Thiết kế truyền động điện và trang bị điện cho trạm lạnh công nghiệp có nhiều máy nén lạnh

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRẠM LẠNH CÔNG NGHIỆP .2 1.1 Khái quát chung hệ thống lạnh công nghiệp 1.1.1 Khái niêm tự động hóa hệ thống lạnh 1.1.2 Cấu trúc hệ thống lạnh công nghiệp 1.1.3 Phân loại thiết bị tự động hóa hệ thống lạnh 1.2 Các phương pháp làm lạnh 1.2.1 Làm lạnh trực tiếp 1.2.2 Làm lạnh gián tiếp 10 1.3 Máy nén lạnh 11 1.3.1 Khái niệm chung máy nén 11 1.3.2 Phân cấp để nâng cao hiệu suất làm việc máy nén 18 1.4 Môi chất làm lạnh chất tải lạnh 19 1.4.1 Môi chất lạnh 19 1.4.2 Chất tải lạnh 22 1.5 Thiết bị trao đổi nhiệt hệ thống lạnh 24 1.5.1 Thiết bị ngưng tụ 24 1.5.2 Thiết bị bay 25 CHƯƠNG : THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN VÀ TRANG BỊ ĐIỆN TRẠM LẠNH CÔNG NGHIỆP 26 2.1 Xây dựng phương án thiết kế cho hệ thống lạnh công nghiệp 26 2.1.1 Lựa chọn hệ thống lạnh 26 2.1.2 Giám sát hệ thống 28 2.1.3 Chu trình lạnh hệ thống lạnh 30 2.2 Xây dựng cấu trúc hệ thống lạnh 31 2.2.1 Các sensor sử dụng hệ điều khiển 32 2.2.2 Các van sử dụng hệ thống 40 2.2.3 Động dị 43 2.2.4 Bơm li tâm 44 2.3 Thiết kế tủ động lực 46 2.4 Xây dựng mạch động lực hệ thống 47 2.5 Xây dựng mạch điều khiển kết nối PLC 53 CHƯƠNG : XÂY DỰNG THUẬT TỐN VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN PLC 56 3.1 Tổng quan PLC-S7200 56 3.1.1 Giới thiệu PLC (Programmable Logic Control) (Bộ điều khiển logic khả trình) 56 3.1.2 Phạm vi ứng dụng 57 3.1.3 CẤU TRÚC PHẦN CỨNG PLC HỌ S7 58 3.2 Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển 68 3.3 Chương trình PLC 73 KẾT LUẬN 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 LỜI NÓI ĐẦU Trong năm qua, tự động hóa hệ thống lạnh có bước tiến nhảy vọt nhanh chóng tiếp thu thành kỹ thuật điện tử, thông tin ngành kỹ thuật khác Các trang thiết bị dụng cụ tự động hóa ngày phát triển hồn thiện Các hệ thống nhỏ trung thường tự động hóa hồn tồn, hệ thống lớn thường có trung tâm điều khiển, báo hiệu, báo động tự động bảo vệ Nhờ có tự động hóa mà hệ thống lạnh vận hành tự động, an tồn, kinh tế, hiệu tối ưu không cần tham gia thường xuyên công nhân vận hành Việc ứng dụng công nghệ PLC vào điều khiển tự động hệ thống lạnh kết hợp với việc ghép nối máy tính đem lại kết đầy tính ưu việt Các thiết bị, hệ thống đo lường điều khiển ứng dụng PLC ghép nối với máy tính có độ xác cao, thời gian xử lý liệu ngắn kể việc thống kê in kết Vì việc ứng dụng PLC vào điều khiển tự động vấn đề quan trọng tự động hóa trạm lạnh cơng nghiệp Xuất phát từ vấn đề nêu trên, với đề tài giao là: “Thiết kế truyền động điện trang bị điện cho trạm lạnh cơng nghiệp có nhiều máy nén lạnh” giúp em hiểu cấu trúc, cách vận hành điều khiển hệ thống lạnh công nhgiệp.Từ làm tảng quan