Công tắc tơ 13

2.1.5 Relay mực nước 13

2.2 Xây dựng mạch cấp nguồn, mạch động lực cho trạm bơm tăng áp 2 cấp 15

2.2.1 Mạch cấp nguồn 15

2.2.2 Mạch động lực 18

2.2.3 Mạch relay trung gian 20

Trang 2

2.3 Xây dựng mạch điều khiển cho trạm bơm tăng áp 2 cấp 24

2.3.1 Mạch đấu nối PLC 25

2.3.2 Mạch đèn báo giám sát 29

2.3.3 Bố trí các tủ điều khiển và giám sát 33

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO TRẠM BƠM TĂNG ÁP 2 CẤP 35

3.1 Xây dựng thuật toán điều khiển 35

3.2 Xây dựng chương trình điều khiển 35

KẾT LUẬN 43

TÀI LIỆU THAM KHẢO 44

DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 1: Sơ đồ khối thực thi hệ thống 7

Hình 1 2: Sơ đồ P&ID trạm bơm chất lỏng tăng áp 2 cấp 8

Hình 2 2: Hình ảnh về relay SAGINOMIYA SNS-C135X 11

Hình 2 3: Hình ảnh về bơm HVP3150-122 20 12

Hình 2 4: Hình ảnh về aptomat LS 13

Hình 2 5: Hình ảnh về Contactor 3P LS MC-50A 13

Hình 2 6: Hình ảnh về relay omron 3 cực 15

Hình 2 7: Sơ đồ lắp đặt relay mực nước omron 3 cực 15

Hình 2 8: Mạch cấp nguồn cho hệ thống 17

Hình 2 9: Mạch động lực của động cơ 19

Hình 2 10: Mạch relay trung gian của relay thứ tự pha và relay nhiệt 21

Hình 2 11: Mạch relay trung gian cho relay áp suất thấp 22

Trang 3

Hình 2 14: Mạch đầu vào số PLC(1/2) 26

Hình 2 15: Mạch đầu vào số(2/2) 27

Hình 2 16: Mạch đầu ra số PLC 28

Hình 2 17: Mạch đèn báo (1/3) 30

Hình 2 20: Tủ cấp nguồn và điều khiển 33

Hình 2 21: Tủ giám sát động cơ bơm 1 và 2 33

Hình 2 22: Tủ giám sát động cơ bơm 3 và 4 34

Hình 3 1: Sơ đồ thuật toán điều khiển 35

Hình 3 2: Cấu hình trạm PLC 36

Hình 3 3: Bảng khai báo biến 36

Hình 3 4: Chương trình điều khiển (1/7) 37

Hình 3 11: Thực hiện mô phỏng trên step7 42

DANH MỤC BẢNG Bảng 1 1: Ký hiệu các phần tử được dùng trong hệ thống 9

Trang 4

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay với sự phát triển không ngừng của nền khoa học kỹ thuật, tự động hóa có vai trò rất quan trọng trong mọi lĩnh 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 mà đề tài: “Thiết kế điều khiển cho trạm có nhiều

bơm tăng áp 2 cấp” nhằm giải quyết những khó khăn về tự động hóa trong

việc điều khiển một trạm bơm tăng áp 2 cấp rất phổ biến hiện nay

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Thiết kế điều khiển cho trạm có nhiều bơm tăng áp 2 cấp

3 Đối tương và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu:

Hệ thống bơm tăng áp 2 cấp

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

Về mặt lý thuyết : Tìm hiểu về cấu trúc chung cho một hệ thống điều khiển trạm bơm tăng áp 2 cấp

Trang 5

Về mặt mô phỏng điều khiển: sử dụng phần mềm Step 7 xây dựng khâu điều khiển

5 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Ý nghĩa khoa học của đề tài

Nắm rõ nguyên lý làm việc của hệ thống để xây dựng hệ thống diều khiển quá trình vận hành hệ thống bơm tăng áp 2 cấp, tăng tính ổn định, bền vững cho

hệ thống

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Xây dựng hệ thống điều khiển hoạt động của trạm bơm có nhiều bơm tăng áp

