CHƯƠNG 1. TÌM HIỂU MÔ HÌNH HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC MỎ

Nhóm chúng em đã thực hiện tìmhiểu mô hình thực tế hệ thống bơm thoát nước mỏ trong phòng thí nghiệm của nhà trường từ các tài liệu sưu tầm được từ các anh chị khoá trước, các bài thì ng

Contents

LỜI MỞ ĐẦU

Trong xã hội ngày càng phát triển hiện nay nói chung và trong các ngành công nghiệpnói riêng, Tự động hóa ngày một giữ vai trò quan trọng Hầu hết các nhà máy, xí nghiệpcông nghiệp hiện đại có quy mô từ nhỏ đến lớn đều đã và đang áp dụng những tiến bộ khoahọc-kỹ thuật, những dây chuyền sản xuất tự động hóa nhằm tiết kiệm chi phí nhân công laođộng, nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm Điều đó góp phần không nhỏ choviệc thúc đẩy sự phát triển của đất nước Nhận thức được tầm quan trọng của Tự động hóa,cùng với sự định hướng của thầy TS Nguyễn Chí Tình Nhóm chúng em đã thực hiện tìmhiểu mô hình thực tế hệ thống bơm thoát nước mỏ trong phòng thí nghiệm của nhà trường

từ các tài liệu sưu tầm được từ các anh chị khoá trước, các bài thì nghiệm nhằm mục đích

mô phỏng lại một số quá trình tự động hóa trong thực tế từ đó rút ra được một số kinhnghiệm cho bản thân để sau này có thể tiếp cận với thực tế sản xuất được dễ dàng hơn.Đồng thời cũng giúp các em khóa dưới hiểu rõ hơn về hệ thống, từ đó có thể đưa ra nhữngsáng kiến và ý tưởng mới để hoàn thiện và cải tiến hơn nữa mô hình nhằm nắm vững cáckiến thức về Tự động hóa

Bom m?i Ðu?ng ?ng B

CB Luu lu?ng A Van B1 Van B2 Van B3

CB Luu lu?ng B

Van 1 chi?uVan 1 chi?uVan 1 chi?u Van A1Van A2Van A3

bố trí thiết bị của hệ thống thoát nước mỏ trong phòng thí ngiệm như sau:

Hình 1.1 Sơ đồ mặt bằng bố trí

1.1.2 Mô hình thực tế

a) Cấu tạo

Hình 1.4 Cấu tạo bơm ly tâm

Cấu tạo của máy bơm ly tâm gồm có 6 bộ phận chính: trục, bánh xe công tác, bộ phậnhướng ra, bộ phận hướng vào, ống hút và ống đẩy

- Trục bơm của máy ly tâm thường được chế tạo bằng thép hợp kim Trục bơmcủa máy sẽ được lắp với bánh công tác nhờ mối ghép then

- Bánh công tác của máy bơm ly tâm có kết cấu 3 dạng chính là một cánh mởhoàn toàn, một cánh mở một phần và cánh kín Cấu tạo bánh công tác được đúc bằnggang và thép nên rất chắc chắn và an toàn Các bề mặt cánh dẫn và đĩa bánh công tác

có độ nhẵn tương đối tốt giúp hạn chế về tổn thất, hao mòn Phần Roto của máy lytâm được tạo nên bởi bánh công tắc lắp trên trục của bơm với các chi tiết nhỏ được cốđịnh với trục Bánh công tác và Roto luôn được cân bằng tĩnh và cân bằng động giúpcho quá trình làm việc bánh công tác không bị cọ xát vào thân bơm

- Các bộ phận dẫn hướng vào, bộ phận dẫn hướng ra, ống hút, ống đẩy được làmbằng gang đúc hoặc tôn hàn, cao su Với cấu tạo đặc biệt, máy bơm ly tâm có những

ưu điểm vượt trội là rất khoẻ, động cơ thường với công suất rất lớn

b) Nguyên lý

Bơm ly tâm là loại bơm theo nguyên lý lực ly tâm Nước được dẫn vào tâm quay củacánh bơm Nhờ lực ly tâm, nước bị đẩy văng ra mép cánh bơm Năng lượng bên ngoài thôngqua cánh bơm đã được truyền cho dòng nước, một phần tạo nên áp năng,

một phần tạo thành động năng khiến nước chuyển động.Trước khi máy bơm làm việc,cần phải làm cho thân bơm (trong đó có bánh công tác) và ống hút được điền đầy chấtlỏng, thường gọi là mồi bơm.

