nghiên cứu tổng quan hệ thống giám sát trạm nén khí .thiết kế chương trình điều khiển giám sát cho trạm nén khí có nhiều máy nén

Theo nguyên lí làm việc , gồm có : + Máy nén thể tích : Trong máy này áp khí tăng do nén cỡng bức nhờ giảmthể tích dãn cách không gian làm việc , loại này có máy nén pittong, máy nén rôt

Lời nói đầu

Ngày nay cùng với sự phát triển nhanh chóng và mạnh mẽ của các ngành khoa học kĩ thuật, các phát minh sáng chế đã và đang đợc áp dụng rộng rãi và phổ biến, nhiều thành tựu khoa học kĩ thuật đã đem lại cho nền sản suất có những bớc tiến đột phá, đặc biệt là trong lĩnh vực tự động hóa

Các hệ thống truyền động khí nén đợc sử dụng rộng rãi bởi các u điểm mà các hệ thống truyền động khác không có nh : Kết cấu, sử dụng và điều khiển đơn giản, độ tin cậy làm việc cao, có thể sử dụng trong các môi trờng khắc nghiệt (phóng xạ, hoá chất) Mặc dù vẫn còn tồn tại nhữnghạn chế nhng các hệ truyền

động khí nén vẫn đợc sử dịng rộng rãi và thành công trong nhiều lĩnh vực

Sau quá trình tìm hiểu cùng sự giúp đỡ của thầy giáo hớng dẫn em đã hoàn

thành đợc đề tài thiết kế môn học “Nghiên cứu tổng quan hệ thống giám sát trạm

nén khí Thiết kế chơng trình điều khiển giám sát cho trạm nén khí có nhiều máy nén” đợc giao với các yêu cầu sau:

- Trình bày những vấn đề cơ bản về máy nén khí, các trang thiết bị phục vụ cho quá trình vận hành và tự động hoá hệ thống trạm khí nén

- Từ những yêu cầu về giám sát và bảo vệ trạm khí nén đi sâu thiết kế hệ thống nhiều máy nén khí dựa trên thiết bị logic khả trình PLC S7- 300

Em rất mong nhận đợc sự đánh giá, góp ý của các thầy cô giáo để có thể tìm hiểu và bổ xung cho thiết kế đợc hoan chỉnh

Sinh viên thiết kế

MụC LụC

Lời nói đầu

Mục lục

chơng I:tổng quan về máy nén

1.1 Khái niệm máy nén khí1.2 Phân loại máy nén khí1.4.tự động khống chế máy nén khíCHƯƠNG 2:yêu cầu về trang bị điện cho máy nén

2.1.Yêu cầu2.2 Đặc tính của máy nén2.3 Cấu trúc tổng quát của hệ thống khí nén sử dụng máy nén pistonchơng 3:thiết kế điều khiển và giám sát hệ thống nhiềumáy nén bằng thiết bị logic khả trình plc s7-300

3.1 Thiết kế sơ bộ và các lu đồ thuật toán điều khiển và giám sát hệthống nhiều máy nén khí

3.2 Các lu đồ thuật toán cần thiết để xây dựng hệ thống3.3 ứng dụng lập trình PLC vào hệ thống điều khiển tự động trạm khínén

chơng 4:VI T CHấ́T CHƯƠNG TRÌNH ĐIấ̀U KHIấ̉N GIÁM SÁT Hậ́ ƯƠNG TRÌNH ĐIấ̀U KHIấ̉N GIÁM SÁT Hậ́ NG TRÌNH I U KHI N GIÁM SÁT H ĐIấ̀U KHIấ̉N GIÁM SÁT Hậ́ ấ̀U KHIấ̉N GIÁM SÁT Hậ́ ấ̉N GIÁM SÁT Hậ́ ậ́