2 cấp có khả năng áp dụng vào thực tiễn

Trang 6

CHƯƠNG 1: XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN CHO TRẠM

BƠM 2 CẤP 1.1 Đề xuất phương án thiết kế

Trong thực tế, không phải lúc nào đường ống dẫn cũng duy trì được một mức áp lực nhất định mà nó sẽ thay đổi, càng đi xa hay càng lên cao thì áp lực

sẽ càng thấp và cũng có thể do trong quá trình hoạt động xảy ra sự cố như chất lỏng bị rò rỉ Hệ thống bơm chất lỏng tăng áp thường được sử dụng trong trường hợp cần truyền tải chất lỏng đi xa, hay truyền tải chất lỏng lên cao Khi đó, hệ thống bơm được mắc nối tiếp với nhau nhằm tăng cột áp cho hệ thống

Các bơm hầu như không đòi hỏi thay đổi tốc độ nên phổ biến là dùng động

cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha rotor lồng sóc, mở máy trực tiếp (nếu công suất nhỏ) hay đổi nối sao tam giác nếu công suất động cơ lớn

Hiện nay do yêu cầu kích thước gọn nhẹ, độ tin cậy cao nên tự động hóa là

xu hướng phát triển chung trong thực tế chế tạo vận hành các hệ thống Các hệ thống bơm chất lỏng bồn kín, tự động hóa nhằm đạt được mục đích yêu cầu sau đây:

- Giảm bớt hoặc giảm hẳn sự phục vụ của con người đối với sự hoạt động của hệ thống

- Nâng cao tính kinh tế, tính an toàn, độ tin cậy và tuổi thọ hệ thống

- Nâng cao hiệu suất làm việc

Dựa trên các tiêu chí trên em xin đề xuất phương án thiết kế điều khiển cho 1 trạm bơm tăng áp 2 cấp như sau:

Động cơ bơm:

- Trạm bơm bao gồm 4 bơm tăng áp

Trang 7

- Động cơ lựa chọn là loại động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha rotor lồng sóc

- Công suất từ 20-30KW

Các chế độ vận hành :

- Chế độ vận hành bằng tay, điều khiển sự hoạt động của hệ thống tại chỗ

- Chế độ điều khiển từ xa bằng máy tính

Xây dựng phương án điều khiển

Hình 1 1: Sơ đồ khối thực thi hệ thống

Hình 1.1 trình bày cấu trúc của hệ thống điều khiển trạm bơm từ xa qua mạng truyền thông kết hợp PLC và máy tính

Máy tính đóng vai trò là hệ thống điều khiển đưa ra các lệnh điều khiển

từ xa ở phòng điều khiển trung tâm đồng thời nhận mọi thông tin từ hệ thống, đưa ra các chỉ thị để kiểm soát hệ thống

Computer

P L C

Trang 8

PLC đóng vai trò trung gian khi giao tiếp giữa hệ thống bơm và hệ thống máy tính, nhận lệnh từ máy tính và thực hiện điều khiển trực tiếp các bơm, đồng thời thu thập các thông tin cần thiết về hệ thống và phản hồi lại máy tính qua hệ thống mạng truyền thông công nghiệp

Việc điều khiển hệ thống bơm cũng có thể được thực hiện tại hiện trường Khi một hệ thống bơm ở mức tự động hóa cao thì việc áp dụng các thuật toán điều khiển là hoàn toàn cần thiết để đảm bảo tuyệt đối tính an toàn, kinh tế

và chỉ tiếu chất lượng

1.2 Sơ đồ P&ID cho trạm bơm

Hệ thống bơm chất lỏng tăng áp thường được sử dụng trong trường hợp cần truyền tải chất lỏng đi xa Vì vậy, ta xây dựng sơ đồ P&ID cho hệ bơm tăng giảm áp 2 cấp sử dụng 4 bơm, được chia làm hai tầng mắc nối tiếp nhau, mỗi tầng có 2 bơm mắc song song với nhau Với cách thiết kế này, sự làm việc luân phiên được đảm bảo (mỗi tầng bơm đều có 1 bơm chạy chính và 1 bơm chạy dự phòng) Các vị trí lắp đặt thiết bị đo được thể hiện trong sơ đồ công nghệ hệ

