Nguyên cứu tổng quan về hệ thống bơm chất lỏng bồn kín, thiết kế giám sát cho trạm nhiều bơm

LỜI MỞ ĐẦUVới tốc độ phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp hiện nay tự động hóa quá trình sản xuất đóng vai trò rất quan trọng, trong đó có việc giám sát hệ thống.. Các hệ thống b

LỜI MỞ ĐẦU

Với tốc độ phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp hiện nay tự động hóa quá trình sản xuất đóng vai trò rất quan trọng, trong đó có việc giám sát hệ thống Xu hướng giám sát tập trung và từ xa đang phát triển Các hệ thống bơm được sử dụng rất rộng rãi từ sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, các hệ thống cấp thoát nước phục vụ dân sinh…Đặc thù của hệ thống bơm là phân tán trải dài trên diện rộng cho nên để giám sát sự làm việc của hệ thống bơm là không đơn giản Nhưng với sự phát triển của công nghệ PLC và máy tính vào điều khiển, giám sát các hệ thống bơm đã được cải thiện đem lại sự ưu việt hơn

Với đề tài được giao “Nguyên cứu tổng quan về hệ thống bơm chất lỏng bồn kín, thiết kế giám sát cho trạm nhiều bơm” em đã thực hiện với nội dung gồm ba phần (1) Giới thiệu chung về hệ thống, (2) Xây dựng mạch giám sát, (3) Tính chọn phần tử và lắp đặt tủ điện

Để hoàn thành đề tài em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn của PGS.TS Hoàng Xuân Bình Do kiến thức còn hạn chế không tránh khỏi thiếu sót

em rất mong các thầy cô có những ý kiến đóng góp để đồ án thêm hoàn thiện qua đó giúp em tăng thêm kiến thức

Sinh viên thực hiện

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG BƠM CHẤT LỎNG

LÊN BỒN KÍN

LT 02

12 13

11

10 9

12 7

8

6 4

5

3

p 1

H h

H d

1

2

LT

01

VG 01

M

PG 01

Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc cơ bản của hệ thống bơm

1- Bể hút

2- Lưới chắn rác

3- Đường ống hút

4- Van ống hút

5- Đồng hồ đo áp suất chân không

6- Khớp nối mềm

1- Động cơ lai bơm

3- Đồng hồ đo áp suất

4- Van ống đẩy

5- Đường ống đẩy

6- Bể chứa

7- Van phân phối

Hệ thống sẽ bơm chất lỏng từ bể hút tới bể chứa nhờ bơm 8 lai bởi động

cơ 7 Qua lưới chắn rác, chất lỏng được loại bỏ cặn bẩn và đi vào cửa hút của

bơm Tại đây, chất lỏng được cung cấp áp năng ( bơm thể tích) hoặc động năng ( bơm động học) dịch chuyển tới bể chứa trên qua đường ống đẩy

Bơm có rất nhiều loại, đa dạng và dải công suất cũng rất rộng Truyền động cho bơm phổ biến sử dụng động cơ điện Tùy thuộc vào tốc độ bơm, ghép nối giữa động cơ truyền động và bơm có thể là trực tiếp (đồng trục) hoặc gián tiếp qua bộ truyền cơ khí, đai truyền ly hợp thay đổi tốc độ, hệ thống tay biên trục khuỷu,… Do đó, khi lựa chọn công suất động cơ cần lưu ý tới hiệu suất của khâu truyền lực trung gian

Thông thường, bơm không yêu cầu thay đổi tốc độ nên phổ biến sử dụng động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha rotor lồng sóc (RTLS) truyền động cho bơm Tùy thuộc vào công suất động cơ và điều kiện kinh tế cụ thể, có thể khởi động động cơ theo bốn phương pháp sau:

+ (1) Khởi động trực tiếp

+ (2) Khởi động bằng đổi nối sao – tam giác

+ (3) Khởi động mềm

+ (4) Biến tần

Với phương pháp 4, không những có thể khởi động, dừng động cơ rất tốt, biến tần còn cho phép điều khiển trơn tốc độ động cơ với momen gần như không đổi trong toàn dải điều chỉnh Tuy nhiên, biến tần có giá thành cao hơn so với thiết bị sử dụng trong các phương pháp 1, 2, 3 cùng với đó là cần người vận hành có chuyên môn khá cao Vì vậy, biến tần chỉ được sử dụng trong các trường hợp cần điều chỉnh lưu lượng bơm bằng cách thay đổi tốc độ động cơ lai Với phương pháp 1 tuy rất đơn giản nhưng dễ gây ra sụt áp lớn cho lưới điện ảnh hưởng xấu tới các thiết bị xung quanh Với phương pháp 2, 3 nên cân nhắc

sử dụng , vì có thể khắc phục phần nào khuyết điểm của phương pháp 1 sự sụt

áp thấp hơn, công nghệ cúng đơn giản dễ dàng lắp đặt và vận hành mà giá thành thấp hơn so với phương án 4

