CHƯƠNG 3 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.3 Tổng quan về bơm và ghép bơm
3.3.1 Khái niệm và phân loại bơm
3.3.1.1 Khái niệm
Bơm là loại thiết bị được áp dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, dùng để vận chuy n ch t lể ấ ỏng chuyển động trong ống. Bơm là loại thi t b chính cung cế ị ấp năng lượng cho chất lỏng để thắng tr lở ực trong đường ống khi chuyển động, nâng chất lỏng lên độ cao nào đó, tạo lưu lượng trong thiết b công nghị ệ,… Năng lượng của bơm đượ ấy từ c l các nguồn động năng khác.
3.3.1.2 Phân loại
Theo nguyên lý hoạt động, bơm chất lỏng chia làm ba nhóm chính sau:
- Bơm thể tích: việc hút và đẩy chất lỏng ra khỏi bơm nhờ sự thay đổi thể tích của khơng gian làm việc trong bơm. Do đó thể tích và áp su t ch t l ng trong ấ ấ ỏ bơm sẽ thay đổi, cung cấp năng lượng cho chất lỏng.
Việc thay đổi thể tích trong bơm có thể do: Chuyển động tịnh tiến (bơm piston) Chuyển động quay (bơm roto)
- Bơm động lực: việc hút và đẩy chất lỏng ra khỏi bơm nhờ sự chuyển động quay trịn c a các ủ bơm, khi đó động năng của cánh qu t s truyạ ẽ ền vào chất lỏng tạo năng lượng cho dòng chảy.
Năng lượng của cánh quạt truy n vào ch t lỏng có th dưới dạng: ề ấ ể Lực ly tâm (bơm ly tâm)
Lực đẩy c a cánh quủ ạt (bơm hướng trục) Lực ma sát (bơm xốy lốc)
- Bơm khí động: việc hút và đẩy chất lỏng được thực hiện nhờ sự thay đổi áp suất của dịng khí chuyển động trong bơm và tạo năng lượng cho dịng ch y. ả
Bơm Ejector: việc thay đổi áp su t dịng khí s t o ra l c lôi cu n chấ ẽ ạ ự ố ất lỏng cùng dịng khí.
Thùng nén: t o áp su t trên b m t ch t l ng nh m t o cho ch t lạ ấ ề ặ ấ ỏ ằ ạ ấ ỏng có thế năng cần thiết để chuyển động.
3.3.2 Ghép bơm
3.3.2.1 Ghép bơm song song
Trong các trạm bơm câp nước cũng như thoát nước, khi yêu câu v n chuyên mậ ột lưu lượng nướ ớn người ta thườc l ng sử dụng nhiêu bơm cùng làm việc.
Các bơm khi làm việc cùng cấp nước vào một hệ thống đường ống gọi là làm việc song song. Vì thế khi các bơm làm việc song song trong hệ thống thì chúng có cột áp bằng nhau và b ng c t áp yêu c u c a hằ ộ ầ ủ ệ thống, còn lưu lượng c a hủ ệ thống s b ng tẽ ằ ổng lưu lượng của các bơm.
Trong th c t ự ế người ta có th ghép hai ho c nhiể ặ ều bơm làm việc song song trên cùng một hệ thống đường ống. Thậm chí có những trường hợp hai trạm làm việc song song trên một hệ thống đường ống. Để xác định điểm làm vi c c a tệ ủ ừng bơm phả ựng đường đặc i d tính tổng c ng c a chúng khi làm vi c song song. ộ ủ ệ
Figure 3.3-1 H ệthống hai bơm (cùng đặc tính) ghép song song
Hai bơm cùng đặc tính làm việc song song:
Trên Figure 3.3-1 gi i thiớ ệu hai bơm cùng đặc tính Q-H làm vi c song song trên ệ cùng đường ống.
Do khi làm vi c song song, c t áp tệ ộ ổng H,„ của h ệthống băng cột áp c a tủ ừng bơm: 𝐻𝑡𝑐 = 𝐻1 = 𝐻2 =𝐻3 =... = 𝐻𝑛 (1)
nên khi dựng đường đặc tính t ng c ng ch cổ ộ ỉ ần nhân đơi hồnh độ ( lưu lượng) còn tung độ (cột áp) giữ nguyên.