TH NGễ́NG

4.1 Xây dựng mạch điều khiển,mạch động lực4.1.1 Mạch điều khiển

4.1.2 Mạch công suất4.2 Viết chơng trình giám sát hệ thống ứng dụng thiết bị logic khảtrình PLC s7-300

kết luận

tài liệu tham khảo

chơng 1:

tổng quan về máy nén

1.1 Khái niệm máy nén khí

Khí nén có nhiều công dụng : là nguyên liệu sản xuất (trong công nghiệp hoá học),là tác nhân mang năng lợng (khuấy trộn tạo phản ứng),là tác nhân mang tín hiệu điều khiển (trong kĩ thuật tự động bằng khí nén ),là nguồn động lực ,cấp hơi khí cho kích,tua bin

Nguồn cấp khí nén là máy nén khí Máy nén là máy để nén khí với cơ số tăng

áp ε > 1,15 và có làm lạnh nhân tạo ở nơi xảy ra quá trình nén khí Công dụng của

máy nén khí là nén khí và di chuyển khí nén đến nơi tiêu thụ theo hệ thống ốngdẫn.

1.2 Phân loại máy nén khí

a Theo nguyên lí làm việc , gồm có :

+ Máy nén thể tích : Trong máy này áp khí tăng do nén cỡng bức nhờ giảmthể tích dãn cách không gian làm việc , loại này có máy nén pittong, máy nén rôtor(cánh trợt , bánh răng)

+ Máy nén động học : Trong máy này áp khí tăng do đợc cấp động năng ỡng bức nhờ có cơ cấu làm việc , loại này có máy nén li tâm, máy nén hớng trục

c-b Theo áp suất có :

+ Máy nén áp suất cao

+ Máy nén áp suất trung bình

+ Máy nén áp suất thấp

+ Máy nén nhiều cấp

f Theo cấu tạo

0-6000 0-30000 6000-300000 6000-900000 Rất lớn

1.4.tự động khống chế máy nén khí

Để đảm bảo cấp khí nén hợp lí cho các thiết bị tiêu dùng máy nén phải đợc

tự động khống chế nhằm thoả mãn 2 điều kiện chính :

- Đảm bảo lu động tiêu thụ

- Đảm bảo áp suất khí yêu cầu, thờng giới hạn  ( 8-10 %) áp suất yêu cầu.Ngoài ra khí nén còn phải đợc đảm bảo về chất lợng nh độ ẩm, sạch theo yêu cầuriêng

Máy nén khí thờng kèm theo các bộ lọc và bình chứa khí với mục đích :

- Điều hoà lu lợng, áp suất, khử các xung áp trong kênh tiêu thụ đối với máynén piston

- Làm việc dễ dàng việc điều chỉnh giới hạn cực đại hoặc cực tiểu của ápsuất, hạn chế tới giá trị có thể của tần suất mở máy động cơ lai

- Tránh các sụt áp đột ngột của khí khi có tiêu thụ đột ngột trong một thờigian ngắn ( nh phanh khí nén, chuyển động của kích khí có piston lớn )

- Làm mát khí nén và ngng tụ hơi nớc, tạp chất …

Đối với thiết bị dới 10KW ngời ta thờng dùng tiếp điểm áp khí đảm bảodừng động cơ khi bình chứa áp suất (đặt) cực đại và chạy lại động cơ khi áp suất

đặt cực tiểu

Tiếp điểm áp khí sẽ đóng cắt công tắc tơ cấp điện cho động cơ kéo máy nén.Một bình trung gian đợc lắp trên dờng ống dẫn khí và có thể tích đợc tính toán saocho 5-6s đầu động cơ đạt tốc độ bình thờng mà không có áp suất, tránh mở máy có

áp suất Một đầu xả gắn với tếp điểm áp khí sẽ đảm bảo xả khí trong bình phụ vàokhí quyển khi động cơ dừng, van bi một chiều khi đó sẽ đóng kín do vậy khi độngcơ chạy lại thì không có áp suất đặt vào máy nén khi mới mở máy Khi công tắc tơ

đóng thì đầu xảcũng đóng, khí điều hành tiếp điểm áp khí lấy từ bình chứa, thờngtiếp điểm áp khí đóng mạch cho động cơ khi p  9-10 bar và ngắt mạch động cơkhi p  2-3 bar