- Đảm bảo các bảo vệ thông thường trong hệ truyền động điện như ngắn mạch, bảo vệ quá tải, bảo vệ không, bảo vệ mất pha, bảo vệ thứ tự pha và một số bảo

vệ đặc thù của hệ thống bơm

- Đảm bảo các chế độ vận hành thông thường: Bằng tay (manual), tự động (auto) Trong chế độ bằng tay, thiết kế điều khiển phải đảm bảo cho phép chạy dừng các động cơ lai bơm độc lập với phần tử điều khiển (PLC, vi xử lý,…)

- Do bơm ly tâm không tự động mồi nước được nên mạch điều khiển cần phải đảm bảo mồi nước trước khi chạy bơm ( qua bơm mồi, van điện từ,…) và tuân thủ các thứ tự thao tác chạy bơm

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

- Đối với trạm nhiều bơm, cần chú ý tới thứ tự khởi động dừng các bơm theo một thuật toán đặt trước Tránh khởi động các bơm cùng một lúc vì sẽ dẫn tới sụt áp lưới ảnh hưởng tới điều kiện làm việc của thiết bị xung quanh Có thuật toán đảo các bơm chạy luân phiên đảm bảo thời gian làm việc của các bơm đồng đều nhau

Bài toán đặt ra Giám sát 1 trạm bơm gồm có 4 bơm với lưu lượng là 100

m3/h với cột áp là 30m Các thông số cần giám sát gồm trạng thái nguồn cấp: giá trị dòng điện, điện áp, tần số, trạng thái pha Các giá trị mức bể hút và bể chứa, giá trị áp suất vào ra của bơm, trạng thái nước bơm mồi cho bơm

Hình 1.2 minh họa sơ đồ công nghệ của hệ thống bơm chất lỏng bồn kín

Hệ thống sử dụng bơm mắc song song cùng đưa tới một đường ống góp chung, cấp chất lỏng cho một bồn kín (bể chứa đích)

Xét một nhánh bơm:

- Đầu hút của bơm đặt sát đáy bể hút

- Kết nối đầu hút, đầu đẩy của bơm tới đường ống bằng khớp nối mềm đảm bảo hạn chế rung, tiếng ồn trong quá trình bơm hoạt động

- Có van cầu tại hai đầu bơm cho phép cách ly hoàn toàn bơm ra khỏi hệ thống khi cần thiết

- Tại mỗi đầu đẩy của bơm ly tâm (sau khớp nối mềm), lắp đặt một van một chiều có tác dụng:

• Giảm tải khởi động cho bơm

• Ngăn dòng chất lỏng chảy ngược về đầu đẩy của bơm gây tổn thất trong hệ thống

- Tại mỗi vị trí lắp đặt thiết bị đo lường, sử dụng một van cửa để thuận tiện tháo lắp thiết bị đo ra khỏi hệ thống ngay khi cả hệ thống đang làm việc

- Điểm đo 1 tại bể hút giám sát mức nước bể hút bằng cảm biến đo mức dạng on – off

- Điểm đo 2 tại đường ống vào giám sát áp suất chân không đường ống

- Điểm đo 3 tại đường ống ra giám sát áp suất đường ống

- Điểm đo 4 tại bể chứa giám sát mức bể chứa bằng cảm biến đo mức dạng on -off

- Điểm đo 5 tại bể chứa giám sát áp suất bể chứa

VG 01

M

PG

01 PT01

VG 02

M

PG

02 PT02

VG 03

M

PG

03 PT03

VG 04

M

PG

04 PT04

LT

02 LI02

LT

01 LI01

PG

05 PT05 Khí nén

Hình 1.2 Sơ đồ công nghệ hệ thống bơm chất lỏng bồn kín

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MẠCH GIÁM SÁT CHO TRẠM

CÓ NHIÊÙ BƠM 2.1 Sơ đồ mạch lực của hệ thống bơm

Bản vẽ 1, 4, 5, 6, 7

2.2 Sơ đồ mạch giám sát hệ thống bơm

Bảng liệt kê trạng thái vào ra của PLC

I0.0 I Báo bể chưa ở mức cao Khi tiếp điểm cảm biếnHL = 1 I0.1 I Báo bể hút ở mức thấp Khi tiếp điểm cảm biếnLL = 1 I0.2 I Báo áp suất đầu hút 1 mức thấp Khi tiếp điểm cảm biếnPI1 = 1 I0.3 I Báo áp suất đầu hút 2 mức thấp Khi tiếp điểm cảm biến

