Nghiên cứu khái quát về hệ thống bơm chất lỏng tăng áp 2 cấp thiết kế điều khiển tự động cho trạm có nhiều bơm tăng áp 2 cấp

- Bơm động học: trong loại này, chất lỏng được cung cấp động năng từbơm và áp suất tăng lên.. Các thông số cơ bản của bơm - Cột áp H: đó là lượng tăng năng lượng riêng cho một đơn vị trọ

CHƯƠNG1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG BƠM CHẤT LỎNG

1.1 Giới thiệu chung về hệ thống bơm

1.1.1 Khái niệm chung

- Bơm là loại máy thủy lực dùng để hút chất lỏng từ nơi này đến nơi khác.

Chất lỏng dịch chuyển trong đường ống nên bơm phải tăng áp suất lỏng ở đầuđường ống để thắng trở lực trên đường ống và thắng hiệu áp suất ở hai đầuđường ống Năng lượng bơm cấp cho chất lỏng lấy từ động cơ điện hoặc từ cácnguồn động lực khác (máy nổ, máy hơi nước…)

- Điều kiện làm việc của bơm rất khác nhau ( trong nhà, ngoài trời, nhiệt độ

v.v….) và bơm phải chịu được tính chất lý hóa của chất lỏng vận chuyển

1.1.2 Phân loại

Phân loại bơm có nhiều cách

a Phân loại theo nguyên lý làm việc hay cách cấp năng lượng,có 2loại bơm

- Bơm thể tính: bơm loại này khi làm việc thì thể tích không gian làm việc

thay đổi nhở chuyển động tịnh tiến của pittông, hay nhờ chuyển động quay củaroto Kết quả thế năng và áp suất chất lỏng tăng lên nghĩa là bơm cung cấp ápnăng cho chất lỏng

- Bơm động học: trong loại này, chất lỏng được cung cấp động năng từbơm và áp suất tăng lên Chất lỏng qua bơm, thu được động năng nhờ va đậpcủa các cánh quạt ( bơm li tâm, bơm vít xoắn, bơm sục khí) hoặc nhờ tác dụngcủa trương điện từ ( bơm điện từ) hay các trường lực khác

b Phân loại theo cấu tạo

- Bơm cánh quạt trong loại bơm này, bơm ly tâm chiếm đa số và thường

gặp nhất trong bơm nước

- Bơm pittông ( bơm dầu , bơm nước)

- Bơm roto ( bơm dầu, hóa chất, bùn…….)

Thuộc loại này có bơm bánh răng, bơm cánh trượt…

Ngoài ra, còn có các loại đặc biệt như bơm màng cánh ( bơm xăng), bơmphun tia tạo chân không trong các bơm lớn nhà máy nhiệt điện)…

1.1.3 Sơ đồ các phần tử của một hệ thống bơm

Các phần tử cơ bản được giới thiệu ở hình (1)

4

5

6

11 2 12 7

9

10

1

3

Hình1:sơ đồ cấu trúc 1 máy bơm

Bơm hút chất lỏng từ bể hút 4 qua bộ lọc 3, qua ống hút 5, qua van 6, van

7 và đẩy chất lỏng qua ống đẩy 8 vào bể chứa 9 Động cơ lai 1 dùng để quaybơm 2, 11 là đồng hồ chỉ thị ở cửa hút còn 12 là đồng hồ chỉ thị ở cửa đẩy

1.1.4 Các thông số cơ bản của bơm

- Cột áp H: đó là lượng tăng năng lượng riêng cho một đơn vị trọng lượng

của chất lỏng chảy qua bơm

Cột áp thường được tính bằng mét cột chât lỏng hoặc tính đổi ra áp suất của bơm

P = γH = pgHH = pgH

Trong đó : γH = pgH là khối lượng riêng của chất lỏng được bơm (N/m3)

p khối lượng riêng chất lỏng ( kg/m3)

g là gia tốc trọng trường ( 9,81 m/s2)

Trở tùy lực (tổn thất năng lượng đơn vị ) trong ống hút ∑h h và ống đẩy

- Công suất bơm ( P hay N )

Trong một số tổ máy bơm cần phải phân biệt 3 loại công suất:

Công suất làm việc N i (công suất hữu ích) là công để đưa một lượng Qchất lỏng lên độ cao H trong một đơn vị thời gian (s)

N i=γ∗Q∗H∗10−3 [kW]

Trong đó : γ [N/ m3 ], Q[ m3 /s], H[m]

Công suất tại trục bơm N (thường ghi trên nhãn bơm) Công suất nàythường lớn hơn Ni vì có tổn hao ma sát.