trọng cho nguồn kiến thức em sau hoạt động hay làm việc hệ thống lạnh công nghiệp Với giúp đỡ bảo tận tình thầy PGS.TS Hồng Xn Bình thầy giáo mơn em hoàn thành nội dung đồ án Mặc dù cố gắng trình độ chuyên mơn có hạn nên đồ án cịn nhiều hạn chế Kính mong thầy bạn đóng góp ý kiến để đồ án hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn ! Sinh viên thực CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ TRẠM LẠNH CÔNG NGHIỆP 1.1 Khái quát chung hệ thống lạnh công nghiệp 1.1.1 Khái niêm tự động hóa hệ thống lạnh Tự động hóa hệ thống lạnh trang bị cho hệ thống lạnh, dụng cụ mà nhờ dụng cụ vận hành tồn hệ thống lạnh phần thiết bị cách tự động, chắn, an toàn với độ tin cậy cao mà không cần tham gia trực tiếp công nhân vận hành Trong trình vận hành trạm lạnh, nhiệt độ đối tượng cần làm lạnh thường bị biến động tác động dòng nhiệt khác từ bên vào từ bên buồng lạnh Giữ cho nhiệt độ không đổi hay thay đổi phạm vi cho phép nhiệm vụ điều chỉnh máy lạnh Đôi việc điều chỉnh q trình cơng nghệ lạnh khác lại phải làm thay đổi nhiệt độ, độ ẩm đại lượng vật lý khác theo chương trình định Hệ thống tự động có chức điều khiển tồn làm việc hệ thống máy lạnh, trì chế độ vận hành tối ưu giảm tổn hao sản phẩm phòng lạnh Bên cạnh việc trì tự động thơng số ( nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, lưu lượng, mức lỏng ) giới hạn cho, cần bảo vệ hệ thống thiết bị tránh chế độ làm việc nguy hiểm Đây yêu cầu bảo vệ hệ thống tự động Tự động hóa làm việc trạm lạnh có ưu điểm so với điều khiển tay giữ ổn định liên tục chế độ làm việc hợp lý Ưu điểm kéo theo loạt ưu điểm tăng thời gian bảo quản, nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm tiêu hao điện năng, tăng tuổi thọ độ tin cập máy thiết bị, giảm chi phí nước làm mát, giảm chi phí vận hành chi phí lạnh cho đơn vị sản phẩm góp phần hạ giá thành sản phẩm Việc bảo vệ tự động thực nhanh chóng, đảm bảo tin cậy thao tác người Tuy nhiên việc trang bị hệ thống tự động cho trạm lạnh hợp lý hoạch toán kinh tế có lợi có nhu cầu tự động hóa khơng thể điều khiển tay tính xác q trình, lý khác cơng nghệ địi hỏi phải thực môi trường động hại dễ cháy nổ Trong tất q trình tự động hóa điều khiển, điều chỉnh, báo hiệu, báo động bảo vệ trình tự động điều chỉnh có ý nghĩa 1.1.2 Cấu trúc hệ thống lạnh công nghiệp Một hệ thống lạnh cơng nghiệp có cấu trúc nh sau: Tách lỏng Máy nén Tách dầu Dàn bay Bình ng-ng Van tiết l-u Hỡnh 1.1 : Cu trúc chung hệ thống lạnh Hệ thống hệ kín, sử dụng cơng chất lỏng dễ bay NH3, Freon 12 Freon 22 Công chất bay ( từ dạng lỏng sang hơi) thu nhiệt buồng lạnh Máy nén : Máy nén thường dùng loại bơm piston, hút công chất dạng từ dàn bay về, nén tạo áp suất cao, qua bình ngưng trao đổi nhiệt với nước làm mát ngưng tụ biến thành dạng công chất