PI2 = 1 I0.4 I Báo áp suất đầu hút 3 mức thấp Khi tiếp điểm cảm biến

PI3 = 1 I0.5 I Báo áp suất đầu hút 4 mức thấp Khi tiếp điểm cảm biến

PI4 = 1 I0.6 I Báo áp suất đầu đẩy 1 mức thấp Khi tiếp điểm cảm biếnPO1 = 1 I0.7 I Báo áp suất đầu đẩy 2 mức thấp Khi tiếp điểm cảm biếnPO2 = 1 I1.0 I Báo áp suất đầu đẩy 3 mức thấp Khi tiếp điểm cảm biến

PO3 = 1 I1.1 I Báo áp suất đầu đẩy 4 mức thấp Khi tiếp điểm cảm biếnPO4 = 1 I1.2 I Báo có bơm nước mồi 1 Khi tiếp điểm cảm biếnPF1= 1 I1.3 I Báo có bơm nước mồi 2 Khi tiếp điểm cảm biếnPF2 = 1 I1.4 I Báo có bơm nước mồi 3 Khi tiếp điểm cảm biếnPF3 = 1 I1.5 I Báo có bơm nước mồi 4 Khi tiếp điểm cảm biếnPF4 = 1 I1.6 I Báo cấp nguồn cho toàn trạm Khi tiếp điểm aptomat1MCCB = 1 I1.7 I Báo mất pha và đảo pha Khi tiếp điểm rolePR = 1 I2.0 I Báo cấp nguồn cho động cơ 1 Khi tiếp điểm aptomat2MCCB = 1 I2.1 I Khởi động động cơ 1 Khi tiếp điểm contactor1MC = 1 I2.2 I Báo động cơ 1 nối tam giác Khi tiếp điểm contactor2MC = 1 I2.3 I Báo động cơ 1 nối sao Khi tiếp điểm contactor3MC = 1 I2.4 I Báo quá tải động cơ 1 Khi tiếp điểm role nhiệt1THR = 1 I2.5 I Báo cấp nguồn cho động cơ 2 Khi tiếp điểm aptomat3MCCB = 1 I2.6 I Khởi động động cơ 2 Khi tiếp điểm contactor4MC = 1 I2.7 I Báo động cơ 2 nối tam giác Khi tiếp điểm contactor5MC = 1 I3.0 I Báo động cơ 2 nối sao Khi tiếp điểm contactor6MC = 1 I3.1 I Báo quá tải động cơ 2 Khi tiếp điểm role nhiệt2THR = 1 I3.2 I Báo cấp nguồn cho động cơ 3 Khi tiếp điểm aptomat5MCCB = 1 I3.3 I Khởi động động cơ 3 Khi tiếp điểm 7MC = 1 I3.4 I Báo động cơ 3 nối tam giác Khi tiếp điểm contactor8MC =1 I3.5 I Báo động cơ 3 nối sao Khi tiếp điểm contactor9MC =1 I3.6 I Báo quá tải động cơ 3 Khi tiếp điểm role nhiệt3THR =1

I3.7 I Báo cấp nguồn cho động cơ 4 Khi tiếp điểm aptomat6MCCB =1 I4.0 I Khởi động động cơ 4 Khi tiếp điểm contactor10MC =1 I4.1 I Báo động cơ 4 nối tam giác Khi tiếp điểm contactor11MC =1 I4.2 I Báo động cơ 4 nối sao Khi tiếp điểm contactor11MC =1 I4.3 I Báo quá tải động cơ 4 Khi tiếp điểm role nhiệt4THR =1 I4.4 I Báo cấp nguồn cho động cơ bơm mồi Khi tiếp điểm2MCB = 1 I4.5 I Khởi động động cơ bơm mồi chính Khi tiếp điểm contactor13MC = 1 I4.6 I Khởi động động cơ bơm mồi dự phòng Khi tiếp điểm contactor14MC = 1 I4.7 I Báo quá tải động cơ bơm mồi chính Khi tiếp điểm role nhiệt5THR =1 I5.0 I Báo quá tải động cơ bơm mồi dự phòng Khi tiếp điểm role nhiệt6THR =1 Như vậy PLC có 41 tín hiệu vào số