Công suất động cơ kéo bơm (Nđc) Công suất này thường lớn hơn N để bùhiệu suất truyền động giữa động cơ và bơm, ngoài ra còn dự phòng qúa tải bấtthường

η tđ - hiệu suất bộ truyền Với bộ truyền đai (cu roa) thì η tđ < 1 Còn khi

động cơ nối trực tiếp với bơm thì η tđ≈1

- Hiệu suất bơm ( η b ) là tỉ số giữa công suất hữu ích N i và công suấttai trục bơm N

η b=N i N

Hiệu suất bơm gồm 3 phần:

Trong đó:

Hiệu suất lưu lượng (hay hiệu suất thể tích) do tổn thất lưu lượng vì rò rỉ.Hiệu suất thuỷ lực (hay hiệu suất cột áp) do tổn thất cột áp vì ma sát trongnội bộ bơm

Hiệu suất cơ khí do tổn thất vì ma sát giữa các bộ phận cơ khí (ổ bi, gối trục…)

và bề mặt ngoài của guồng động (bánh xe công tác) với chất lỏng (bơm ly tâm)

1.1.5 Một số loại bơm thông dụng

- Bơm pittong:

Bơm pittông là loại bơm thể tích với nguyên lí làm việc đơn giản Khi động

cơ quay quanh trục O, kéo theo hệ thống biên - maniven 3,4 và chuyển độngquay biến thành chuyển động tịnh tiến qua lại của pittông 2 trong xilanh 1 vớihành trình S = 2R (R là chiều dài maniven) Hai vị trí giới hạn hành trình củapittông A1 và A2 tương ứng với 2 điểm chết C1 và C2 Khi pittông dịch sangtrái thì thể tích buồng làm việc 5 tăng lên, áp suất tuyệt đối chất lỏng trongxilanh giảm nhỏ hơn áp suất trên bề mặt thoáng bể hút Lúc đó van đẩy 7 đónglại, van hút 6 bị đẩy mở ra và chất lỏng qua ống hút vào xilanh Đó là giai đoạnhút Khi pittông dịch sang phải thì thể tích buồng làm việc giảm đi áp suất chất

lỏng trong xilanh tăng cao Lúc này van hút 6 bị đóng lại, van đẩy 7 bị đẩy mở

ra và chất lỏng từ xilanh dồn vào ống đẩy Đó là giai đoạn đẩy

Qua cách làm việc của bơm pittông, ta thấy :

Ống hút luôn ngăn cách bởi ống đẩyChuyển động của chất lỏng không đều,lưu lượng bị dao động và hầu như không phụ thuộc vào áp suất bơm Áp suấtbơm (cột áp H) có thể rất cao (tương ứng với độ bền bơm và công suất động cơkéo bơm).Với cùng lưu lượng như nhau thì bơm pittông cồng kềnh và khó chếtạo (kín, khít) hơn so với bơm li tâm Do vậy, ở vùng áp suất thấp và trung bìnhngười ta ít dùng bơm pittông, nhưng ở vùng áp suất cao và rất cao (trên 200 at)thì hiện tại bơm pittông chiếm ưu thế tuyệt đối ( như trong hệ truyền động bằngdầu, trong vòi phun nhiên liệu động cơ điêzen, trong hệ thuỷ lực điều khiển trênmáy bay…)

1.1.6 Yêu cầu trang bị điện cho trạm bơm

Như đã nêu, bơm có rất nhiều kiểu loại, đa dạng và giải công suất cũng rấtrộng Truyền động cho bơm phổ biến là tryuền động điện Tuỳ theo tốc độ bơm,nối giữa động cơ và bơm có thể là trực tiếp (đồng trục) hoặc gián tiếp qua hộptốc, đai truyền ly hợp thay đổi tốc độ, hệ thống biên maniven, trục khuỷu… Dovậy, khi chọn công suất động cơ, cần lưu ý tới hiệu suất của các khâu truyền lựctrung gian Các bơm hầu như không đòi hỏi thay đổi tốc độ nên phổ biến kéobơm là dùng động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha rotor lồng sóc, mở máytrực tiếp (nếu công suất nhỏ) hay gián tiếp qua điện trở, cuộn kháng ở mạchstator (nếu công suất trung bình) Với bơm có công suất trung bình và lớn, cũngthường dùng động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha rotor dây quấn, mở máybằng điện trở hạn chế ở mạch rotor để giảm dòng mở máy hoặc kết hợp thêmvới các phần tử hạn chế ở mạch stator Trường hợp công suất lớn và rất lớn,dùng động cơ không đồng bộ để cải thiện cosφ