thống bơm chất lỏng tăng áp 2 cấp hình 1.2

Hình 1 2: Sơ đồ P&ID trạm bơm chất lỏng tăng áp 2 cấp

M2 M1

M4

PG 04

PG 05 PT 05

PG 03 PT 03

PG 06 PT 06

PG 01 PT 01

PG 02 PT 02

H

L

Trang 10

M : động cơ truyền động

Thuyết minh sơ đồ P&ID:

Tại thời điểm khi bắt đầu ấn nút start, hệ thống sẽ sẵn sàng hoạt động (với điều kiện mức nước cung cấp cho bơm luôn đủ) Nếu nước được sử dụng hoặc

bị rò rỉ trong khi các bơm đang dừng, áp suất sẽ giảm và công tắc áp suất đặt ở chế độ cao bị đóng dẫn đến bơm thứ nhất sẽ khởi động Ở cấp tăng áp thứ nhất thì bơm sẽ bơm nước tăng áp cho hệ thống Trong quá trình vận hành, nếu bơm chính 1 bị sự cố thì bơm dự phòng số 2 sẽ được đưa vào hoạt động, nước được

cấp vào và khi đi qua bơm tăng áp cấp 1 đều sẽ được qua 1 bộ lọc

Nếu lưu lượng nước cấp nhiều hơn lưu lượng của 1 bơm, áp suất sẽ tiếp tục bị giảm xuống, dẫn đến công tắc áp suất tiếp theo bị đóng và bơm thứ hai khởi động Trong quá trình vận hành, nếu bơm chính 3 bị sự cố thì bơm dự phòng số 4 sẽ được đưa vào hoạt động Khi nguồn cung cấp đầy áp và lưu lượng nước xả bị giảm, áp lực của hệ thống được nâng lên, làm cho công tắc áp suất

Trang 11

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN, XÂY DỰNG MẠCH ĐỘNG LỰC MẠCH

ĐIỀU KHIỂN 2.1 Lựa chọn các thiết bị thu thập tín hiệu phục vụ điều khiển

Trang 12

• Nhà sản xuất: NATION PUMP (NTP)

• Xuất xứ: Đài Loan

Hình 2 2: Hình ảnh về bơm HVP3150-122 20

2.1.3 Aptomat

Để đóng ngắt không thường xuyên trong các mạch điện người ta sử dụng các aptomat Cấu tạo aptomat gồm hệ thống các tiếp điểm có bộ phận dập hồ quang, bộ phận tự động cắt mạch để bảo vệ quá tải và ngắn mạch Bộ phận cắt mạch điện bằng tác động điện từ theo dòng cực đại Khi dòng vượt quá trị số cho phép chúng sẽ cắt mạch điện để bảo vệ thiết bị

Ta chọn loại aptomat loại LS

Trang 14

+ Gồm bộ giữ điện cực gồm 3 que điện cực được nhúng vào trong bể chứa nước, chất lỏng đo lưu lượng bằng các que điện cực truyền kết quả về bộ báo mức của hệ thống giám sát, kích hoạt hệ thống làm việc điều khiển bơm nước vào hoặc ra

+ Khi bể chứa đầy hoặc cạn cảm biến có que cắm điện có độ dài khác nhau, que 3 dài nhất làm chuẩn cho 2 que còn lại giúp so sánh điện trở Khi điện trở xuống mức que thứ 2 khi đó sẽ dẫn tới sự chênh lệch điện trở giữa các que, ngay lúc đó, cảm biến sẽ điều khiển bơm nước vào

+ Khi nước vào bể chứa đầy, dâng cao lên que 1, bộ điều khiển tự động đo điện trở giữa que 1 và que 2 Điện rẻo que 2 lớn hơn điện trở que 1, hệ thống báo tự động đế bộ cảm biến và ngừng cấp nước Loại cảm biến này hoạt động dựa theo nguyên tắc so sánh điện trở giữa các que

Ta lựa chọn relay OMRON 3 cực với các thông số:

Trang 15

Hình 2 5: Hình ảnh về relay omron 3 cực

Hình 2 6: Sơ đồ lắp đặt relay mực nước omron 3 cực

2.2 Xây dựng mạch cấp nguồn, mạch động lực cho trạm bơm tăng áp 2 cấp 2.2.1 Mạch cấp nguồn

- Các phần tử trong bản vẽ 01:

- Cầu dao tự động 1MCCB có chức năng đóng cắt nguồn điện cấp cho toàn

hệ thống trong mạch điện

- Cầu dao tự động 2MCCB có chức năng đóng cắt nguồn điện cấp cho

mạch điều khiển 220V xoay chiều và mạch điều khiển nguồn 24V một chiều

- Máy biến áp xoay chiều 1TR: có chức năng biến đổi điện áp xoay chiều

380V xuống 220V để cấp nguồn cho đèn báo 1WL và vôn kế 1VM

Trang 16

- Máy biến áp xoay chiều 2TR: có chức năng biến đổi điện áp xoay chiều

380V xuống 220V để tạo ra nguồn điều khiển 24V

- Bộ chuyển đổi xoay chiều thành một chiều Rectifier (24VAC/24VDC):

có chức năng biến đổi điện áp xoay chiều 24VAC thành điện áp một chiều 24VDC

- 1RF – Relay Phase : Relay thứ tự pha

- Công tắc tơ 1MC có chức năng đóng cắt nguồn điện cho mạch động lực

Trang 17

Hỡnh 2 7: Mạch cấp nguồn cho hệ thống

GVHD Nguời vẽ Ngô Vă n Phong

PGS.TS Hoàng Xuân Bình Tr- ờng đạ i học Hàng hải Việt Nam-Khoa điện-điện tử Bản vẽ số 01

Mạ ch cấp nguồn

Trang 18

Nguyên lý hoạt động:

Trên hình 2.6 thể hiện sơ đồ cấp nguồn động lực cho hệ thống Nguồn điện 3 pha 380V được lấy từ phía hạ áp của máy biến áp sẽ được đưa tới thanh dây cái Từ nguồn 3 pha 380VAC, được đóng cắt bới 1 aptomat 1MCCB, sau 1MCCB nguồn được chia thành nhiều nhánh Nhánh thứ nhất đi tới aptomat 2MCCB qua 2 cầu chì 4F, 5F đóng cắt nguồn cho biến áp 2TR, 2TR là biến áp 1 pha 3 cuộn dây để lấy ra được ở đầu ra 2 cấp điện áp là 220VAC và 24VAC Nguồn ra 220VAC được đưa tới các mạch rơle trung gian tại bản vẽ số 03, nguồn ra 24VAC được đưa tới cầu chỉnh lưu để tạo ra điện áp 1 chiều 24VDC và đưa tới cấp cho PLC tại bản vẽ số

07

Nhánh tiếp theo trên trục 3 pha đi tới 1 rơ le thứ tự pha 1RF qua 3 cầu chì 8F, 9F, 10F để đảm bảo đúng thứ tự pha RST Các tiếp điểm của rơ le 1RF được đưa tới các bản vẽ số 10 và 02 để thực hiện việc điều khiển việc đóng cắt của công tắc

tơ 1MC và đèn báo đảo pha, cấp nguồn động lực cho các động cơ lai máy nén lạnh khi đúng thứ tự pha tránh việc đảo chiều của các động cơ Sau công tắc tơ 1MC, nguồn 3 pha được đưa tới bản vẽ 02 thực hiện cấp nguồn cho các động cơ bơm tăng

- 1RHT … 4RHT : Relay nhiệt bảo vệ quá tải động cơ

- M1, M2, M3, M4: động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha roto lồng

Trang 19

Hỡnh 2 8: Mạch động lực của động cơ

Nguời vẽ GVHD

Ngô Vă n Phong PGS.TS Hoàng Xuân Bình Tr- ờng đạ i học Hàng hải Việt Nam-Khoa điện-điện tử Bản vẽ số 02