Khi máy bơm làm việc, bánh công tác quay, các phần tử chất lỏng ở trong bánhcông tác dưới ảnh hưởng của lực ly tâm bị văng từ trong ra ngoài, chuyển động theo cácmáng dẫn và đi vào ống đẩy với áp suất cao hơn, đó là quá trình đẩy của bơm Đồng thời,

ở lối vào của bánh công tác tạo nên vùng có chân không và dưới tác dụng của áp suấttrong bể chứa lớn hơn áp suất ở lối vào của máy bơm nước, chất lỏng ở bể hút liên tục bịđẩy vào bơm theo ống hút, đó là quá trình hút của bơm Quá trình hút và đẩy của bơm làquá trình liên tục, tạo nên dòng chảy liên tục qua bơm

Bộ phận dẫn hướng ra (thường có dạng xoắn ốc nên còn gọi là buồng xoắn ốc) đểdẫn chất lỏng từ bánh công tác ra ống đẩy được điều hòa, ổn định và còn có tác dụng biếnmột phần động năng của dòng chảy thành áp năng cần thiết

1.2.2 Bơm mồi

Hình 1.5 Bơm mồi

1.2.3 Biến tần

Hình 1.6 Biến tần a) Cấu tạo

Hình 2.7 Cấu tạo biến tần.

Cấu tạo gồm 2 phần chính : phần chỉnh lưu và nghịch lưu,ngoài ra còn có bộ lọc

- Phần chỉnh lưu : gồm 6 đi-ốt mắc theo hình cầu

- Phần nghịch lưu : gồm 6 IGBT cũng mắc theo hình cầu

- Bộ lọc gồm tụ điện mục đích san phẳng điện áp một chiều khi điện áp xoaychiều đi phần chỉnh lưu

b) Nguyên lý hoạt động

Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn

1 chiều bằng phẳng Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụđiện Điện đầu vào có thể là một pha hoặc ba pha, nhưng nó sẽ ở mức điện áp và tần số

cố định

Điện áp một chiều ở trên sẽ được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3pha đối xứng Mới đầu, điện áp Một chiều được tạo ra sẽ được trữ trong giàn tụ điện.Điện áp một chiều này ở mức rất cao Tiếp theo, thông qua trình tự kích hoạt thích hợp

bộ biến đổi IGBT (IGBT là từ viết tắt của Tranzito Lưỡng cực có cổng cách điện hoạtđộng giống như một công tắc bật và tắt cực nhanh để tạo dạng sóng đầu ra của Biến tần)của Biến tần sẽ tạo ra một điện áp xoay chiều ba pha bằng phương pháp điều chế độrộng xung (PWM) Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực hiệnnay, tần số chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn chođộng cơ và giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu

ra có thể thay đổi giá trị biên độ và tần số vô cấp tuỳ theo bộ điều khiển

1.2.4 Van điện từ

Hình 1.8 Van điện từ

a) Cấu tạo

Hình 2.9 Cấu tạo van điện từ

1 Thân van: bằng đồng hoặc inox, nhựa

2 Lưu chất: Chất lỏng ( nước, dầu) hoặc khí ( khí nén, gas, )

3 Trục ống rỗng - Lúc chưa có lưu chất qua

4 Vỏ ngoài cuộn hút ( Dùng để bảo vệ cuộn điện)

5 Cuộn từ - cuộn coil ( Cuộn từ này sẽ sinh từ tạo ra lực hút)

6 Dây điện ( có thể dùng điện áp 220V, 24V, ll0V )

7 Trục van làm kín ( trạng thái bình thường lò xo 8 sẽ tác động ép kín, giúp van ở trạng thái thường đóng )

8 Lò xo

9 Khe hở lưu chất đi qua khi mở van

Về cơ bản 1 van điện từ sẽ có cấu tạo như trên, tuy nhiên do một số yêu cầu kỹ thuật đặc biệt như môi trường làm việc: nhiệt độ, áp lực, chất lưu đi qua, vật liệu chế tạo mà một số loại van điện từ sẽ được thiết kế đặc biệt khác hơn so với hình vẽ trên

thái đóng.

-Tiếp theo chúng ta cấp điện cho van ( Có thể dùng điện áp 220V xoay chiều hoặcđiện áp 24V ) Khi đó cuộn từ - cuộn coil sẽ sinh từ tạo ra một lực hút nhât định, lực hútnày sẽ hút trục van có đĩa đệm và gioăng làm kín lên phía trên

-Với lực hút của cuộn coil - cuộn dây từ sẽ thắng lực đẩy của lò xo thì đĩa đệm và gioăng làm kín với thân van sẽ tạo thành một khe hở nhât định và khi đó lưu chất sẽ lọt qua van và khi lò xo được nén tối đa van điện từ sẽ mở hoàn toàn tạo ra hiện tượng mở van

-Khi chúng ta ngừng cấp điện cho van thì không còn lực hút nào nữa, lò xo sẽ giãn nở một cách tự nhiên ép đĩa đệm và gioăng làm kín vào thân van giúp van trở về trạng thái đóng ban đầu.

-Như vậy khi nào cần mở van thì chúng ta cấp điện và khi nào cần đóng van chúng ta ngừng cấp điện cho nó Vì cuộn từ gần như sinh từ ngay lập tức nên van điện từ thường đóng mở rất nhanh có thể nói là đóng mở ngay tức thì

1.2.5 Van một chiều

Hình 1.10 Cấu tạo van một chiều

a) Cấu tạo

-Phần thân:Là phần toàn bộ bên ngoài mà mắt thường chúng ta có thế quan sát được-Phần kết nối với đường ống (1): Ren - rác co hoặc mặt bích.

-Phần lá lật - đĩa lật (2): Là phần có tác dựng cho nước - khí chỉ đi qua nó theo 1 chiều nhất định – đây là phần đặc trưng của van một chiều

-Trục của đĩa (3): Là phần kết nối giữa thân và đĩa lật, giúp đĩa van lật qua bên phải

và cố định không lật qua trái

-Phần nắp van (4): Giúp chúng ta có thể kiểm tra bên trong, sửa chữa van

c) Nguyên lý hoạt động

Khi không có dòng chất lỏng-khí chảy qua van, phần tử lá lật – đĩa lật của van dướitác dụng của trọng lượng chính nó hoặc lực lò xo được giữ chặt ở ví trí “Đóng” Khixuất hiện dòng chảy đến van, phần tử lá lật – đĩa lật dưới tác động của năng lượng dòngchảy bị đẩy khỏi vị trí đóng và cho phép dòng chảy đi qua van Tại thởi điểm vận tốcdòng chảy về không, phần tử lá lật – đĩa lật quay về vị trí đóng, áp suất cửa ra của vantác động lên phần tử trượt giữ chặt phần tử trượt ở vị trí đóng và ngăn cản dòng chảy vềhướng cửa vào của van Như vậy sự hoạt động của van một chiều hoàn toàn tự độngdưới tác động của chất lỏng-khí

1.2.6 Cảm biến lưu lượng

Hình 1.11 Cảm biến lưu lượng

a) Cấu tạo

Cảm biến lưu lượng nước được cấu tạo bằng thân nhựa, có 1 cánh quạt nước và cảm biến hall.

b) Nguyên lý hoạt động

Khi nước chảy qua van cảm biến làm động cơ quay dẫn đến sự thay đổi trạng thái đầu

ra của cảm biến Hall, đâu ra tín hiệu xung Kết nối cảm biến với đầu vào đếm tốc độ caocủa PLC, ta có thể đếm số xung ra (tần số đầu ra) của cảm biến trong 1 giây sau đó ápdụng công thức Q=F/7.5 để tính ra lưu lượng

+ Q: lưu lượng nước lít/s

Hình 1.13 Cấu tạo van điều khiển bằng tay

_(1): thân_(2): vòng ngăn_(3): O-ring_(4): cầu_(5): tay vặn

b) Nguyên lý hoạt động

Dùng tay để điều chỉnh tay vặn, khi xoay tay vặn quay ngang so với thân van 1 góc

90 độ thì van khóa hoàn toàn, không cho chất lỏng chảy qua Ngược lại khi xoay tay vặnthẳng ra so với thân van một góc 180 độ thì van được mở hoàn toàn

1.3 Tìm hiểu về mạch điều khiển

1.3.1 Tổng quan về các thiết bị sử dụng trong mạch điều khiển

a Bộ điều khiển PLC S7-1200 CPU 1214C AC/DC/RLY của hãng Siemens.

PLC viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập trìnhđược (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thôngqua một ngôn ngữ lập trình Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạttrình tự các sự kiện Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõvào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các

sự kiện được đếm PLC dùng để thay thế các mạch relay (rơ le) trong thực tế PLChoạt động theo phương thức quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào Khi có sựthay đổi ở đầu vào thì đầu ra sẽ thay đổi theo Ngôn ngữ lập trình của PLC có thể làLadder hay Stale Logic Hiện nay có nhiều hãng sản xuất ra PLC như Siemens,Omron, General Electric, Mitsubishi…

Hình 1.14 Mô hình tổng quát của một PLC S7-1200

Cấu trúc phần cứng của PLC S7-1200 CPU 1214C AC/DC/RLY

Hình 1.15 Hình ảnh thực tế của PLC S7-1200 CPU 1214C AC/DC/RLY

+ Đèn RUN-màu xanh: Chỉ định PLC ở chế độ làm việc và thực hiện

chương trình đã được nạp vào bộ nhớ chương trình

+ Đèn STOP-màu vàng: Chỉ định PLC ở chế độ STOP, dừng chương trình

đang thực hiện lại (các đầu ra đều ở chế độ off)

+ Đèn ERROR-màu đỏ, đèn báo hiệu hệ thống bị hỏng có nghĩa là lỗi

phần cứng hoặc hệ điều hành

+ Đèn DIx.x-màu xanh: Chỉ định trạng thái On/Off của đầu vào số

+ Đèn DQx.x-màu xanh: Chỉ định trạng thái On/Off của đầu ra số

Hình 1.16 Sơ đồ chân PLC S7-1200 CPU 1214 AC/DC/RLY

b Rơ le trung gian

Hình 1.17 Rơ le trung gian

+ Nguyên lý hoạt động

Nếu cuộn dây của rơ le được cấp điện áp định mức ( qua tiếp điểm của rơ le

chính) sức từ động do dòng điện trong cuộn dây sinh ra (iw) sẽ tạo ra trong mạch

từ từ thông, hút nắp làm các tiếp điểm thường mở đóng lại và các tiếp điểm

thường đóng mở ra Khi cắt điện của cuộn dây, lò xo nhả sẽ đưa nắp và các tiếp

điểm về vị trí ban đầu Do dòng điện qua tiếp điểm có giá trị nhỏ (5A) nên hồ

quang khi chuyển mạch không đáng kể nên không cần buồng dập hồ quang

Rơ le trung gian có kích thước nhỏ gọn, số lượng tiếp điểm đến 4 cặp thường

đóng và thường mở liên động, công suất tiếp điểm cỡ 5A, 250V AC, 28V DC, hệ số

nhả của rơ le nhỏ hơn 0,4 ; thời gian tác động dưới 0,05s; tuổi thọ tiếp điểm đạt 106

± 107 lần đóng cắt, cho phép tần số thao tác dưới 1200 lần/h

Các thông số kỹ thuật và lựa chọn rơ le trung gian

Dòng điện định mức trên rơ le trung gian là dòng điện lớn nhất cho phép rơ le làm

việc trong thời gian dài mà không bị hư hỏng Khi chọn rơ le trung gian thì dòng

điện định mức của nó không được nhỏ hơn dòng tính toán của phụ tải Dòng điện

này chủ yếu do tiếp điểm của rơ le trung gian quyết định

Iđm = (1,2 ÷ 1,5)Itt = 23,4A

Điện áp làm việc của rơ le trung gian là mực điện áp mà rơ le có khả năng đóng

cắt Ulv > U1 = 380V

Dòng làm việc của rơ le trung gian phải lớn hơn dòng điện định mức của động

cơ Ilv > 15,6 A

Điện áp định mức cấp cho cuộn hút của rơ le là mức điện áp mà khi đó rơ le sẽ

hoạt động Điện áp này phải phù hợp với bộ điều khiển PLC nên điện áp cuộn hút

Uh là 24VDC

1.3.2 Mạch điều khiển bằng tay

Hình 1.18 Mạch điều khiển bằng tay

1.3.3 Mạch đấu nối PLC - điều khiển tự động

Hình 1.19

Mạch điều

khiển tự động

1.3.4 Mạch lực

Hình 1.20 Mạch lực

CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC S7-1200 VÀ WINCC ĐỂ

TỰ ĐỘNG HÓA HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC MỎ

2.1Yêu cầu công nghệ

- Trạm bơm có 03 bơm, hoạt động theo chế độ luân phiên

- Có chế độ mồi bơm cho máy bơm trước khi làm việc

- Tự động khởi động và dừng bơm theo mức nước

- Tự động khởi động bơm 1 khi nước trong bể chứa đạt mức cảm biến trên và dừngbơm 1 khi nước tụt đến mức cảm biến dưới Lần tiếp theo khi mức nước lại lên đếncảm biến mức trên thì bơm 2 khởi động và tự động dừng khi nước tụt đến cảm biếnmức dưới Tương tự cho lần tiếp theo đối với bơm 3

- Tự động đưa bơm dự phòng vào làm việc khi có sự cố

- Nếu cả 3 bơm bị sự cố thì ngừng toàn bộ hệ thống và nhanh chóng tiến hành khắcphục sự cố

- Có hai đường ống :