lỏng cung cấp cho dàn bay Khi công chất lỏng qua van tiết lưu biến thành dạng Máy nén hệ thống lạnh loại xi lanh nhiều xilanh, nén hay nhiều cấp tuỳ thuộc vào công suất làm lạnh nhiệt độ làm lạnh u cầu Bình ngưng : Hơi cơng chất sau máy nén có áp suất nhiệt độ cao, để biến cơng chất thành dạng lỏng ta phải lấy nhiệt công chất, tức phải làm mát cơng chất, có hai cách làm mát: Dùng nước làm mát: thông thường dùng nước làm mát công chất, nước biển làm mát cho nước Phương pháp thường sử dụng hệ thống lạnh Để cấp nước làm mát người ta thường dùng bơm nước riêng biệt Dựng quạt gió: Thổi khơng khí qua làm mát cơng chất, hay sử dụng hệ thống điều hịa (dàn nóng) Van tiết lưu : Cơng chất lỏng qua van tiết lưu áp suất bị giảm mạnh, làm công chất biến từ dạng lỏng sang dạng Khi công chất bay nhiệt độ giảm mạnh, thu nhiệt từ vật cần làm lạnh Van tiết lưu có chức làm giảm áp suất công chất dùng để điều chỉnh mức (lưu lượng) chất lỏng cung cấp cho dàn bay Dàn bay : Là nơi công chất lỏng bay hơi, thu nhiệt từ vật cần làm lạnh buồng lạnh Có hai phương pháp để làm lạnh: Làm lạnh trực tiếp: Dàn bay đặt trực tiếp buồng lạnh, trao đổi nhiệt trực tiếp với vật cần làm lạnh Ví dụ tủ lạnh, điều hồ khơng khí gia đình, văn phịng Làm lạnh gián tiếp: Dùng công chất trung gian để truyền từ dàn bay vào buồng lạnh Công chât trung gian khơng khí nước muối Phương pháp thường dùng hệ thống làm lạnh có cơng suất lớn, nhiều buồng lạnh khu vực khác kho lạnh công nghiệp, hệ thống điều hồ khơng khí trung tâm siêu thị, tồ nhà văn phịng Trong hệ thống điều hồ khơng khí tồn tàu thường dùng quạt thơng gió thổi qua dàn bay vào phịng Tách lỏng : Cơng chất dạng sau dàn bay cịn lẫn nước hạt công chất dạng lỏng, máy nén hút cửa hút gây tượng thuỷ kích, hỏng máy nén Đe tránh tượng người ta bố trí bình tách lỏng dàn bay máy nén Tách dầu: Khi công chất qua máy nén có lẫn dầu bơi trơn, hạt ảnh hưởng đến trình bay cơng chất lỏng, bố trí bình tách dầu sau máy nén trước vào bình ngưng 1.1.3 Phân loại thiết bị tự động hóa hệ thống lạnh Ta phân loại thiết bị tự động theo đặc trưng khác nhau: a) Theo chức phân thiết bị tự động ra: + Tự động điều khiển + Tự động điều chỉnh + Tự động báo hiệu, báo động (âm ánh sáng) + Tự động bảo vệ b) Theo đổi tượng hệ thống: phân thiết bị phục vụ cho hệ thống lanh bơm nhiệt hệ thống điều hịa khơng khí nhiên hệ thống điều hịa khơng khí cịn có nhiều u cầu đặc biệt thiết bị tự động khác c) Theo đối tượng phân thiết bị tự động phục vụ cho: + Máy nén + Thiết bị ngưng tụ (bình ngưng, dàn ngưng thiết bị kết hợp làm mát nước, khơng khí kết hợp gió nước) +Thiết bị bay (làm lạnh chất lỏng làm lạnh trực tiếp khơng khí, trực tiếp sản phẩm ) +Buồng lạnh (trực tiếp hay nước muối) +Vịng tuần hồn chất tải nhiệt hệ thống lạnh làm mát nước tuần