Figure 3.3-2 Đặc tính làm việc song song của hai bơm giống nhau
Ví dụ : tìm c trên đường đặc tính t ng c ng Q-ổ ộ 𝐻(1+2), ch vi c lỉ ệ ấy ac = 2ab. Tương tự như vậy s ẽ tìm được các điểm của đường đặc tính tổng cơng Q-𝐻(1+2).
Giao điểm giữa hai đường đặc tính đường ống DE và đường đặc tính tổng cộng Q- 𝐻(1+2)là điểm làm việc của hai bơm ghép song song, hoành độcho lưu lượng tổng cộng Q-𝐻(1+2), tung độ cho c t áp t ng c ng ộ ổ ộ 𝐻(1+2). Từ điểm 2 kẻ đường song song v i trớ ục hoành, đường này cắt đường đặc tính c a mủ ỗi bơm Q- 𝐻1,2 tại điểm 1 cho lưu lượng 𝑄1, cột áp 𝐻1 c a tủ ừng bơm khi làm việc song song trong h ệthống. Như vậy khi hai bơm làm việc song song trong hệ thống, chúng luôn tuân theo điều ki n (1) và (2). Tệ ừ đồ thị Figure 12 thấy :
𝐻(1+2)= 𝐻1= 𝐻2 𝑄1= 𝑄2=𝑄(1+2) 2
Từ điểm I k ẻ đường song song v i trớ ục tung được điểm 3 và 4 cho công su t và hiấ ệu suất của từng bơm khi làm việc song song trong hệ thống.
Giao điểm 5 của đường đặc tính từng bơm Q- 𝐻1,2 với đường đặc tính đường ng ố xác định điểm làm việc của từng bơm trong hệ ống cho lưu lượ th ng Q, cột áp H. Từ điểm 5 kẻ đường song song v i trớ ục tung được điểm 6 và 7 xác định công su t và hi u su t cấ ệ ấ ủa tưng bơm khi làm việc riêng rẽ.
Từ đồthị Figure 3.3-2 thấy:
2𝑄1= 𝑄(1+2)< 2𝑄
Tức là lưu lượng tổng cộng của hai bơm ghép song song trên một hệ thống đường ống nhỏ hơn tổng lưu lượng của chúng khi làm việc riêng rẽ trong hệ thống ấy. Nguyên nhân c a s giủ ự ảm lưu lượng này là do khi các bơm làm việc song song, lưu lượng trong đường ống tăng lên sẽ làm tăng tôn thất cột áp. Do đó cột áp tồn phần của bơm cũng tăng lên, điểm làm việc lùi về phía có cột áp lớn, vì thế lưu lượng của bơm khi làm việc song song bị giảm đi so với khi làm việc riêng rẽ.
Sự làm vi c song song c a hai ệ ủ bơm có lợi nhất trong trường hợp điểm làm việc 1 ứng với giá tr hi u su t l n nhị ệ ấ ớ ất. Điều đó có thê thực hiện được n u chế ọn bơm hợp lý. Khi chọn bơm, lấy lưu lượng của mỗi bơm bằng nửa lưu lượng tính tốn, cịn cột áp toàn phần xác định ứng với giá trị lưu lượng tính tốn.
3.3.2.2 Ghép bơm nối tiếp
Các bơm gọi là làm việc nối tiếp nêu sau khi ra khỏi bơm này, chấ ỏng được đưa t l tiếp vào ống hút của bơm kia, rồi sau đó mới được đưa vào hệ thông. Như vậy khi các bơm làm vi c n i tiệ ố ếp, lưu lượng c a chúng b ng nhau và bủ ằ ằng lưu lượng t ng c ng c a h ổ ộ ủ ệ thống:
𝑄1 = 𝑄2 =...=𝑄ℎ𝑡 còn cột áp của hệ thông băng tông cột áp của các bơm:
𝐻ℎ𝑡 =𝐻2 + 𝐻2+ 𝐻3+...