+ Đường ống A : là đường ống chính

+ Đường ống B : là đường ống dự phòng sự cố, bảo dưỡng

- Các sự cố có thể xảy ra: Sự cố quá nhiệt động cơ của 3 bơm và sự cố vỡ đường ống

A, sự cố vỡ đường ống B

2.1.1 Mồi bơm

Ban đầu ta ấn nút START để hệ thống sẵn sàng làm việc Khi mức nước chạmcông tắc phao trên thì tiến hành mồi bơm Cho bơm mồi hoạt động trong vòng 5s,sau đó cho dừng bơm mồi

2.1.2 Chạy bơm

Hệ thống điều khiển tự động duy trì việc kiểm tra mức nước của bể thu nước trungtâm thông qua cảm biến mức nước, khi mức nước trong bể thu đạt mức cao Mmax,bơm mồi hoạt động mồi cho bơm 1 sau khoảng thời gian t=5s bơm mồi đầy, bơm 1hoạt động và duy trì hoạt động khi mức nước xuống tới mức thấp Mmin thì dừng

hoạt động của bơm 1 Hệ thống tự động chuyển sang trạng thái kiểm tra mức nướccủa bể thu nước trung tâm thông qua cảm biến mức Khi mức nước lên mức Mmaxbơm mồi thực hiện mồi cho bơm 2 nếu qua các bước kiểm tra như đã thực hiện ởbơm 1 thì bơm 2 vào trạng thái duy trì hoạt động cho đến khi mức nước thấp Mminthì dừng hoạt động bơm 2 và quá trình này thực hiện tương tự cho bơm 3 khi mứcnước đạt mức Max và Mmin trong bể thu nước trung tâm Khi bơm 1 bị sự cố thì

hệ thống sẽ tự động dừng bơm 1, đồng thời đóng cho bơm 2 hoạt động, nếu bơm 2cũng bị sự cố thì hệ thống đóng cho bơm 3 vào hoạt động Nếu trường hợp cả 3bơm bị sự cố thì ta cho dừng toàn bộ hệ thống, nhanh chóng khắc phục sự cố cácbơm để đưa hệ thống trở lại hoạt động bình thường

Tại thời điểm các bơm hoạt động mà đường ống A bị sự cố thì phải tiến hànhđảo đường ống cho nước đi theo đường ống dự phòng B

2.1.3 Dừng bơm

Dừng bơm thông thường: Các bơm chỉ dừng hoạt động khi công tắc phao dướiđược tác động hoặc khi ta nhấn nút Stop

Dừng bơm sự cố: Khi các bơm bị gặp sự cố hoặc bị mất điện lưới

2.1.4 Những điều cần chú ý trước khi vận hành bơm

- Kiểm tra kỹ xem tủ điều khiển đã được cấp nguồn hay chưa

- Kiểm tra biến tần số 1 ứng với bơm số 1 xem đã cài đặt đúng thông số chưa

vì biến tần này còn sử dụng vào bài thí nghiệm khác

- Kiểm tra tất cả các đầu nối từ tủ điều khiển xuống mô hình để đảm bảo khôngđầu nối nào bị tuột

- Vặn nút chuyển mạch trên tủ điều khiển sang chế độ Auto

- Mở van tay từ bơm số 1 lên hai dàn ống song song

- Đóng van giả lập sự cố vỡ ống trên đướng ống A

- Dùng điều khiển từ xa RF RM-04 để điều khiển các hạt công tắc ứng với mỗibơm xem có hoạt động tốt không (hạt công tắc dùng để giả lập sự cố quá nhiệt trêntrục động cơ) Sau đó để các hạt công tắc để ở trạng thái sáng đèn (chưa xảy ra sựcố).

2.1.5 Chế độ điều khiển bằng tay

Chế độ điều khiển bằng tay chỉ được sử dụng khi ta muốn thử các bơm và cácvan xem có hoạt động tốt hay không hoặc khi chế độ điều khiển tự động khônghoạt động

Để sử dụng chế độ bằng tay, ta vặn nút chuyển mạch trên tủ điều khiển sang chế

độ Manual Để mồi bơm ta nhấn nút mồi bơm, các bơm sẽ được mồi theo thời gian,thời gian mồi bơm ta có thể tùy chỉnh thông qua một rơ le thời gian trong tủ điềukhiển sao cho đảm bảo các bơm được mồi đầy Để vận hành các bơm thì trên tủđiều khiển sẽ có các nút tương ứng, mỗi bơm sẽ có một nút START và một nútSTOP, muốn chạy và dừng bơm nào ta chỉ cần ấn các nút tương ứng Ta có thể đảođường ống thông qua các công tắc ba cực đặt trên tủ điều khiển