Đối với thiết bị trên 10KW ngời ta thờng dùng cơ cấu điện khí, khi áp kế đạtgiá trị cực đại, tiếp điểm áp kế mở ra và động cơ dừng Bình thờng van điện khônghút và đờng xả khí đóng kín Khi áp suất giảm tới giá trị cực tiểu, tiếp điểm áp kế

sẽ đóng lại do lực lò xo điều chỉnh áp suất Động cơ mở máy kéo máy nén Van

điện đợc cấp điện 5-6s để mở cửa xả, giảm tải cho động cơ khi mở máy

Máy nén có năng suất lớn hơn 20m3/ph thờng kéo bằng động cơ không đồng

bộ Trờng hợp này cần momen mở máy không dới 0,4Mđm và momen khi kéo vào

đồng bộ không dới 0,6Mđm Động cơ đồng bộ kéo máy nén pittong thờng đóng trựctiếp vào lới

Máy nén tua bin (turbocompressor)cũng dùng động cơ đồng bộ để truyền

động Nếu công suất lớn (vài ngàn kW)thì mở máy qua cuộn kháng hoặc biến áp tựngẫu Điện áp mở máy ban đầu đặt vào động cơ khoảng 0,64Uđm

Tính công suất động cơ truyền động máy nén có thể theo công thức

η k -hiệu suất máy nén , η k =0,5 ¿ 0,8;

μ td -hiệu suất bộ truyền;truyền đai thì μ td =0,85

Li,La-công nén đẳng nhiệt và đoạn nhiệt (kGm)

16.100

17.900

19.500

20.800

22.000

23000

La 12.90

0

17.100

20.500

23.500

26.100

28.600

30.700

32.700

2.2 Đặc tính của máy nén

a)Máy nén pittông:là loại máy nén thể tích Tuỳ theo áp suất làm việc chia ra:máy

hút chân không ,máy nén áp suất thấp (<10 at),áp suất trung bình (10-100 at)và ápsuất cao (>100 at)

Hình 1-1:Sơ đồ của máy nén pittong và đồ thị chu trình

nén lý thuyết

Một chu kì làm việc của máy nén gồm các giai đoạn:hút,nén và đẩy khí

(hình 1-1)và đờng biểu diễn một chu trình nén về lí thuyết gồm:đờng hút 1-2 với ápsuất vào pv không đổi,đờng nén 2-3 tăng áp suất cỡng bức từ pv lên pr và đờng đẩy3-4 với áp suất ra pr không đổi

Công tiêu hao cho một chu trình lí thuyết biểu thị bởi diện tích 1-2-3-4-1 baogồm:

-Công hút khí (âm) biểu thị bởi diện tích 0-2’-2-1-0

Whút=pvV1-Công nén khí (dơng) biểu thị bởi diện tích 2-3-3’-2’-2

WnÐn=- ∫

2

3

pdV

dÊu (-) lµ do thÓ tÝch gi¶m khi nÐn

-C«ng ®Èy khÝ (d¬ng) biÓu thÞ bëi diÖn tÝch 3-4-0-3’-3

3

pdV

= ∫2

3

Vdp

(1-2)C«ng nÐn 1kg khÝ lµ

W ch t=W ch t

M =∫2

T p

μ T1[ ( pr

pv)k−1 k −1 ] [J/kg] (1-5)Trong đó :k-chỉ số đoạn nhiệt khí (lí tởng),là tỉ số giữa nhiệt dung đẳng áp và đẳngtích của khí

R

μ T1[ ( pr

pv)n−1 n −1] [J/kg] (1-6)Trong đó: n-chỉ số đa biến

Hình 1-2:Đồ thị chu trình (lí thuyết)máy nén với các chỉ số

đa biến khác nhau

Khi giá trị n=1 hay n=k ,ta có quá trình đẳng nhiệt hay đoạn nhiệt.Với các giá trịkhác nhau của n,công và đồ thị chu trình cũng khác nhau