Các bơm làm việc nối tiếp được sử dụng khi hệ thống yêu cầu áp lực cao mà một bơm không đáp ứng được.
Figure 3.3-3 H ệthống 2 bơm (cùng đặc tính) ghép n i tiố ếp
Hệ thống 2 bơm (cùng đặc tính) ghép nối tiếp:
Trên Figure 3.3-4 gi i thiớ ệu đặc tính của hai bơm giống nhau làm vi c n i tiệ ố ếp. Đặc tính t ng c ng cổ ộ ủa hai bơm được d ng b ng cách: ng v i mự ằ ứ ớ ỗi điểm trên đường đặc tính của bơm, giữ ngun hồnh độ và nhân đơi tung độ. Ví dụ điểm c trên đường đặc tính t ng ổ cộng Q-𝐻(1+2) nhận được bằng cách lấy tung độ ac = 2ab, cịn hồnh độ giữ ngun. Đặc tính đường ng CE cố ắt đặc tính Q-𝐻(1+2) tại A xác định điểm làm vi c cệ ủa hai bơm trong hệ thống. T ừ đường đặc tính xác định được lưu lượng 𝑄(1+2) và cột áp 𝐻(1+2) của hai bơm làm việc nố ếp. Lưu lượi ti ng của mỗi bơm:
𝑄1= 𝑄2= 𝑄(1+2)
Và cột áp:
𝐻1= 𝐻2=𝐻(1+2) 2
Figure 3.3-4 Đặc tính làm việc của hai bơm ghép nối ti p ế
Figure 3.3-5 Đặc tính làm việc của hai bơm ghép nối ti p ế
Trên Figure 3.3-5 gi i thiớ ệu đặc tính của hai bơm giống nhau ghép n i ti p khi có ố ế . Cách dựng đường đặc tính t ng cổ ộng cũng giống như trường hợp trên. A là điểm
hệ thống y. Tấ ừ đồ thị thấy răng, trong trường hợp này khi ghép hai bơm làm việc nối tiếp khơng nh ng có khữ ả năng tăng cột áp mà cịn tăng cả lưu lượng của hệ thống.
3.4 Tổng quan bộ điều khiển PID
3.4.1 Tổng quan bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID (A proportional integral derivative controller) là b ộ điều khi n s ể ử dụng k ỹthuật điều khi n theo vịng l p có h i tiể ặ ồ ếp được s d ng r ng rãi trong các h ử ụ ộ ệthống điều khiển tự động. Một bộ điều khiển PID c g ng hi u ch nh sai l ch gi a tín hi u ngõ ra ố ắ ệ ỉ ệ ữ ệ và ngõ vào sau đó đưa ra một tín hiệu điều khiển để điều chỉnh quá trình cho phù hợp.
Hệ thống được thiết kế hồ ếp âm đơn vị có sơ đồi ti khối như sau:
Figure 3.4-1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vịng kín
Bộ điều khi n PID là mể ột cơ chế điều khi n l p h i tiể ặ ồ ếp được sử d ng r ng rãi trong ụ ộ hệ thống điều khiển công nghi p do d s d ng. M t b ệ ễ ử ụ ộ ộ điều khiển PID điều ch nh gi a giá ỉ ữ trị biến đo được và giá tr mong muị ốn đạt được b ng cách tính tốn và xu t ra m t "tín hiằ ấ ộ ệu điều ch nh" ỉ nhanh chóng để ữ cho sai lệch ở mức nhỏ nhất có thể gi được.
Figure 3.4-2 Sơ đồ khối PID
Thành phần t l (Kp) có tác dỉ ệ ụng làm tăng tốc độ đáp ứng c a h và làm gi m ch ủ ệ ả ứ không tri t tiêu sai s xác l p cệ ố ậ ủa hệ (steady-state error).
Thành ph n tích phân (Ki) có tác d ng tri t tiêu sai s xác lầ ụ ệ ố ập nhưng có thể làm giảm tốc độ đáp ứng của hệ.