hoàn qua tháp giải nhiệt hay bơm nhiệt vòng tuần hồn cấp nhiệt cho hộ tiêu thụ +Vịng tuần hoàn chất tải lạnh hệ thống lạnh gián tiếp +Nguồn nhiệt hay nguồn cung cấp nhiệt cho bơm nhiệt, ví dụ nước giếng, nước tự nhiên, lịng đất, địa nhiệt, lượng mặt trời, khơng khí thải, thải, khí thải có mức lượng cao để tái sinh nhiệt Nguồn nhiệt gần tương tự vịng tuần hồn chất tải lạnh khơng ổn định hộ tiêu thụ lạnh nên cần tự động hóa mức độ cao nhiều d) Theo nguyên tắc làm việc chia thiết bị tự động làm việc theo : Cơ cấu khí (van tiết lưu nhiệt) Tiếp điểm điện (các loại khí cụ điện rơle nhiệt, rơle kiểu điện áp, kiểu dòng điện ) Kết hợp điện (rơle nhiệt độ hay thermostat, rơle áp suất hay pressostat ) e) Theo đại lượng điều chỉnh bảo vệ phân ra: Các thiết bị tự động điều khiển, điều chỉnh, báo hiệu, bảo vệ áp suất, ví dụ: áp suất dầu cao, áp suất dầu thấp, hiệu áp dầu Nhiệt độ, ví dụ nhiệt độ cuộn dây, nhiệt độ dầu, độ nhiệt hút tn Độ ẩm tương đối buồng lạnh Mức lỏng L (lever) bình bay hơi, mưc dầu bình tach dầu máy nén Lưu lượng F (Flow) ví dụ dầu máy nén trục vít f) Phương pháp điều chỉnh: Theo bậc, liên tục hai vị trí Hệ thống điều chỉnh liên tục lại chia loại như: p - Proportinal điều chỉnh liên tục tỷ lệ I - Integral điều chỉnh liên tục tích phân PI - Proportinal integral điều chỉnh liên tục tỷ lệ tích phân PID - Prop In + Derativ0065 điều chỉnh liên tục tỷ lệ vi phân tich phân nghĩa điều chỉnh với cân đối cho toàn hệ thống Tự động hoá hệ thống lạnh a chức TĐ điều khiển TĐ điều khiển TĐ điều khiển Hệ thống điều hồ khơng khí b Đối tượng Máy lạnh hệ thống c Đối tượng thiết bị Máy nén TB bay tụ d Nguyên tắc làm việc Cơ cấu khí e Đại lượng điều chỉnh Áp suất P, T f Phương pháp điều chỉnh Bơ m nhiệt TB ngưng Vòng TH chất tải Buồng lạnh nhiệt Kết hợp + điện Nhiệt độ t, T Điều chỉnh liên tục p - Proportinal (tỷ lệ) I - Integral (tích phân) PI - Proportinal integral PID - Prop.In + Derative TĐ điều khiển Máy nén Máy nén Đóng ngắt điện Độ ẩm Mức lỏng L (lever) Mức lỏng L (lever) Điều chỉnh hai vị trí '' ON - OFF'' Khơng phụ thuộc thời gian Có phụ thuộc thời gian Tác động gián tiếp - Điện - Điện - Tử - Khí nén - Thuỷ lực Tác động trực tiếp truyền động khí Hình 1.2 : Sơ đồ phân loại thiết bị tự động hoá hệ thống lạnh Loại điều chỉnh theo hai vị trí “ ON - OFF” thường thiết bị có nguyên tắc làm việc theo kiều tiếp điểm điện kết họp điện có hai tiếp điểm đóng ngắt “ON - OFF” g) Theo phương pháp truyền động cung chia làm hai loại: tác động trực tiếp tác động gián tiếp Tác động trực tiếp thiết bị có cấu ví dụ van điều chỉnh nước bình ngưng, van tiêt lưu nhiệt Còn loại tác động gián tiếp nhờ nguồn lượng truyền động phụ điện, điện tử khí nén thủy lực để tác động cho thiết bị tự động hoạt động 1.2 Các phương pháp làm lạnh