Cảm biến áp suất là thiết bị dùng để đo áp suất & biến đổi áp suất thành tín hiệu điện. Tín hiệu được truyền về các bộ hiển thị hay bộ điều khiển, PLC bằng dây cáp điện. Tín hiệu ngõ ra của cảm biến áp suất là tín hiệu Analog với các loại tín hiệu: 0- 5V, 0-10V, 2-10V, 0,5-4.5V, 4-20mA, 0-20mA …
Hình 2.20: Cấu tạo cảm biến áp suất
a, Cấu tạo: Gồm 2 phần chính:
- Cảm biến: là bộ phận nhận tín hiệu từ áp suất và truyền tín hiệu về khối xử lý. Tùy thuộc vào loại cảm biến mà nó chuyển từ tín hiệu cơ của áp suất sang dạng tín hiệu điện trở, điện dung, điện cảm, dòng điện… về khối xử lý.
- Khối xử lý: có chức năng nhận các tính hiệu từ khối cảm biến thực hiện các xử lý để chuyển đổi các tín hiệu đó sang dạng tín hiệu tiêu chuẩn trong lĩnh vực đo áp suất như tín hiệu ngõ ra điện áp 4 ~ 20 mA (tín hiệu thường được sử dụng nhất), (0 ~ 5 VDC, 0 ~ 10 VDC)
b, Nguyên lí hoạt động
Theo như hình trên, giả sử khi áp suất dương (+) đưa vào thì lớp màng sẽ căng lên từ trái sang phải, còn khi đưa vào áp suất âm (-) thì lớp màng sẽ căng ngược lại. Tùy theo độ biến dạng của lớp màng mà bộ xử lý bên trong sẽ biết được giá trị áp suất đang là bao nhiêu. Chính nhờ sự thay đổi này tín hiệu sẽ được xử lý và đưa ra tín hiệu để biết áp suất là bao nhiêu.
Lớp màng của cảm biến sẽ chứa các cảm biến rất nhỏ để phát hiện được sự thay đổi. Khi có một lực tác động vào thì lớp màng sẽ bị thay đổi theo chiều tương ứng với chiều của lực tác động. Sau đó các cảm biến sẽ so sánh sự thay đổi đó với lúc ban đầu để biết được nó đã biến dạng bao nhiêu %.
c, Cách tính giá trị áp suất theo tín hiệu y = ax + b
Trong đó :
y : tương ứng giá trị mA ( bất kỳ )
x : tương ứng với giá trị áp suất ( bất kỳ )
b : hằng số bằng 4 tương ứng với mức min của 4-20mA
a : hằng số được xác định bởi công thức ” 20-4ma / thang đo áp suất của cảm biến ” . VD : cảm biến có áp suất 0-50 bar thì a = (20-4mA) / 50 bar = 0.32mA/bar
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN LỰA CHỌN THIẾT BỊ MẠCH ĐỘNG LỰC 3.1 Thiết bị mạch động lực
3.1.1 Máy bơm
Bảng 3-1: Bảng lượng nước tiêu thụ của khu chung cư
Giờ trong ngày Chế độ dùng nước (% Q ngày đêm)
K giờ =2 0h-1h 0,75 1,2 1h-2h 0,75 1,2 2h-3h 1,00 1,6 3h-4h 1,00 1,6 4h-5h 3,00 4,8 5h-6h 5,50 8,8 6h-7h 5,50 8,8 7h-8h 5,50 8,8 8h-9h 3,50 5,6 9h-10h 3,50 5,6 10h-11h 6,00 9,6 11h-12h 6,00 9,6 12h-13h 6,00 9,6 13h-14h 6,00 9,6 14h-15h 5,00 8 15h-16h 5,00 8 16h-17h 3,50 5,6 17h-18h 3,50 5,6 18h-19h 8,50 13,6 19h-20h 8,50 13,6 20h-21h 4,00 6,4 21h-22h 3,00 4,8 22h-23h 2,00 3,2 23h-24h 1,50 2,4 24h-0h 1,50 2,4
Chung cư 800 người ( 5 người/căn hộ), Tiêu chuẩn dùng nước lấy 200 l/ng/ngày đêm.Q = 200 x
800/1000=160 m³ /ngày đêm
Công suất động cơ bơm: (cột áp cao 40m, bơm đặt dưới tầng hầm 5m, lưu lượng 13,6m3/h):
P = 13.6
3600 * (40+5) * 1000 * 1
102∗0.8 = 2,083kW Trong đó: P là Công suất động cơ (kW)
P bơm = 2,083
0,43 = 4,84kW => Chọn bơm có công suất 5.5kW
Hình 3.1: Máy bơm công nghiệp CM40- 200B
Bảng 3-2: Thông số kỹ thuât bơm công nghiệp CM40- 200B
Máy bơm công nghiệp CM40-200B
Xuất xứ LD Italy
Công suất 5.5kW / 7,5Hp
Điện áp sử dụng 380V
Lưu lượng 9-42 𝑚3/h
Chiều cao bơm 44,9-27,9m
Kích thước họng hút – xả 65-40mm
Vật liệu chế tạo bơm Nhôm
Cường độ dòng điện 12,7A
Nhiệt độ chất lỏng bơm -10-90⁰C
3.1.2 Biến tần
Ta lựa chọn biến tần để phù hợp với yêu cầu công nghệ và với động cơ đã chọn: + Kỹ thuật điều khiển yêu cầu cao cấp từ PLC, HMI xuống biến tần thì ta sử dụng truyền thông RS485
+ Động cơ dùng cho tải nhẹ
+ Chế độ vận hành ngắn hạn: Chọn các biến tần để điều khiển động cơ tăng tốc, giảm tốc, đảo chiều quay liên tục, chạy, dừng, ... Chế độ này cần chọn loại biến tần – inverter có khả năng chịu quá tải cao, chế độ tản nhiệt đáp ứng đủ
+ Với công suất động cơ 3 pha 380V đã chọn là 7Hp/5.5kW. Thiết bị biến tần được chọn sao cho thỏa mãn điều kiện: 𝑁𝑏𝑡𝑠𝑑 ≥ 𝑁đ𝑐
+ 2 biến tần điều khiển cho 3 bơm với 2 bơm chính và bơm dự phòng Công suất biến tần sử dụng là: 𝑁𝑏𝑡𝑠𝑑 = 1.5 ∗ 𝑁đ𝑐
Ta chọn biến tần loại Shilin dòng SF-G với ưu điểm:
+ Có khả năng chạy quá tải lên đến 150% trong vòng 60s hoặc 200% trong 60s + Sử dụng công nghệ điều khiển vector thông minh nâng cao hiệu năng làm việc + Thiết kế tối ưu nhằm bảo vệ cơ cấu phần cứng
+ Hỗ trợ giao thức truyền thông RS485 đồng thời cung cấp phần mềm chuyên dụng cho biến tần
+ Khả năng tích hợp nhiều module mở rộng khác nhau + Có khả năng thay đổi giữa loại tải nhẹ và tải nặng
+ Cho phép sao lưu cài đặt giữa các loại biến tần cùng loại
+ Khả năng lưu trữ 12 lỗi cảnh báo gần đây nhất giúp cho việc giám sát thuận lợi hơn
Thông số kỹ thuật:
+ Điện áp định mức ngõ ra: 3 pha 380/480 VAC
+ Biến động điện áp ngõ vào cho phép: 342/528 VAC + Tần số nguồn điện cung cấp ngõ vào: 50/60Hz + Biến động tần số ngõ vào cho phép: ± 5% + Giải nhiệt: quạt
Chọn 2 biến tần Shihlin SF-040-11K/7.5K-G
+ 7.5kw cho tải nặng, 11kw cho tải nhẹ. + Dòng điện IN(A): 32/24 A
+ Kích thước HxWxD (mm): 323x200x186 mm + Khối lượng: 5.6 kg
3.1.3 MCB
+ Dòng điện định mức của động cơ là: 𝐼𝑑𝑚= 𝑃𝑑𝑚
√3∗𝑈𝑑𝑚∗𝑛∗𝑐𝑜𝑠𝜑 = 5,5∗103
√3∗380∗0.8∗0.8 = 13,06(A)
Trong đó: 𝐼𝑑𝑚: Dòng điện định mức của động cơ (A) 𝑃𝑑𝑚 : Công suất định mức động cơ (kW) 𝑈𝑑𝑚 : Điện áp định mức của động cơ (V) + Dòng định mức của MCB là:
𝐼𝑀𝐶𝐵 = 1,2*13,06 = 15,67(A)
Tra catalog và chọn MCB có dòng định mức bằng hoặc lớn hơn 15.67(A) =>Chọn MCB có dòng định mức 20A mã EZC100B3020 của hãng Schneider.
Hình 3.4: MCB Schneider EZC100B3020
3.1.4 Contactor
- Khi chọn Contactor điều khiển động cơ ta sẽ chọn loại AC-3: Tải cuộn kháng + Dòng điện định mức contactor khi khởi động trực tiếp là:
𝐼𝑐𝑜𝑛𝑡𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟=1,2*𝐼𝑑𝑚=1,2*13,06=15,67(A)
+ Dòng điện định mức Contactor khởi động định mức Y/∆ là: 𝐼𝑐𝑜𝑛𝑡𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟=𝐼𝑑𝑚
√3=13.06
√3 =7,54 (A)
=>Chọn Contactor có dòng định mức 12A mã LC1D12 của hãng Schneider.
Hình 3.6: Contactor Schneider LC1D12
3.1.5 Relay nhiệt
+ Dòng định mức relay nhiệt khi khởi động trực tiếp là: 𝐼𝑂𝐿=1,2*𝐼𝑑𝑚=1,2*13,06=15,67(A)
Chọn Relay RLE21
+ Dòng điện định mức relay nhiệt khởi động định mức Y/∆ là: 𝐼𝑂𝐿=𝐼𝑑𝑚
√3=13.06
√3 =7,54 (A) Chọn Relay RLE 14
3.2 Thiết bị sử dụng trong hệ thống 3.2.1 Bể chứa nước ngầm
- Nhà dân cư 1600 người (lấy trung bình 5 người/căn hộ), Tiêu chuẩn dùng nước lấy 200 l/ng/ngày đêm.
=> Lưu lượng nước dân cư Q = 200 x 1600/1000=320 m³ /ngày đêm.
- Tính toán nhu cầu cấp nước cho các dịch vụ công cộng: tưới cây, rửa sàn ...Chọn theo tiêu chuẩn: TCXDVN-33-2006, chọn lưu lượng nước cấp cho nhu cầu công cộng bằng 10% lưu lượng tính toán cho tòa nhà.
=> Lưu lượng nước cho các dịch vụ công cộng: Qcc = 320 x 0,1 = 32 m³/ngày đêm Tổng lưu lượng nước cấp vào cho tòa nhà:
=> Qtc = Q+ Qcc = 320+32 =352 m³/ngày đêm. Ta chọn 360 m³/ngày đêm. Dung tich bể chứa nước ngầm được tính theo công thức:
=> Qbể = (0,5÷2) x Qngày/đêm = 1,6 x 360 = 576m³/ngày đêm. => Chọn bể nước ngầm có dung tích: 600 m³
3.2.2 Tính chọn đồng hồ nước
Bảng 3-3: Kiểu đồng hồ đo nước
Kiểu đồng hồ đo nước
Cỡ đồng hồ Lưu lượng danh nghĩa (m3/ngày)
Lưu lượng cho phép
Lưu lương lớn nhất/ngày (m3/ngày) Giới hạn dưới (m3/giờ) Cánh quạt 15 20 25 32 40 50 11 1.6 2.5 4 6.3 10 6 10 14 20 40 60 0.04 0.06 0.08 0.105 0.170 0.220 Tuốc bin 50 80 100 150 200 250 15 45 75 160 165 410 140 500 880 2000 3400 5200 3 6 8 10 18 50
*Nguồn: Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 4513-1988
- Trong đó chọn Q ngày đêm = 160 khối/ngày đêm = 7 khối/ giờ.
- Chọn đồng hồ đo nước loại cánh quạt trục ngang cở đồng hồ 50 (từ 10 - 60 Khối/ngày).
Hình 3.8: Đồng hồ đo nước DN50 Komax
Thông số kỹ thuật và thông tin sản phẩm:
- Nhiệt độ làm việc: Max 50 độ C - Áp lực làm việc: 16 Bar
- Thân: Gang, đồng, Inox
- Vật liệu phụ: Nhựa, Inox, Jong cao su, vòng đệm… - Chuyển động: Từ tính mặt số khô dễ đọc - Tiêu chuẩn: BS - Hãng sản xuất: Komax - Cấp độ: B 3.2.3 Kích thước đường ống + D = √3,14∗𝑉4𝑄 Trong đó: D: Đường kính ống (m)
Q: Lưu lượng trong ống (l/s) V: Vận tốc nước (m/s)
Ở mục 6.5 Trang 14 Trong tiêu chuẩn 4513-1988. Lấy nước dùng cho mọi nhu cầu sinh hoạt vận tốc V = 2 m/s
Ống hút: Lưu lượng 10 m³/h, vận tốc 2 m/s. Chọn ống có đường kính DN125. Ống đẩy: Lưu lượng 10 m³/h, vận tốc 2,5 m/s. Chọn đường kính ống đẩy DN125.
3.2.4 Bể nước mái
- Nhu cầu sử dụng nước trong một giờ: 𝑄ℎ = 320/24 = 14m³/h.
=> Dung tich điều hòa bể nước mái: 𝑊𝑏𝑐= 0,3 * 𝑄𝑛𝑔à𝑦/đê𝑚 = 0,3 x 320 = 96 m³. => Chọn bể nước mái cho sinh hoạt là: 100m3
Hình 3.9: Bồn nước lắp ghép GRP dung tích 100m³
Thông số kĩ thuật
- Bồn chứa nước ghép GRP Megasun - Dung tích bồn chứa: 100 m³
- Chiều dài bể chứa: 10 m - Chiều rộng bể chứa: 5 m - Chiều cao bể chứa: 2 m - Bảo hành: 3 năm
3.2.5 Van một chiều
Hình 3.10: Van một chiều lá lật Inox
Thông số kỹ thuật:
- Kiểu van: Lá lật, cánh bướm, đĩa, lò xo, cửa lật - Chất liệu: Inox SUS304, SUS316, SUS201 - Kích thước: DN15 - DN500
- Áp lực: PN10 - PN16 - PN25 -Tiêu chuẩn: JIS, BS
-Kiểu lắp: Nối bích, Nối ren
-Môi trường: Nước, Hơi, Khí, Hóa chất -Nhiệt độ làm việc: - 5 ~ 180 độ C -Made in: Korea, Taiwan, China -Bảo hành: 12 tháng
3.2.6 Phao điện
Hình 3.11: Phao điện Baren
Thông số:
+ Hãng: Baren + Bảo hành: 1 năm
+ Dễ dàng lắp đặt với 2 bóng sử dụng kẹp dây Củ điện có lỗ thông hơi để hơi nước không ảnh hưởng đến lõi củ đảm bảo cho độ bền của sản phẩm Sử dụng cho bể nước trên cao hoặc bồn inox
+ Cơ chế hoặt động: Tự động đóng mở khi hết nước.
+ Phao điện Baren: Sử dụng cho máy bơm đẩy, nước đầy tự động ngắt. thích hợp cho mọi loại máy bơm sử dụng đước cho mọi loại bồn nước, hồ nước. Nếu sử dụng kết hợp với Rơ Le Baren để chuyển đổi điện xoay chiều 220V thành điện 1 chiều 12V sẽ an toàn khi sử dụng và kéo dài tuổi thọ cho phao điện.
3.2.7 Bình tích áp
Hình 3.12: Bình tích áp Varem 500L 10bar
THÔNG TIN - Model: US060361CS000000 - Hãng sản xuất: Varem - Xuất xứ: Italy - Dung tích: 500lít - Áp lực: 10 bar - Bảo hành: 12 Tháng
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 4.1 Thiết bị mạch điều khiển
4.1.1 PLC VÀ MODULE
Chọn PLCSIMATIC S7-300 CPU 313C 2DP 6ES7313-6CG04-0AB0
+ 16 ngõ vào số/16 ngõ ra số + Bộ nhớ làm việc: 128kB. + Tốc độ xử lý: 0.07us. + Nguồn điện: 24 VDC + Timer/counter: 256/256. + Vùng nhớ: 256 byte. + 3 bộ đếm tốc độ cao 30 kHz + Truyền thông: MPI, Profibus DP + Kích thước: 8.60 x 10.10 x 7.10 + Khối lượng: 0,54 kg
+ Hãng sản xuất: Siemens AG + Xuất xứ: Germany
+ Điều khiển độ rộng xung. Xuất xung 2.5 kHz. Điều khiển vòng kín.