Thành phần vi phân (Kd) làm tăng độ ổn định hệ thống, giảm độ ọ ố v t l và c i thiả ện tốc độ đáp ứng của hệ.
Như vậy, từ ba thành phần (tỉ lệ, tích phân, vi phân), có thể xây dựng thêm các bộ điều khiển khác như bộ điều khiển P, b ộ điều khi n PI, b ể ộ điều khiển PD, tùy vào đối tượng tác động cụ thể mà ta sử dụng các bộ điều khiển cho thích hợp. ở đây chỉ nghiên cứu sâu về bộ điều khi n PID. ể
Xét ảnh hưởng c a các thành phủ ần Kp, Ki, Kd đối v i h ớ ệ kín được tóm t t trong bắ ảng sau:
Thành phần Thời gian đáp ứng
Độ quá điều chỉnh
Thời gian quá độ
Ổn định ở trạng thái xác l p ậ
KP Giảm Tăng Thay đổi ít Giảm
KI Giảm Tăng Tăng Bị loại bỏ
KD Thay đổi ít Giảm Giảm Thay đổi ít
Table 3.4-1 Ảnh hưởng của các thành ph n Kp, Ki, Kd vầ ớ ệi h kín
Khi thiết kế b ộ PID nên theo các bước sau để có kết quả như mong muốn: + Tìm đáp ứng hệ hở và xác định thông số nào cần cải thiện. + Thêm thành phần Kp để ải thiệ c n thời gian đáp ứng. + Thêm thành phần Kd để ảm độ ọt lố gi v .
+ Thêm thành phần Ki đểtriệt tiêu sai số xác l p. ậ
3.4.2 Tìm hiểu khối hàm PID_Compact trong Tia Portal
Figure 3.4-3 Khối PID Compact trong Tia Portal
Công d ng: PID_Compact cung c p 1 b ụ ấ ộ điều khi n PID v i chể ớ ức năng tự điều ch nh ỉ cho chế t ng hođộ ự độ ặc bằng tay.
Thông s ố Ngõ vào/ra
Kiểu Mô tả
Setpoint IN Real Điểm đặt của bộ điều khiển PID trong chế độ tự động.Giá tr mặc định:0.0 ị
Input IN Real Giá trị t quá trình. Giá tr mừ ị ặc định: 0.0. Phải đặt sPid_Cmpt.b_Input_PER_On=FALSE Input_PER IN Word Giá trị xử lý analog (tùy chọn).Giá tr mị ặc định:
W#16#0.
Phả ặi đt sPid_Cmpt.b_Input_PER_On =TRUE. ManualEnable IN Bool Cho phép ho c không cho phép chặ ế độ ậ v n
hành b ng tay.Default value: FALSE . Trên ằ cạnh c a s chuyủ ự ển đổi từ FALSE sang TRUE,bộ điều khi n PID chuy n sang ch ể ể ứ độ bằng tay,State=4 và sRet.i_Mode v n không ẫ đổi Trên cạnh c a sự ủ thay đổi từ TRUE sang
FALSE,bộ điều khi n PID chuy n t i ch ể ể ớ ế độ v n ậ hành cu i cùng và State = sRet.i_Mode ố ManualValue IN Real Giá x lí cho vi c v n hành b ng tay. Default trị ử ệ ậ ằ
value: 0.0
Reset IN Bool Khởi động lại bộ điều khiển Default value: FALSE.
Nếu Reset=TRUE, những điều sau đây được áp dụng:
Mode: Ch ế độ vận hành không hoạt động Input Value = 0
Integral part of the process value = 0 Giá tr trung gian c a h ị ủ ệthống được reset
(các thơng số PID được duy trì)
ScaledInput OUT Real Giá tr ị quá trình được tỷ l . Giá tr mệ ị ặc định: 0.0 Output(1) OUT Real Giá trị đầu ra. Giá tr mị ặc định: 0.0
Output_PER(1) OUT Word Giá trị đầu ra analog. Giá tr mị ặc định: W#16#0 Output_PWM(1) OUT Bool Giá trị đầu ra cho điều chế độ r ng xung. Giá tr ộ ị
mặc định: FALSE
SetpointLimit_H OUT Bool Giới hạn trên c a SP. Default value: FALSE ủ Nếu SetpointLimit_H=TRUE, đạt đến giới hạn trên tuyệt đối của SP Default value: FALSE SetpointLimit_L OUT Bool Giới hạn dướ ủa SP .Default value: FALSE i c
Nếu SetpointLimit_H=TRUE, đạt đến giới hạn dưới tuyệt đối của SP. Default value: FALSE InputWarning_H OUT Bool N u InputWarning_H = TRUE, giá tr xế ị ử lí
(PV) đạt đến hay vượt m c gi i h n trên Default ứ ớ ạ value: FALSE
InputWarning_L OUT Bool N u InputWarning_H = TRUE, giá tr x lí(PV) ế ị ử đạt đến hay vượt mức giới hạn dưới Default value: FALSE
State OUT Int Chế độ v n hành hi n tậ ệ ại của bộ điều khi n PID ể Default value: 0
Sử dụng sRet.i_Mode để chuy n ch ể ế độ State = 0: Inactive
State = 1: Pretuning (điều chỉnh sơ bộ) State = 2: Manual fine tuning State = 3: Automatic mode State = 4: Manual mode
Error OUT DWord Giá tr mị ặc định báo l i: DW#16#0000 (no ỗ Error)
Table 3.4-2 Thông s b PID_Compact ố ộ
3.5 Mạng truy n thông trong công nghiề ệp – mạng RS 485
3.5.1 Khái niệm và vai trò m ng truy n thông công nghi p ạ ề ệ
3.5.1.1 Khái niệm
Đây là một khái niệm chung chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, được sử dụng để ghép nối các thiết bị công nghiệp. Các hệ thống truy n thông công ề nghiệp ph bi n hi n nay cho phép liên kổ ế ệ ết mạng nhi u m c khác nhau, t các c m biở ề ứ ừ ả ến, cơ cấu chấp hành dướ ấp trường cho đến các máy tính điềi c u khiển, thiết bị quan sát, máy tính điều khiển giám sát và máy tính cấp điều hành xí nghiệp, quản lý cơng ty.
3.5.1.2 Vai trò
Việc s dử ụng m ng truy n thông công nghiạ ề ệp, đặc biệt là bus trường để thay th ế cách nối điểm-điểm cổ điển giữa các thiết b công nghi p mang l i hàng loị ệ ạ ạt những l i ích ợ như sau:
- Một đường truyền duy nhất: Việc này giúp đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thi t bế ị công nghi p. M t sệ ộ ố lượng l n các thi t bớ ế ị thuộc các ch ng ủ loại khác nhau được ghép n i v i nhau thông qua mố ớ ột đường truy n duy nhề ất.
- Tiết ki m dây n i và công thi t k , lệ ố ế ế ắp đặ ệ thốt h ng: Nh cờ ấu trúc đơn giản, việc thi t k h ế ế ệthống tr nên d ở ễ dàng hơn nhiều. M t s ộ ố lượng l n cáp truyớ ền được thay thế bằng một đường duy nhất, giảm chi phí đáng kể cho nguyên vật liệu và công lắp đặt.
- Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thơng tin: Khi dùng phương pháp truyền tín hiệu tương tự cổ điển, tác động của nhi u d ễ ễ làm thay đổi nội dung thông tin mà các thi t b khơng có cách nào nh n bi t. Nh kế ị ậ ế ờ ỹ thuật truyền thông s , không nh ng thông tin truyố ữ ền đi khó bị sai lệch hơn, mà các thiết bị nối m ng cịn có thêm khạ ả năng tự phát hi n lệ ỗi và chẩn đoán lỗ ếi n u có. Hơn thế nữa, việc bỏ qua nhiều lần chuyển đổi qua lại tương tự-số và số- tương tự nâng cao độ chính xác của thơng tin.