Với những bơm chuyên dùng, có thể dùng động cơ một chiều kích từ songsong hoặc nối tiếp, nhất là khi có yêu cầu thay đổi tốc độ bơm

Chọn động cơ kéo bơm pittông, phải theo loại bơm cụ thể và lưu ý sự biếnthiên của lưu lượng, cột áp của bơm, do đó mômen động cơ cần đáp ứng.

Trường hợp truyền động bơm li tâm, do bơm không tự động mồi nướcđược, mạch điều khiển cần phải đảm bảo mồi nước trước khi chạy bơm (quabơm mồi, các van…) và tuân thủ các thứ tự thao tác chạy bơm

Vì bơm hoạt động ở môi trường ẩm ướt (nước, chất lỏng khác) hoặc ởmôi trường độc hại (axit, kiềm…) hoặc ở môI trường dễ nổ, cháy (dầu, axit)hoặc ở môi trường bẩn (bùn) nên các trang bị điện cũng phải đáp ứng được cácđiều kiện đó

Một số chú ý về thiết kế trang bị điện cho tạm nhiều máy bơm:

- Trước hết ta cần chú ý loại tạm bơm, nếu là bơm nước thường trạm bơm cho

hệ thống bình kín hoặc tạm bơm cho hệ thống bình hở Dù là laọi này hay loạikia thì việc vận tải chất lỏng đi xa với lưu lượng cần thiết dòng chất lỏng cũngphải dự trữ một áp năng nào đó

- Trong các loại hệ thống dùng để bơm chuyển vật liệu hoá chất, vật liệu côngnghệ, trạm thường được thiết kế nhiều bơm Trong trạm nhiều bơm thì vấn đề tựđộng hoá trạm nhằm và các vấn đề cần giải quyết sau:

- Duy trì mức chất lỏng cần thiết trong bình chứa;

- Lựa chọn số lượng bơm hoạt động cần thiết;

- Thứ tự tự động khởi động các bơm trong trạm;

- Thứ tự dừng tự động các bơm trong trạm bơm

- Thiết kế bảo vệ động cơ truyền động, bảo vệ bơm và sự làm việc bền vững của

hệ thống

- Hệ thống đảm bảo báo động, tín hiệu hoá, tự động dừng và tự động khởi độngkhi có yêu cầu

- Những hệ thống bơm đặc biệt như bơm dầu, hoá chất nhất thiết phải có nhiều

vị trí dừng khi có sự cố, hoả hoạn

1.2 Hệ thống bơm chất lỏng lên bồn hở

1.2.1 Tổng quan về hệ thống

Trong các đô thị và các vùng đô thị hóa hệ thống thoát nước và hệ thốngcấp nước là một trong những hệ thống cơ sở hạ tầng rất quan trọng, không thểthiếu được Trong hệ thống cấp nước và hệ thống thoát nước thì công trình thunước trạm bơm cấp I và trạm bơm cấp thoát nước là những công trình chủ yếu

và rất quan trọng Bên cạnh đó viếc tích trữ và đưa nước tới các hộ tiêu dùng làmột phần trọng hệ thống cấp nước

Bơm cấp nước cho bồn hở là hệ thống: bồn cấp nước được đặt ở trên một

độ cao h , được cấp nước bởi một hệ thống bơm, và từ đó đi cấp cho các hộ ởphía dưới sau đây là sơ đồ tổng quan về hệ thống bơm bồn hở

1.2.2 Yêu cầu về công nghệ cho hệ thống

Ta có yêu cầu công nghệ của hệ thống như sau:Hệ thống gồm có 4 bơm(được lai bởi 3 động cơ điện không đồng bộ roto lồng sóc) Trong đó bơm số 1

và bơm số 3 là 3 bơm hoạt động chính với tần suất lớn, còn bơm số 4 là bơm dựphòng có tần suất hoạt động thấp Bơm số 4 này sẽ được bổ sung chạy thay thếcho bơm chính mỗi khi bơm chính gặp một sự cố nào đó (ví dụ sự cố quá tải củađộng cơ điện)

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN, HỆ TRUYỀN ĐỘNG

ĐIỆN TRẠM CÓ NHIỀU BƠM 2.1 Thiết kế mạch điều khiển

Hiện nay do yêu cầu kích thước gọn nhẹ, độ tin cậy cao nên tự động hóa

là xu hướng phát triển chung trong thực tế chế tạo vận hành các hệ thống Trong các hệ thống bơm chất lỏng bình hở, tự động hòa nhằm đạt được các mục đích yêu cầu sau đây:

- Giảm bớt hoặc giảm hẳn sự phục vụ của con người đối với sự hoạt động của hệ thống

- Nâng cao tính kinh tế, tính an toàn, độ tin cậy và tuổi thọ của hệ thống

- Nâng cao hiệu suất làm việc

Dựa trên các tiêu chí trên ta sẽ tiến hành xây dựng một trạm bơm chấtlỏng bồ hở gồm có 4 bơm li tâm với yêu cầu duy trì mức nước đủ cung cấp chocác hộ tiêu thụ khi có nhu cầu sử dụng của các hộ luôn có sự thay đổi Trước khi

đi vào xây dựng mạch điều khiển, mạch động lực cho hệ thống ta sẽ làm rõphương án điều khiển cho hệ thống

Tại thời điểm bắt đầu khi ấn nút Start, hệ thống sẽ bắt đầu hoạt động ( vớiđiều kiện mức nước phí nguồn bơm phải đủ) Trạng thái của các cảm biến mức

sẽ được đoc về và xử lí theo thuật đoán như sau

- Mức nước trong bình dưới cba: ta bật 3 bơm, bơm số 1, số 2, số 3

- Mức nước trong bình ở mức cbb: ta chạy 2 bơm, bơm số 1 và số 2.

- Mức nước trong bình ở mức cbc: ta chay 1 bơm, bơm số 3.

- Mức nước trong bình ở cbd : ta dừng tất cả ca bơm.

- Nếu một trong ba bơm bị sự cố ta sẽ chạy bơm số 4 ( bơm nào bị sự cố

trước sẽ được ưu tiên thay thế trước )

Với sự hoạt động của hệ thống như đã phân tích ở trên, ta sẽ chọn thiết bịđiều khiển hoạt động của toàn bộ hệ thống đó là PLC S7-300 của Siemens vớimột số lí do sau đây:

- Các thiết bị điều khiển PLC tạo thêm sức mạnh, tốc độ và tính linh hoạt

cho các hệ thống công nghiệp Bằng sự thay thế các phần tử cơ điện bằng PLC,quá trình điều khiển trở nên nhanh hơn, rẻ hơn, và quan trọng nhất là hiệu quảhơn PLC là sự lựa chọn tốt hơn các hệ thống rơle hay máy tính tiêu chuẩn

- Tốn ít không gian: Một PLC cần ít không gian hơn một máy tính tiêuchuẩn hay tủ điều khiển rơle để thực hiện cùng một chức năng

- Tiết kiệm năng lượng: PLC tiêu thụ năng lượng ở mức rất thấp, ít hơn

cả các máy tính thông thường

- Giá thành thấp: Một PLC giá tương đương cỡ 5 đến 10 rơle, nhưng nó

có khả năng thay thế hàng trăm rơle

- Khả năng thích ứng với môi trường công nghiệp: Các vỏ của PLC được

làm từ các vật liệu cứng, có khả năng chống chịu được bụi bẩn, dầu mỡ, độ ẩm,rung động và nhiễu Các máy tính tiêu chuẩn không có khả năng này

- Giao diện trực tiếp: Các máy tính tiêu chuẩn cần có một hệ thống phức

tạp để có thể giao tiếp với môi trường công nghiệp Trong khi đó các PLC có thểgiao tiếp trực tiếp nhờ các mô đun vào ra I/O đã được chế tạo sẵn theo chuẩncông nghiệp

- Lập trình dễ dàng: Phần lớn các PLC sử dụng ngôn ngữ lập trình là sơ đồ

hình thang, tương tự như sơ đồ đấu nối của các hệ thống điều khiển rơle thôngthường

- Tính linh hoạt cao: Chương trình điều khiển của PLC có thể thay đổi

nhanh chóng và dễ dàng bằng cách nạp lại chương trình điều khiển mới vàoPLC bằng bộ lập trình, bằng thẻ nhớ, hoặc bằng truyền tải qua mạng

- Cùng với những ưu thế về phần cứng, dưới đây cũng là các ưu thế về

phần mềm:

- PLC có nhiều công cụ lập trình dựa trên tiêu chuẩn IEC 1131-3.