Có nhiều phương pháp làm lạnh buồng xử lý sản phẩm Làm lạnh buồng trực tiếp làm lạnh buồng dàn bay đặt buồng lạnh Môi chất lỏng lạnh sôi thu nhiệt môi trường buồng lạnh Dàn bay loại dàn đối lưu tự nhiên cưỡng quạt gió Làm lạnh buồng gián tiếp làm lạnh buồng dàn chất tải lạnh (nước muối) Thiết bị bay đặt ngồi buồng lạnh Mơi chất lạnh lỏng sơi làm lạnh nước muối nước muối bơm tuần hoàn đến dàn lạnh Sau trao đổi nhiệt với khơng khí buồng lạnh nước muối nóng lên đưa trở lại dàn bay để làm lạnh Các dàn nước muối buồng lạnh đối lưu tự nhiên đối lưu cưỡng Các loại dàn trực tiếp gián tiếp đặt buồng lạnh cịn loại dàn quạt gió cưỡng đặt ngồi buồng lạnh Xử lý lạnh trực tiếp gia lạnh sản phẩm kết đông sản phẩm trực tiếp dàn lạnh bên môi chất lạnh sôi Gia lạnh sản phẩm tổ dàn quạt gió có tốc độ trung bình gió nhỏ Người ta bố trí dàn bay trực tiếp nhúng sản phẩm vào freôn sôi Xử lý lạnh gián tiếp qua nước muối phải sử dụng thêm vịng tuần hồn nước muối máy lạnh sản phẩm Sản phẩm thải nhiệt gián tiếp qua nước muối tới môi chất lạnh sôi * Các lệnh chuyển đổi liệu: * Các lệnh so sánh: Giám sát hoạt động chương trình Để quan sát trạng thái hoạt động thời PLC ta dùng chức kiểm tra quan sát Trong chế độ kiểm tra phần tử LAD/FBD hiển thị màu khác Có thể định dạng màu menu Opton -> Customize Để kích hoạt chức kiểm tra quan sát ta Click vào biểu tượng mắt kính cơng cụ vào menu Debug -> Monitor Khi chương trình có đặc điểm: - Trạng thái thực có màu xanh liền nét - Trạng thái khơng thực có dạng đường đứt nét * Chú ý: Ở chế độ kiểm tra, thay đổi chương trình khơng thể thực 67 3.2 Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển Bắt đầu Chọn máy chủ Chuẩn bị khởi động máy nén Báo động không cho hệ thống hoạt động Khởi động máy nén Dừng cố Điều chỉnh tự động trạm lạnh Dừng cố Dừng máy nén Kết thúc Hình 3.8 : Lưu đồ thuật tốn điều khiển toan trạm lạnh 68 Bắt đầu Chọn máy Máy chủ =1 Chọn máy Máy chủ =2 Chọn máy Máy chủ =3 Chọn máy Máy chủ =4 Bắt đầu Kết thúc Hình 3.9: Lưu đồ thuật toán chọn máy chủ 69 Bắt đầu Chuẩn bị khởi động máy nén lạnh Đóng khởi động bơm dầu Kiểm tra hiệu áp dầu cacte (báo động không cho hệ thống hoạt động hiệu áp dầu khơng đủ) Mở van nước vào nước Đóng van đường ống đẩy hút Chuẩn bị khởi động động Sang bước khởi động máy nén Kết thúc Hình 3.10 : Lưu đồ thuật tốn chuẩn bị khởi động máy nén lạnh 70 Các bước khởi động máy nén lạnh Bắt đầu Quá trình khởi động máy nén Khởi động động Đ Quá trình khởi động thành công S Mở van đường ống đẩy hút Mở van tiết lưu đường ống hút Kiểm tra cố Dừng có cố xảy n=n+1 n=4 Kết thúc Dừng trình khởi động báo động Hình 3.11: Lưu đồ thuật tốn khởi động máy nén 71 Điều chỉnh tự động máy nén lạnh Bắt đầu Tự động kiểm tra áp suất lưu lượng khí bình tích để đưa định điều chỉnh van tiết lưu đầu máy nén số máy nén hoạt động Nếu áp suất bình ngưỡng mức lưu lượng khí lớn điều chỉnh van tiết lưu mở to có máy chủ hoạt động Nếu van tiết lưu mở hết mà khơng cung cấp đủ lưu lượng máy nén thứ hoạt động theo thứ tự đặt trước Nếu áp suất giảm xuống mức máy nén hoạt động việc điều chỉnh van tiết lưu cho áp suất bình khơng đổi Nếu áp suất bình tiếp tục giảm hay lưu lượng khí lớn mà máy khơng cung cấp đủ máy đưa vào hoạt động Đưa cảnh báo hay dừng hệ thống xảy cố Kết thúc Hình 3.12: Lưu đồ thuật toán điều chỉnh tự động máy nén lạnh 72 3.3 Chương trình PLC 73 74 75 76 77 78 79 KẾT LUẬN Với nhiệm vụ đồ án “Thiết kế truyền động điện trang bị điện cho trạm lạnh cơng nghiệp có nhiều máy nén lanh” Trong trình làm đồ án em cố gắng, em hoàn thành nhiệm vụ sau đồ án: - Nghiêm cứu tổng quan hệ thống lạnh - Các yêu cầu truyền động điện trang bị điện trạm lạnh công nghiệp có nhiều máy nén sử dụng PLC - Viết chương trình điều khiển Mặc dù cố gắng thời gian kiến thức có hạn, nên án khơng sâu tìm hiểu hết tất vần đề, thiếu sót nhiều như: - Trình bày giới thiệu máy nén lạnh sơ sài - Chưa đưa cơng thức tính tốn để xây dựng trạm lạnh - Chương trình điều khiển PLC chưa có tính khả quan - Chưa xây dựng việc kết nối mạng cho PLC Em mong nhận bảo, sửa chữa đóng góp ý kiến thầy cô giáo bạn lớp để em thực hồn thành đề tài tốt Một lần em xin chân thành cảm ơn bảo, hướng dẫn tận tình của, , thầy cô khoa, bạn bè lớp giúp đỡ em trình thực đề tài Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phòng, ngày….tháng….năm 2012 Sinh viên thực Đào Trọng Điệp 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS.Ts.Hồng Xn Bình „Bài giảng trang bị điên – điện tử máy công nghiệp dùng chung‟ [2] Nguyễn Đức Lợi „Tự động hoá hệ thống lạnh‟ – NXB Giáo Dục – 2004 [3] Vũ Quang Hồi – Nguyễn Văn Chất – Nguyễn Thị Liên Anh „Trang bị điện – điện tử máy công nghiệp dùng chung‟ – NXB Giáo Dục – 2006 [4] Nguyễn Doãn Phước – Phan Xuân Minh – Vũ Văn Hà „Tự động hoá với somatic S7-200‟ – NXB Khoa hoc – kỹ thuật Hà Nội - 2002 [5] GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn „Máy điện - dùng cho trường đại học cao đẳng kỹ thuật‟ – NXB Xây Dựng 81 ... động học 12 Máy nén lạnh Máy nén theo thể tích Máy nén pittơng dao động Máy nén động học Máy nén pittông quay Máy nén pittông trượt Máy nén trục vít Máy nén tuabin Máy nén tuabin ly tâm Máy nén. .. 1.3 Máy nén lạnh 1.3.1 Khái niệm chung máy nén Máy nén lạnh phận quan trọng hệ thống lạnh Máy lạnh có nhiệm vụ : + Liên tục hút sinh thiết bị bay 11 + Duy trì áp suất p nhiệt độ t cần thiết + Nén. .. loại tác động gián tiếp nhờ nguồn lượng truyền động phụ điện, điện tử khí nén thủy lực để tác động cho thiết bị tự động hoạt động 1.2 Các phương pháp làm lạnh Có nhiều phương pháp làm lạnh buồng