3.1.1. Đề tài
Thiết kế hệ thống điều khiển, cấp nước, duy trì áp suất nước đầu ra ở 1.5 ÷ 2 Bar cho tòa nhà chung cư 10 tầng, 60 căn hộ, 300 người, chiều cao 40 m.
Ta có 10 m H2O = 1 Bar, từ đó ta có thể suy ra:
• Áp suất tại tầng 10: 0.4 Bar
• Áp suất tại tầng 9: 0.8 Bar
• Áp suất tại tầng 8: 1.2 Bar
• Áp suất tại tầng 7: 1.6 Bar
• Áp suất tại tầng 6: 2.0 Bar
• Áp suất tại tầng 5: 2.4 Bar
• Áp suất tại tầng 4: 2.8 Bar
• Áp suất tại tầng 3: 3.2 Bar
• Áp suất tại tầng 2: 3.6 Bar
• Áp suất tại tầng 1: 4.0 Bar
Dựa trên TCVN, áp suất cần duy trì ở mỗi tầng là 1 ÷ 4 Bar, tối ưu nhất là 1.5 ÷ 2 Bar vì vậy nhóm đưa ra giải pháp sau:
27
3.1.2 Tính toán hệ thống 3.1.2.1. Lưu lượng (Q)
Chọn tiêu chuẩn dùng nước cho dân cư là 300 (l/ngày đêm) theo TCXDVN 33: 2006 (Bảng 2.1 trang 5) [12].
Ta có:
+ Q = 300 (người) × 300 (l/ ngày đêm) = 90 000 (l/ ngày đêm) = 90 (m3/ ngày đêm). Vậy Qtổng = 90 m3/ ngày đêm.
3.1.2.2. Bể chứa ngầm
Qbể = 1.5 × Qtổng = 135 m3/ ngày đêm. (Mục 8.11 TCVN 4153: 1988) [13]
3.1.2.3. Đồng hồ nước
Dựa vào bảng 6 TCVN 4513: 1988 [13]
Trong đó Qtổng = 90 m3/ ngày đêm = 3.75 m3/ giờ Vậy chọn Đồng hồ đo nước loại tuốc bin cỡ 50 (từ 15 ÷ 140 m3/ ngày đêm)
3.1.2.4. Bể nước mái
Qbể mái = 0.3 × Qtổng = 27 m3
3.1.2.5. Bơm nước
Pmáy bơm tính toán= cột áp (Pa)× 10 -3 × Ql/s
Hiệu suất máy bơm (3.1)
Pmáy bơm thực tế = Pmáy bơm tính toán × Hệ số dự trữ (3.2)
Cột áp: 40 m ≈ 4 Bar ≈ 4 x 105 Pa
Lưu lượng lít trên giây: Ql/s = α × 0.2 × √N (Bảng 9 TCVN 4153: 1988) [13] Với α là hệ số phụ tùng chức năng (Bảng 6 TCVN 4513:1998), chọn α = 2.5 N là tổng đương lượng của các dụng cụ vệ sinh trong nhà, tính theo bảng 3.1 Ta chọn hệ số đương lượng là 10/ 1 căn hộ, vậy N = 10×60 = 600
Vậy Ql/s = 2.5 × 0.2 × √600 = 12.25 (l/s) Chọn hiệu suất máy bơm = 0.65
Từ (3.1) suy ra Pmáy bơm tính toán = (4.105 x 10-3 x 12.25)/0.65 = 7538.5 (W) Chọn Hệ số dự trữ là 1.4
28
Bảng 3.1: Bảng đương lượng các dụng cụ vệ sinh
3.1.2.6 Đường kính ống
Dựa trên TCVN 4513:1988 [13]
Bảng 3.2: Đường kính ống theo TCVN 4513:1988
Tổng số đương lượng của các dụng cụ vệ sinh
1 3 6 12 20
Đường ống cấp nước (mm)
10 15 20 25 32
Hệ số đương lượng của thiết bị vệ sinh là 12, vì vậy ta chọn đường kính ống cấp nước theo Bảng 3.2:
Vậy D = 25, suy ra chọn ống dẫn có phi 25
3.1.3 Thiết kế hệ thống 3.1.3.1 . Sơ đồ khối
• Khối nguồn: cấp nguồn cho các thiết bị, hệ thống hoạt động. Bao gồm nguồn 24VDC cấp nguồn nuôi các HMI, cảm biến, relay… Nguồn 220VAC cấp cho các motor bơm nước, các biến tần, là nguồn đầu vào PLC, sử dụng cho các đèn báo tín hiệu, các relay 220VAC.
29
• Khối hiển thị: Màn hình HMI Kinco có nhiệm vụ hiển thị, điều khiển hệ thống.
• Khối trung tâm xử lý: PLC S7-1200, xử lý các tín hiệu của nút nhấn, cảm biến.
• Khối cảm biến: Đo và đưa tín hiệu về cho PLC và HMI để xử lý, tính toán.
• Biến tần: Điều khiển các motor bơm nước, bên cạnh đó bảo vệ các motor khi có lỗi xảy ra.
• Cơ cấu chấp hành: Motor
Hình 3.2: Sơ đồ khối
30
3.1.3.2 . Lưu đồ thuật toán 3.2 Chọn thiết bị cho hệ thống 3.2 Chọn thiết bị cho hệ thống
3.2.1. Chọn thiết bị cho mạch động lực
3.2.2.1 . Lựa chọn bơm 3 pha đầu vào, bơm chính Yêu cầu: Yêu cầu:
• Bơm 3 pha
• Có công suất lớn hơn hoặc bằng 14.2 HP
• Lưu lượng 12.25 l/s
• Cột áp 40 mét
• Áp suất bơm trên 4 bar
Giải pháp:
• Chọn bơm của hãng Ebara – Máy bơm công nghiệp đầu Inox 3(L)M 40-200/11
Các thông số kỹ thuật: • Hãng sản xuất: Ebara • Công suất: 11 kW – 15 HP • Lưu lượng: 4 – 12 l/s • Cột áp: 60 – 70 mét. • Điện áp: 400V • Dòng định mức: 20 A • Tần số: 50Hz • Tốc độ: 2900 v/p
Bảng 3.3: Thông số bơm Ebara, bơm chính
Model 3 (L) M kW HP Abs.Current (A) Three – Phase 230 V 400 V 690 V 32-125/1.1 (M) 1.1 1.5 5.0 2.9 32-160/1.5 (M) 1.5 2 5.9 3.4 32-160/2.2 (M) 2.2 3 8.3 4.8 40-200/7.5 7.5 10 11.8 15.1 6.4 40-200/11 11 15 20.0 8.7
31
Hình 3.4: Đặc tính bơm Ebara, bơm chính 3.2.2.2 . Lựa chọn bơm 3 pha đầu vào, bơm phụ
Yêu cầu: Công suất 50% bơm chính
• Bơm 3 pha
• Có công suất lớn hơn hoặc bằng 7.1 HP
• Lưu lượng 6.125 l/s
• Cột áp 40 mét
Giải pháp: Chọn bơm của hãng Ebara – Máy bơm công nghiệp đầu Inox 3(L)M 32-
200/5.5 Các thông số kỹ thuật: • Hãng sản xuất: Ebara • Công suất: 5.5 kW – 7.5 HP • Lưu lượng: 2 – 6 l/s • Cột áp: 60 – 70 mét. • Điện áp: 400V
32
• Dòng định mức: 11.8 A
• Tần số: 50Hz
• Tốc độ: 2900 v/p
Bảng 3.4: Thông số bơm Ebara, bơm phụ
Model 3 (L) M kW HP Abs.Current (A)
Three – Phase 230 V 400 V 690 V 32-125/1.1 (M) 1.1 1.5 5.0 2.9 32-160/1.5 (M) 1.5 2 5.9 3.4 32-160/2.2 (M) 2.2 3 8.3 4.8 32-200/4.0 4.0 5.5 11.8 9.0 32-200/5.5 5.5 7.5 11.8 6.8
33
3.2.2.3 . Lựa chọn bơm tăng áp Yêu cầu: Yêu cầu:
• Bơm 3 pha
• Cột áp 20m
Giải pháp: Chọn Bơm tăng áp của hãng Panasonic GP – 350JA Thông số kỹ thuật: • Hãng sản xuất: Panasonic • Công suất: 350W • Lưu lượng: 39 – 45 l/phút • Cột áp: 12 – 45 mét. • Điện áp: 400V • Tần số: 50Hz
Bảng 3.5: Thông số bơm tăng áp
3.2.2.4 . Lựa chọn biến tần Yêu cầu: Yêu cầu:
• Biến tần ngõ ra 3 pha 380V.