- Sử dụng ngôn ngữ lập trình bậc cao tạo ra khả năng viết những chương

trình lớn và phức tạp khi giao tiếp với các thiết bị ngoại vi hay truy cập dữ liệuchương trình

- Cấu trúc các khối chức năng được sử dụng cho các bộ lập trình Ladder

làm tăng khả năng lập trình bằng những lệnh đơn giản

- Cho phép xác định các lỗi của bộ điều khiển cũng như các lỗi của thiết bị

trong quá trình sản xuất

- Cung cấp các phép toán với số thực dấu phẩy động tạo ra khả năng tính

toán các bài toán phức tạp

2.1.1 Thống kê các đầu vào cho PLC

2.1.2 Thống kê đầu ra cho PLC

Công tắc tơ cấp nguồn cho bơm 1 Q0.1

Công tắc tơ cấp nguồn cho bơm 2 Q0.2

Công tắc tơ cấp nguồn cho bơm 3 Q0.3

Công tắc tơ cấp nguồn cho bơm 4 Q0.4

I0.0 I0.2 I0.3 I0.4 I0 I0.5 I0.6 I0.7 I0.1 I1.0 I1.2 I1.3

Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0

Ð1 Ð3 Ð2

24VDC

ST SP CBA CBB CBC RN1 RN2

CBD CBLV

RN3 RN4

R1 R2 R3 R4 Ð4

Hình 2: sơ đồ mạch điều khiển

2.2 Xây dựng mạch động lực

R1 R2 R3 R4

Hình 3: sơ đồ mạch động lực

CHƯƠNG3 VIẾT CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 3.1 Viết chương trình điều khiển cho PLC

Sauk hi xây dựng sờ đồ mạch điều khiền và mạch động lực cho hệ thống ta tiến hành viết chương trình điều khiển trên PLC S7-300.

Trước khi viết chương trình, ta xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển

3.1.1 Lưu đồ thuật toán

start=1 cblv=1

stop=1

cba=cbb=cbc=0

cba=1 ho?c cb=1

pump 1 error

pump 2 error

pump 2 error

cblv =low level

3.1.2 Viết chương trình điều khiển

- Chương trình viết trên phần mềm step7

3.2 Mô phỏng trên PLC sim

- Khi nhấn start và đủ nước bơm

Ấn nút Start( I0.0=1) hệ thống sẽ đi vào hoạt động, đồng thời cảm biến

LV đặt ở nguồn nước báo đủ nước thì biến trung gian M0.0 =1 và đèn báo hệthống hoạt động Q0.0=1

Đồng thời mực nước dưới mức a do đó cả 3 bơm đều hoạt động Q0.1 = 1; Q0.2 = 1; Q0.3 = 1

- Khi mức nước tăng dần

Khi mức nước tăng đến mức cba hoặc b (I0.3) thì chỉ có bơm số 1 và số

2 hoạt động Q0.1 và Q0.2

Khi mức nước tăng tên cbc chỉ có bơm 3 hoạt động (Q0.3)

Khi cảm biển cbd I1.0 tác động (tất cả các bơm dừng hoạt động)

- Một trong các bơm xảy ra sự cố ( bơm số 1 xảy ra sự cố I.0.6=1 thì

Q0.4=1)

\

KẾT LUẬN

Được sự hướng dẫn của thầy Hoàng Xuân Bình, sau một thơi gian em đãhoàn thành xong đồ án thiết kế môn học về trạm bơm nước cho bồn hở Trongquá trình thực hiện đồ án, đã giúp em hình thành tổng quan về cách thiết kế chomột hệ thống bơm, nhưng bên cạnh đó do kiến thức còn nhiều hạn chế nênkhông tránh khỏi sai sót khi thực hiện Em rất mong nhận được những ý kiếnđóng góp của các thầy cô trong bộ môn và các bạn để bản đồ án này hoàn thiệnhơn

Em xin chân thành cảm ơn !

Hải Phòng, ngày 9 tháng 4 năm 2014 Sinh viên

Lưu Thế Tuấn

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 PGS.TS Hoàng Xuân Bình, Bài giảng trang bị điện – điện tử máy công nghiệp dùng trung

2. Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Vũ Văn Hà, NXB khoa học và kĩ thuật, Tự động hóa với Simantic S7-300