Lựa chọn cấu hình cho trạm PLC

Slot1 Module nguồn PS 307 10A

Slot 2 Module CPU 314

Slot 4 Module SM321 DI32xDC24V

Slot5 Module SM321 DI16xDC24V

Bản vẽ 2, 3, 8, 9, 10, 11

CHƯƠNG 3 TÍNH CHỌN CÁC PHẦN TỬ TRONG MẠCH, BỐ

TRÍ LẮP ĐẶT TỦ ĐIỆN

3.1 Tính chọn các phần tử trong mạch

Chọn bơm

Bơm ly tâm trục ngang MITSUKY CN50-160/7.5

Đầu vào – đầu

Chọn cảm biến mức

Cảm biến mức là loại công tắc báo mức chất lỏng kiểu phao từ của hãng Fine Tek

Đầu vào – đầu

ra

Công suất tiếp điểm Loại tiếp điểm Cỡ phao

Áp lực mở tiếp điểm -20~1000C 5A/250VAC Microswitch 120 10kg/cm2

70

50 225(Max 800)

120

14 180

Cảm biến (công tắc) được gắn ở cạnh của bể

Cách bố trí cảm biến mức Chọn thiết bị đo áp suất

Đồng hồ đo áp suất dạng màng được bố trí phía trên đường ống

Cách bố trí đồng hồ đo áp suất Chọn aptomat tổng

MCCB Mitsubishi dòng NF-H

Số cực Dòng cắt

ngắn mạch cao

Dòng định mức (In)

Dòng ngắt mạch (Icu)

Điện áp cách điện định mức

Điện áp chịu xung định mức

90 60 22

130 112

61 68 72 90

84 50

Chọn aptomat cho từng bơm

MCCB Mitsubishi dòng NF-H

Số cực

Dòng cắt ngắn mạch cao

Dòng định mức (In)

Dòng ngắt mạch (Icu)

Điện áp cách điện định mức

Điện áp chịu xung định mức

3 125A 75A 50kA 400VAC 8kV

105 70 22

165 144

61 68 72 92

102 50

Lựa chọn contactor

Contactor Mitsubishi S-N21(CX) dòng SD-N

Dòng điện

điều khiển Dòng điện Tiếp điểm phụ

Công suất động cơ Lắp đặt 22A 2NO + 2NC(mặt trước) 380-440V:11kW 35mm hoặc bắt vítLắp trên thanh ray

65 75

89

99 91

35

5SCREW 3.5SCREW

Rơle bảo vệ pha Selec 600PSR

Mạch

đấu

nối

Nguồn cấp Dải bảo vệ

Dải đặt trễ

Đặt thời gian trễ

Độ chính xác 3pha –

3 dây

154~500VAC Mất pha:

<154VAC10%

Mất cân bằng pha

6V Dải thời gian trễ:

0.2~10s Thời gian đáp ứng

3%

: 30V Thứ tự pha : Có

< 200ms

17.5

60

44

A1 A2

26 28

15

16 18 NC COM NO

L3 L2 L1

Đồng hồ đo đa năng

Đồng hồ đo đa năng Selec MFM384

Chức năng đo Nguồn cấp Mạch

đấu nối Bộ nhớ Độ chính xác Điện áp, dòng điện,

tần số, công suất,

công suất tiêu thụ

100-240VAC (-15-12%) 50/60Hz(

5A AC(11mA-6A)

3pha-3 dây 10 năm

Dòng điện Tần số Công suất 1%

99

99

90.5 91.5

55

Đèn báo Omron dòng M16

Hình dáng Nguồn cấp Hiển thị Kết nối Cấp bảo vệ Hình tròn 200~220VAC/ Đèn LED Chân hàn, chân IP65

VDC Màu: đỏ, xanh,

vàng…

kẹp, cầu đấu

18 15.1

9.3 6

4 21.1 10.8

28.5

14.6 18

3.2 Bố trí lắp đặt tủ điện

Bản vẽ 12, 13

Chương trình mô phỏng giám sát trên step 7 + winCC

Lưu đồ thuật toán

KẾT LUẬN

Qua đồ án này em đã thực hiện được một số công việc sau Tìm hiểu sơ lược hệ thống bơm nói chung và hệ thống bơm chất lỏng bồn kín nói riêng Nhận thức được phần nào quá trình giám sát một đối tượng công nghệ Bước

đầu biết cách thiết kế một hệ thống mạch điện Ngoài những yêu cầu cơ bản của

đề tài em cũng đã nghiên cứu những vấn đề mới như giám sát từ xa bằng cách ứng dụng phần mềm WinCC

Do thời gian cũng như kiến thức còn hạn hẹp nên em chưa đi sâu tìm hiểu

kĩ việc giám sát với các biến liên tục, các sensor với đầu ra dạng tương tự cũng như các thiết bị trong thiết kế chưa hẳn đã sát với thực tế

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. PGS.TS Hoàng Xuân Bình, Trang bị điện - điện tử các máy công nghiệp, Nhà

xuất bản Hàng Hải, Hải Phòng – 2014

2. Catalog sản phẩm công ty Bảo An