• Có công suất lớn hơn 0.35kW
• Có điều khiển PID
• Có truyền thông Modbus RS485.
Giải pháp: Chọn biến tần của hãng INVT có model GD20 và biến tần hãng DELTA
34 Hình 3.6: Biến tần GD20 hãng INVT Các thông số kỹ thuật: • Hãng sản xuất: INVT • Mã: GD10-0R7G-S2-B-ZX • Công suất: 0.75 kW • Điện áp vào: 220 – 240V
• Điện áp ra: 3 pha 380V
• Dòng định mức Input: 9.3 A • Tần số: 47 – 63 Hz Hình 3.7: Biến tần VFD - M hãng DELTA Các thông số kỹ thuật • Hãng sản xuất: DELTA • Mã: VFD - M • Công suất: 0.4 kW • Điện áp vào: 220-240V
35
• Điện áp ra: 3 pha 380V
• Dòng định mức Input: 8.5 A
• Tần số: 40-70 HZ
3.2.2.5 . Lựa chọn Contactor Mục đích: Mục đích:
Đóng cắt bơm đầu vào.
Bảo vệ mạch động lực thông qua mạch điều khiển.
Yêu cầu:
• Phù hợp với tải, cho biến tần (AC3)
• Điện áp dây: 380V
• Dòng định mức: Lớn hơn 1.5 Iđm của động cơ – 30A
• Số cực: 03
• Điện áp cuộn hút: Một chiều 24V
Giải pháp: Chọn Contactor của hang ABB: AL30-30-10-81 Các thông số kỹ thuật:
• Loại tải: AC1
• Điện áp dây: 400V
• Dòng điện định mức: 32A
• Điên áp điều khiển: 24 V
• Công suất: 15kW (AC3)
• Tần số: 50/60Hz
• Tiếp điểm phụ: 1NO
36
Bảng 3.7: Cuộn hút Contactor
Điện áp điều khiển định mức Uc Mã catalog AL9 – AL40 12 VDC 80 24 VDC 81 48 VDC 83 125 VDC 87 220 VDC 88 240 VDC 89 3.2.2.6 . Lựa chọn MCCB Mục đích:
Cách ly, đóng cắt, bảo vệ ngắn mạch, bảo vệ quá tải cho phần mạch động lực của hệ thống.
Yêu cầu:
Hãng: ABB
Điện áp dây: Lớn hơn 380V
Dòng định mức: 1.3 – 1.5 Iđm của động cơ. Dòng ngắn mạch định mức (Ics): đủ lớn Bảo vệ quá tải cho động cơ
Số cực: 03 Giải pháp: Chọn MCCB của hãng ABB: T2S030TW Các thông số kỹ thuật: Mã sản phẩm: T2S030TW Điện áp: 480 V Dòng ngắn mạch Ics = 35kA; (Icu = 35kA) Dòng định mức: 30 A Số cực: 03
37 Bảng 3.8: Thông số MCCB Loại Giá trị Ic tại 480VAC Dòng định mức (A) Dòng cắt (A) T2S 35kA 15 500 20 500 25 500 30 500 40 500 50 500 60 600 70 700 80 800 90 900 100 1000
3.2.2.7 . Lựa chọn cáp mạch động lực, bơm biến tần Mục đích: Mục đích:
Kết nối các thiết bị trong mạch động lực bơm biến tần
Yêu cầu:
Chịu được dòng quá tải của động cơ
Cách điện tốt phù hợp với Biến tần và động cơ.
Giải pháp:
Chọn dây dẫn mạch động lực gồm dây dẫn cho đầu vào biến tần và ra biến tần chọn theo khuyến cáo của INVT.
Chọn tiết diện dây vào, ra biến tần và vào động cơ 1 pha là 1.5 mm2. Chọn tiết diện dây vào, ra biến tần và vào động cơ 3 pha là 2.5 mm2
38
Bảng 3.9: Cáp cho bơm biến tần
3.2.2.8 . Lựa chọn cáp mạch động lực, bơm đầu vào
Mục đích: Kết nối các thiết bị trong mạch động lực, bơm đầu vào Yêu cầu:
Chịu được dòng quá tải của bơm. Cách điện tốt phù hợp bơm.