Các máy nén đều thực hiện chu trình nén khí thực nên công thực cũng lớn hơn côngtính cho chu trình lí tởng

Hình (1-3) cho đồ thị của một chu trình thực Trong chu trình thực ,khi pittong

đổi chiều bắt đầu chu kì mới thì giai đoạn hút không xảy ra ngay mà có giai đoạngiãn (da),đờng hút và đờng đẩy không thẳng (không đẳng áp)và có đờng cực tiểu(đờng hút) và cực đại (đờng đẩy),các điểm bắt đầu và kết thúc giai đoạn hút và đảykhông nằm trên đờng áp suất trong ống hút và đẩy…

Có sự khác nhau gia chu trình thực và lí tởng là do:

-Xi lanh có một phần thể tích vô ích VH giữa pittong (ở vị trí chết cuối quá trình

đẩy) và xi lanh (gọi là khoảng hại VH ) nên giai đoạn hút chỉ bắt đầu khi áp suất khínén còn lại trong VH giảm xuống bằng áp suất hút Do vậy,thể tích khí hút đợc(Vh)bị giảm Mặc dù thể tích xi lanh Vx và thể tích quét VQ=Vx-VH lớn

Hình 1-3:Đồ thị một chu trình nén khí thực

-Xu páp có trở lực (chủ yếu do lực lò xo )nên giai đoạn hút và đẩy chỉ xảy ra khi

áp suất khí trong xi lanh nhỏ hơn áp suất pv trong ống hút và cao hơn áp suất prtrong ống đảy Trở lực xu páp thay đổi theo cả khoảng dời pittong vì vận tốc khíthay đổi và nó có giá trị lớn nhất khi xu páp bắt đầu mở Do đó các đờng hút và đảykhông thẳng Do trở lực xu páp mà công tiêu hao của máy nén khí tăng lên

-áp suất trong ống hút và ống đảy dao động theo vị trí pittong gây ra chuyển

động không ổn định của dòng khí

-Khi khí bị hút vào xi lanh ,khí thu nhiệt vì nhiệt độ thấp hơn thành xi lanh Đầugiai đoạn nén ,khí vẫn thu nhiệt từ xi lanh (n > k).Trong giai đoạn nén tiếp ,khí tăngnhiệt độ dần và tới lúc nào đó ,khí có nhiệt độ bằng xi lanh (n = k) rồi sau đó caohơn và cấp nhiệt cho xi lanh (n < k) Vậy trong giai đoạn nén ,chỉ số đa biến giảm

từ n >k đến n < k

Trong giai đoạn đảy ,khí vẫn cấp nhiệt cho xi lanh

Trong giai đoạn giãn ,chỉ số đa biến tăng từ n < k đến n > k.

-Do có khí dò qua xu páp ,xéc măng ,nên đờng cong nén thoảI hơn và đờngcong giãn dốc hơn Do đó chỉ số đa biến của đờng cong nén sẽ thấp hơn và của đ-ờng cong dãn sẽ cao hơn chỉ số đa biến khi không có rò khí

Do trong máy nén có khoảng hại VH nên tỉ số nén

b)Máy nén rotor :là loại máy nén thể tích

Hình (1-4) biểu thị một loại rotor máy nén cánh trợt.Máy có vỏ hình trụ 4 vànắp 9 có nớc làm lạnh Rotor 7 lắp vào trục 6 đặt lệch tâm trong vỏ Rotor có nhiềukhe trong đó có các tấm chuyển động 8 (cánh trợt) bằng thép dày 0,8 ¿ 2,5 mm.Khi rotor quay theo chiều mũi tên ,các cánh trợt văng ra ,ép vào thành trong của

2 vòng gang tự do 3 và kéo chúng cùng quay ,các tấm trợt chia không gian làm việchình lỡi liềm thành các phòng nhỏ mà thể tích bị giảm dần theo chiều quay từ phíahút sang phía đảy.ổ đỡ trục 2 đợc bịt kín bằng bạc nhẵn 1.Phía đảy có xu páp mộtchiều