Mạ c động lực

Trang 20

Thuyết minh bản vẽ:

Nguồn 3 pha được đi qua các aptomat 1MCB…4MCB, qua các công tắc tơ 1M, 4M, 7M, 10M để chạy các máy bơm, qua các relay nhiệt 1RHT…4RHT, qua các công tắc tơ 2M, 5M, 8M, 11M đề khởi động tam giác, công tắc tơ 3M, 6M, 9M, 12M để khởi động sao và tới các động cơ M1 M4

2.2.3 Mạch relay trung gian

- Bản vẽ số 03:

Mạch relay trung gian được lấy nguồn 220 VAC tại mạch cấp nguồn bản vẽ số

01, mạch relay trung gian thực hiện đóng cắt nguồn 220VAC cho các cuộn hút của các relay trung gian 1RL, 2RL, 3RL, 4RL, được khống chế bởi các tiếp điểm của relay nhiệt 1RHT, 2RHT, 3RHT, 4RHT trên sơ đồ động lực động cơ bơm để bảo

vệ quá tải cho động cơ Khi có hiện tượng đảo pha tiếp điểm relay pha 1RF mở ra cắt nguồn cấp cho relay trung gian 1MC

- Bản vẽ số 04 và 05:

Mạch relay trung gian thực hiện đóng cắt nguồn 220VAC cho các cuộn hút của các relay trung gian 5RL, 6RL, 7RL, 8RL, được khống chế bởi các tiếp điểm của relay áp suất thấp 1LPR, 2LPR, 3LPR, 4LPR

Mạch relay trung gian thực hiện đóng cắt nguồn 220VAC cho các cuộn hút của các relay trung gian 9RL, 10RL, 11RL, được khống chế bởi các tiếp điểm của relay áp suất cao 1HPR, 2HPR và relay mực nước 1LVR

- Bản vẽ số 06: Mạch relay trung gian thực hiện đóng cắt nguồn 220VAC cho các cuộn hút của các công tắc tơ 1M, 2M…11M, 12M, được khống chế bởi các tiếp điểm của relay trung gian 12RL, 13RL…22RL, 23RL Các tiếp điểm đóng cắt các cuộn hút của các công tắc tơ tương ứng sẽ thực hiện việc khởi động động

Trang 21

Nguời vẽ GVHD

Mạ c rơ le trung gian của relay thứ tự pha và relay nhiệt

Trang 22

Nguêi vÏ Ng« V¨ n Phong

M¹ ch relay trung gian

Trang 23

Nguời vẽ GVHD

Mạ ch relay trung gian cho relay

á p suất cao và relay mực n- ớ c

Trang 24

Nguêi vÏ GVHD

M¹ ch relay trung gian cho c«ng t¾c t¬

Trang 25

2.3 Xây dựng mạch điều khiển cho trạm bơm tăng áp 2 cấp

2.3.1 Mạch đấu nối PLC

- Bản vẽ số 07 và 08

- START, STOP : Nút ấn start, stop

- I0.0, I0.1 … : Đầu vào của PLC

- 1RL…11RL : Các tiếp điểm của các relay trung gian tương ứng

Bản vẽ số 07 và 08 thực hiện việc đưa tín hiệu vào INPUT của PLC, nút ấn start, nút ấn stop, và các tiếp điểm của relay trung gian 1RL, 2RL…11RL, thực hiện đóng cắt nguồn 24VDC là tín hiệu logic đưa vào PLC

- Bản vẽ số 09

- Q0.0, Q0.1 … : Đầu ra của PLC

- 12RL…23RL : Các cuộn hút của các relay trung gian tương ứng

Thực hiện đưa các tín hiệu đầu ra OUTPUT của PLC đóng cắt nguồn 24VDC cho các cuộn hút của relay một chiều 12RL…23RL, các tiếp điểm của các relay này được đưa tới bản vẽ số 06 để thực hiện việc khống chế các công tắc tơ để điều khiển khởi động đổi nối sao-tam giác cho các động cơ bơm tăng áp

Định dạng
Số trang	44
Dung lượng	1,09 MB