Hình 3.8: Chọn cáp mạch động lực Giải pháp:
Ta có: Dòng định mức của bơm chính là 20 A suy ra chọn cáp có dòng định mức 20 x 2 = 40 A. Vậy ta chọn cáp có tiết diện ruột dẫn 10 mm2
Ta có: Dòng định mức bơm phụ là 11.8 A suy ra chọn cáp có dòng định mức 11.8 x 2 = 23.6 A. Vậy ta chọn cáp có tiết diện ruột dẫn 4 mm2
39
Bảng 3.10: Thông số cáp động lực
3.2.3 Lựa chọn thiết bị cho mạch điều khiển 3.2.3.1 . Lựa chọn MCB 3.2.3.1 . Lựa chọn MCB
Mục đích: Cách ly, đóng cắt, bảo vệ ngắn mạch, bảo vệ quá tải cho mạch điều khiển. Yêu cầu:
• Hãng ABB
• Điện áp dây: 230V
• Dòng định mức phù hợp.
• Dòng cắt mạch phù hợp.
Giải pháp: Chọn MCB của hãng ABB: SH201L – C6 Các thông số kỹ thuật:
40
• Điện áp dây: 230V
• Khả năng cắt: Icu =4.5KA
Bảng 3.11: MCB cho mạch điều khiển
Bảng 3.12: Thông số MCB mạch điều khiển
3.2.3.2 . Lựa chọn cảm biến áp suất
41
Yêu cầu:
Tín hiệu: 4-20mA, để tín hiệu trả về vào ngõ vào Biến tần.
Giải pháp: Chọn Cảm biến SP-100 của TMKTEK
Hình 3.9: Cảm biến áp suất Các thông số kỹ thuật:
• Điện áp: 9-30VDC
• Tín hiệu: 4-20mA tương ứng 0 -10Bar.
• Độ chính xác: 0.5%
3.2.3.3 . Lựa chọn nút nhấn nhả có đèn
Mục đích: Điều khiển và hiển thị trạng thái hệ thống Yêu cầu: Sử dụng với điện áp điều khiển 220V. Giải pháp: Chọn của hãng IDEC YW1L-M2E11Q Các thông số kỹ thuật:
• Điện áp định mức: 220 VAC
• Điện áp đèn báo: 220 VAC
• Đường kính bệ tròn: 22 mm
• Dòng điện tiêu thụ: 15 mA
• Màu : Đỏ, Xanh lá, Vàng.
42
Bảng 3.14: Chọn màu và điện áp hoạt động cho nút nhấn đèn
3.2.3.4 . Lựa chọn nút nhấn Switch Mục đích: Điều khiển hệ thống. Mục đích: Điều khiển hệ thống.
Yêu cầu: Sử dụng với điện áp điều khiển 220 VAC. Giải pháp: Chọn nút nhấn của hãng IDEC YW1S-2E10 Các thông số kỹ thuật: • Điện áp định mức: 220 VAC • Đường kính bệ tròn: 22 mm • Dòng điện tiêu thụ: 15 MA Bảng 3.15: Thông số nút nhấn Switch 3.2.3.5 . Lựa chọn đèn báo Mục đích: Hiển thị trạng thái hệ thống
Yêu cầu: Sử dụng với điện áp điều khiển 220V. Giải pháp: Chọn của hãng IDEC
43
Các thông số kỹ thuật:
• Điện áp định mức: 220 VAC
• Điện áp đèn báo: 220 VAC
• Đường kính bệ tròn: 22 mm
• Dòng điện tiêu thụ : 15 mA
• Màu : Đỏ, Vàng.
Bảng 3.16: Thông số đèn báo
3.2.3.6 . Chọn bộ nguồn AC/DC 24V:
Mục đích: Cấp nguồn 24VDC cho cảm biến áp suất
Giải pháp: bộ nguồn chuyển đổi 220VAC/24VDC của hãng ORMRON 0.7A.
Mã sản phẩm: S8FS-C01524J
44
Bảng 3.17: Thông số Bộ nguồn
3.2.3.7 . Phao điện máy bơm
Mục đích: Dùng để cảnh báo khi nước tràn Giải pháp: Chọn của hãng Wufeng
Hình 3.11: Phao điện Các thông số kỹ thuật:
• Mã hàng: WF-333AB
• Thành phần nhựa PVC
• Màu xám
• Chống chập điện, đậy nắp an toàn
• Điện áp: Điện áp 220V
• Điện lưu: 10A
45
3.2.3.8 . Cảm biến mức nước
Mục đích: Đọc được mức nước trong bồn để điều khiển các bơm luân phiên. Giải pháp: Sử dụng Module 4 Relay Kích H/L 24VDC.