Các máy nén cánh trợt tạo đợc áp suất tới 4at và năng suất tới 160 ¿ 4000 m3/h

Hình 1-4:Máy nén rotor cánh trợt

c)Máy nén ly tâm :là loại máy nén động học

Đối với áp suất nhỏ ,ngời ta dùng tua bin thổi khí một cấp Loại này tạo áp suấtkhông quá 0,15at Về bản chất đó là quạt cao áp

Đối với áp suất 1,3 ¿ 4at, có tua bin thổi khí nhiều cấp

Đối với áp suất 4 ¿ 10at hay hơn ,có máy nén tua bin

Máy nén li tâm có hiệu suất thấp hơn máy nén pittong nhất là khi năng suất máynhỏ và áp suất cần cao ( nén nhiều cấp).

Do kết cấu đơn giản ,kích thớc và khối lợng nhỏ ,nối trực tiếp đợc với độngcơ,khí nén ra liên tục ,đều ,không bị bẩn bởi dầu bôi trơn (nh ở máy nén thể tích)nên máy nén li tâm ,mặc dù hiệu suất thấp ,vẫn đợc sử dụng rộng rãi ở dải năngsuất cao hơn 100m3/ph và áp suất nhỏ hơn 12at

2.3 Cấu trúc tổng quát của hệ thống khí nén sử dụng máy nén piston

Pnớc vào :đo áp suất (đo3)

Tín hiệu đo áp suất dùng để báo động áp suất nớc làm mát máy nén

-Đầu ra của nớc làm mát :đo nhiệt độ nớc làm mát (đo2) :báo trạng thái bình thờnghoặc báo cao

-Ap suất dầu bôi trơn (đo1) là thông số điều khiển máy nén quan trọng nhất.Thôngthờng nó đợc thiết kế đo ở các mức:

-Cho phép hoạt động

-Dừng máy nén

Đồng thời các tín hiệu này đợc đa đến để báo động

+Các đầu ra (cửa đẩy của pittong) thờng đợc nối bởi van một chiều Trong quá trìnhhoạt động cửa đẩy của máy nén có hai thông số cần đợc bảo vệ:

- áp suất lớn nhất

- bảo vệ nhiệt độ đầu đẩy

+Đo đầu góp chung (đo6) hai thông số

- áp suất

- nhiệt độ Đa đến mức điều khiển và báo động

+Đo 4 :đo mức và nhiệt độ dầu nhờn ở các te.Tín hiệu này dùng để chỉ báo và báo

động trạng thái của dầu trong các-te

+Trớc khi nạp khí nén vào bình khí Khi máy nén hoạt động các van y1 và y2 lắpsong song với nhau làm hai chức năng cơ bản trong hệ thống khí nén:

- Trong thời gian khởi động ,các cuộn hút đợc cấp điện để nối đầu gópchung với máy tính bên ngoài để giảm tải cho máy nén (8 đến 20 giây)