+ Module Mở rộng
Hình 4.2: Module PLC Analog SM 334 6ES7334-0CE01-0AA0
Thông số:
SIMATIC S7-300, Analog module SM 334, 4 AI/2 AO, 1x 20-pole, Kích thước: 8.60 x 10.10 x 7.10
Khối lượng: 0,244 Kg Hãng sản xuất: Siemens AG
Xuất xứ: Germany
4.1.2 Cảm biến áp suất
Hình 4.3: Cảm biến áp suất 50 bar M5256-C3079E-050BG
Thông số kĩ thuật:
Cảm biến áp suất M5256-C3079E-050BG - Phạm vi đo: 0 ~ 50bar
- Ngõ ra: 4~20mA (được bảo vệ nối ngược cực và ngắn mạch). - Nguồn cấp: 9-30VDC.
- Điện trở cách điện: 100MΩ -500VDC
- Kiểu nối cáp: Mini DIN43650 - Nối ren: PT1/4" - Nhiệt độ hoạt động: -40~125℃. - Áp suất đột ngột: 5 lần áp suất định mức - Thân vỏ thép không gỉ - Chịu rung 20G, 20~200Hz - Trọng lượng: 85g.
- Môi chất: nước, dầu, khí.
- Giấy hợp chuẩn CE về công nghệ nặng. - Xuất xứ: Korea.
4.1.3 HMI
Hình 4.4: Màn hình HMI Weintek MT6071IP
Hiển thị:
+ Kích thước hiển thị: 7inch TFT + Độ phân giải (WxH dots): 800×480 + Độ sáng (cd/m2): 350
+ Tuổi thọ LCD: >30,000 hr. + Màu sắc: 16.000 màu
+ Tấm cảm ứng: 4-wire Resistive Type
Cấu hình:
+ Bộ nhớ (MB): 128 + RAM (MB): 64
+ Cortex A8 CPU 600MHz + USB Host: USB 2.0 x 1 + USB Client: Mico USB + Khe cắm thẻ SD: Không + RTC Built-in
Truyền thông, in/out: COM1 RS-232, COM2 RS-485 2W/4W Nguồn: 24 ± 20%VDC
Đặc điểm:
+ Vỏ: Nhựa
+ Kích thước bao ngoài (WxHxD) 200.4 x 146.5 x 34 mm + Kích thước khoét lỗ: 192 x 138 mm
+ Nhiệt độ hoạt động: 0° ~ 50°C (32° ~ 122°F) + Khối lượng: 0.52 Kg
4.2 Chức năng của hệ thống và phân tích hệ thống
- Vận hành hệ thống thông qua HMI
- Hệ thống được hoạt động ở 2 chế độ tự động (Auto) và chế độ bằng tay (MANU) - Các chức năng chính của hệ thống điều khiển tự động:
+ Đo lường: do đầu đo cảm biến áp suất đo lường và chuyển đổi đưa về biến tần, phao điện báo mức bật tắt các bơm.
+ Xử lí thông tin: PLC sẽ xử lí tín hiệu, điều khiển thiết bị đầu ra và hiển thị trên màn hình.
+ Điều khiển: HMI phối hợp biến tần sẽ làm việc này theo yêu cầu
+ Giám sát: HMI và biến tần và cảm biến áp suất sẽ giám sát hệ thống hoạt động
Đo lường Xử lí thông tin Điều khiển Hiển thị
Phân tích sơ đồ khối:
+ Khi khởi động hệ thống ta sẽ nhập dữ liệu từ màn hình WinCC và chọn chế độ Auto hệ thống hoạt động như sau:
Nếu két nước hết nước thì sẽ điều khiển biến tần 1 bật bơm chính (bơm 1 hoặc bơm 2 theo ca làm việc đã cài đặt theo thời gian thực). Khi đó bơm chính sẽ chạy dần dần đến khi ổn định theo áp suất đã cài đặt.
Nếu tải tăng mà bơm chính chạy hết công suất mà áp suất vẫn nhỏ hơn áp suất đặt thì cảm biến áp suất báo về PLC và sau đó PLC truyền tín hiệu để biến tần 2 bật bơm dự phòng và điều khiển bơm hoạt động sao cho áp suất thực tế lúc này bằng áp suất