Hình 3.12: Module 4 Relay Kích H/L 24VDC. Thông số kỹ thuật:
• Điện áp nuôi mạch: 24VDC
• Dòng tiêu thụ: khoảng 200mA/1Relay
46
CHƯƠNG 4: CÀI ĐẶT THIẾT BỊ VÀ THIẾT KẾ PHẦN MỀM
4.1 . Thiết kế giao diện màn hình HMI
4.1.1. Kết nối HMI với PLC S7-1200 bằng Ethernet
Sau khi chạy phần mềm, ta bắt đầu chọn các thiết bị ở mục HMI và PLC thích hợp và tương ứng với thiết bị chúng ta đang sử dụng. Chọn và kéo chúng ra màn hình kết nối.
Hình 4.1: Kết nối PLC với HMI
Tiếp đến, ta chọn vào mục Connector và kéo biểu tượng Ethernet ra, lúc này sẽ hiện ra một bảng thêm thiết bị, ta chọn vào Add.
47 Lúc này ta tiến hành thêm thiết bị kết nối mới. Đầu tiên, ta sẽ cài đặt HMI, ghi địa chỉ cho HMI. Lưu ý ở mục Comm Protocol, ta chọn đúng với thiết bị ta sẽ kết nối thông qua Ethernet.
Hình 4.3: Chọn thiết bị kết nối
Ta làm tương tự để thêm PLC vào thiết bị kế nối, lưu ý phải chọn cùng lớp IP với HMI. Lúc này, ta thấy sẽ xuất hiện đường màu xanh đậm nối hai thiết bị với nhau, điều này chứng tỏ bạn đã kết nối thành công.
48 Cuối cùng, ta chỉ việc vào giao diện phần mềm để thiết kế màn hình theo ý muốn. Ta có thể thấy bây giờ các thanh ghi lựa chọn có thêm các thanh ghi của PLC S7-1200 xuất hiện, ta chỉ cần chọn địa chỉ giống với địa chỉ lập trình trong phần mềm là ta có thể giao tiếp giữa HMI và PLC. Lưu ý khi kết nối với nhiều PLC hay thiết bị khác nhau, ta cần chọn đúng số thứ tự PLC.
Hình 4.5: Cài đặt địa chỉ 4.1.2 Giao tiếp Modbus RTU với biến tần.
Tương tự như chọn PLC, ta vào mục PLC và kéo khối kết nối Modbus RTU ra ngoài giao diện kết nối thiết bị.
49
Hình 4.6: Giao tiếp Modbus RTU
Tiếp đến, ta vào mục Connector kéo Serial Port ra để kết nối HMI với Modbus RTU, ta nối 2 đầu dây vào 2 cổng COM0 của HMI và Modbus RTU lại với nhau.
50 Ta kích chuột vào HMI, chọn vào mục COM0 Setting để cài đặt chuẩn truyền thông cho HMI. HMI Kinco MT4434TE hỗ trợ giao tiếp Modbus với 3 chuẩn truyền là RS232, RS485 2 dây và RS485 4 dây.
Hình 4.8: Chọn chuẩn truyền thông
Ta tương tự kích chuột vào Modbus RTU và cài đặt địa chỉ trạm cho biến tần. HMI mặc định là Master.
Ta cần lưu ý cài đặt các thông số trên biến tần sao cho chính xác với các thông số đã cài đặt trên HMI.
Với biến tần GD20 sẽ là trạm 1, biến tần Delta sẽ là trạm 3 và HMI sẽ được mặc định là 0 (Master).
51
Hình 4.9: Chọn địa chỉ biến tần
Cuối cùng, sau khi vào giao diện thiết kế, chọn số thứ tự thiết bị và chọn địa chỉ trạm của biến tần phù hợp, ta có thể thấy lúc này ô địa chỉ xuất hiện các thanh ghi 3x, 4x hỗ trợ giao tiếp với biến tần qua Modbus RTU RS485.
52
4.1.3 Phân quyền trên HMI
Phân quyền giúp quản lý việc sử dụng hệ thống, với những cấp bậc khác nhau sẽ chỉ có thể làm những việc được cho phép. Việc này giúp nâng cao sự bảo mật của