- Giai đoạn đầu của quá trình khởi động máy nén mở hai van ra nhằm thổi

n-ớc trong đờng khí ra ngoài

+Bình khí nén (chai gió) :Phải đợc cấp chứng chỉ

b1 b2 b3

a1 a2 a3

+ Tín hiệu vào của khối

a1, a2, a3 : Lấy từ tiếp điểm phụ của contactor cấp nguồn cho các động cơ

a1 = 1 : Máy nén 1 đã đợc cấp nguồn hoạt động

a1 = 0 : Máy nén 1 cha đợc cấp nguồn hoạt động

a2 = 1 : Máy nén 2 đã đợc cấp nguồn hoạt động

a2 = 0 : Máy nén 2 cha đợc cấp nguồn hoạt động

a3 = 1 : Máy nén 3 đã đợc cấp nguồn hoạt động

a3 = 0 : Máy nén 3 cha đợc cấp nguồn hoạt động

+ Tín hiệu ra của khối :các tín hiệu này sẽ đợc đa tới công-tắc-tơ có tiếp

điểm cấp điện cho đèn báo

b1 = 1 : Có 1 máy đang hoạt động

b1 = 0 : Có số máy đang hoạt động khác 1 máy

b2 = 1 : Có 2 máy đang hoạt động

b2 = 0 : Có số máy đang hoạt động khác 2 máy

b3 = 1 : Có 3 máy đang hoạt động

b3 = 0 : Có số máy đang hoạt động khác 3 máy

Từ các điều kiện trên ta có bảng sự thật sau :

3.2 Các lu đồ thuật toán cần thiết để xây dựng hệ thống

Trạm khí nén gồm 3 máy nén, trạng thái hoạt động của các máy nén này phụthuộc vào mức độ của các hộ sử dụng yêu cầu cung cấp Trong một số trờng hợp,

nh tất cả các hộ sử dụng cùng lúc, hoặc hình thành thêm hộ sử dụng thì một máynén chạy là không đủ đòi hỏi phải có thêm các máy nén khác cùng hoạt động, themchícả ba máy đều hoạt động cung lúc mới có thể đáp ứng đợc theo yêu cầu của hộ

sử dụng

Ta sẽ xây dựng thuật toán khối để giải quyết bài toán trên

Ngỡng tác động quyết định chạy số máy nén cần thiết là một, hai hoặc cả bamáy nén cùng một lúc

Pmax

0,9p 0,8p

Trong bình cao áp, nếu áp suất tụt xuống mức 0,9P thì tín hiệu tác động khởi

động cho một máy chạy, nếu áp suất trong bình vẫn giảm xuống mức 0.8p thì tínhiệu thứ hai tác động khởi động cho một máy nữa cùng chạy vì một lí do nào đó ápsuất vẫn tụt và xuống tới mức 0,7P thì lệnh điều khiển tác động khởi động tiếp chomáy thứ ba cùng hoạt động Sau khi áp suất trong bình tăng tới 0,8P thì lệnh điềukhiển tác động dừng máy thứ ba Sau khi áp suất trong bình tăng tới 0,9P thì vẫn đểhai máy còn lại tiếp tục hoạt động chơtí khi áp suất trong bình đạt mức Pmax thìdừng cả hai máy còn lại

Sơ đồ khối :

+ Tín hiệu vào của khối

d1, d2, d3 là ngỡng tác động quyết định số máy nén hoạt động

d1 = 1: Tín hiệu tác động khi áp suất bình cao áp giảm còn 0,9Pđm

d1= 0: Không có tín hiệu tác động khi áp suất bình cao áp giảm còn 0,9Pđm

d2 = 1: Tín hiệu tác động khi áp suất bình cao áp giảm còn 0,8 Pđm

d2= 0: Không có tín hiệu tác động khi áp suất bình cao áp giảm còn 0,8Pđm

d3 = 1: Tín hiệu tác động khi áp suất bình cao áp giảm còn 0,7 Pđm

d3 = 0: Không có tín hiệu tác động khi áp suất bình cao áp giảm còn 0,7Pđm

b1, b2, b3 số lợng máy nén đang hoạt động là 1,2 và 3 máy

C1 = 1: Tín hiệu trạm nén khí cần thiết là 1 máy nén

C1 = 0: Tín hiệu trạm nén khí cần thiết số lợng khác 1 máy nén

C2 = 1: Tín hiệu trạm nén khí cần thiét là 2 máy nén

C2 = 0: Tín hiệu trạm nén khí cần thiết là khác 2 máy nén

C3 = 1: Tín hiệu trạm nén khí cần thiết số lợng khác 3 máy

+ Phơng trình xác định số lợng máy nén cần thiết là 1 máy không kể máy nén nào

- Nếu áp suất bình cao áp giảm còn 0,9 Pđm, yêu cầu hoạt động là 1 máy nénthì phơng trình thuật toán chứa những thành phần sau: