giám sát trạm nhiều bơm cấp lỏng cho bồn kín

thiết kế giám sát cho trạm có nhiều bơm cấp lỏng cho bồn kin Chương 1. Tổng quan hệ thống bơm chất lỏng bình kín 3 1.1. Khái quát về hệ thống bơm chất lỏng bình kín 3 1.2. Giới thiệu chung về hệ thống máy bơm 3 1.3. Giới thiệu hệ thống bơm chất lỏng bình kín 16 Chương 2. Thiết kế điều khiển, hệ truyền động điện cho tram có nhiều bơm 18 2.1. Xây dựng mạch động lực cho trạm có nhiều bơm 18 2.2. Xây dựng mạch điều khiển tự động cho trạm có nhiều bơm 18 Chương 3. Viết chương trình điều khiển cho hệ thống bơm chất lỏng bình kín 22 3.1. Cấu hình các đầu vào, ra mạch điều khiển hệ thống bơm chất lỏng bình kín 22 3.2. Viết chương trình điều khiển cho trạm có nhiều bơm trên PLC S7300 27 3.2. Mô phỏng chương trình điều khiển trên S7PLCSIM 37 3.4. Nhận xét kết quả mô phỏng đạt được 42

Chương 1:

NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN GIÁM SÁT

1.1 Đề xuất trạm nhiều bơm bình kín và xây dựng sơ đồ P&ID

1.1.1 Đề xuất trạm nhiều bơm bình kín

Nước thì không thể thiếu với cuộc sống mọi người Việc quy hoạch cấpnước đòi hỏi tính kỹ thuật cao, nhất là luôn đảm bảo mọi người có đủ nước sinhhoạt tại mọi thời điểm Do đó, yêu cầu phải xây dựng trạm bơm đáp ứng nhu cầucấp thiết của con người Trong đề tài này trình bày hệ thống trạm nhiều bơm bồnkín cấp nước sinh hoạt cho một khu dân cư

Bơm chất lỏng lên bình kín được sử dụng rất phổ biến trong dân dụng cũngnhư trong các hệ thống trong công nghiệp Trong hệ thống này chất lỏng đượcchuyển từ bên ngoài sau đó được đưa vào bình kín nhờ các bơm, mục đích tạocho dòng nước có một năng lượng đủ lớn đưa vào bình Bình kín là loại bình đặcbiệt, chế tạo sao cho chịu được áp suất lớn do chất lỏng gây ra trong bình Khácvới bình hở, chất lỏng trong bình kín có một năng lượng lớn do áp suất tạo ra,cho lên chất lỏng có thể chảy tới nơi khác ở một khoảng cách nhất định màkhông cần có hệ thống máy bơm Điều này được chứng minh dễ dàng, như tabiết khi áp suất trong một vật kín (bình kín) tăng lên, thì áp suất này có xuhướng tác dụng đều lên bề mặt bên trong bình kín Vì vậy nếu ta mở van xả thìchất lỏng sẽ bị áp suất trong bình kín tác dụng và đẩy ra ngoài Điều quan trọng

là ta phải nắm được áp suất trong bình, nếu áp suất nhỏ ta cần bơm khí để tăng

áp suất trong bình lên

Tuỳ theo tốc độ bơm, nối giữa động cơ và bơm có thể là trực tiếp (đồngtrục) hoặc gián tiếp qua hộp tốc, đai truyền ly hợp thay đổi tốc độ, hệ thống biênmaniven, trục khuỷu… Do vậy, khi chọn công suất động cơ, cần lưu ý tới hiệusuất của các khâu truyền lực trung gian các bơm hầu như không đòi hỏi thay đổitốc độ nên phổ biến kéo bơm là dùng động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pharotor lồng sóc, mở máy trực tiếp (nếu công suất nhỏ) hay gián tiếp qua điện trở,cuộn kháng ở mạch stator (nếu công suất trung bình) Với bơm có công suất

trung bình và lớn, cũng thường dùng động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pharotor dây quấn, mở máy bằng điện trở hạn chế ở mạch rotor để giảm dòng mởmáy hoặc kết hợp thêm với các phần tử hạn chế ở mạch stator.

Trong trạm nhiều bơm thì các vấn đề giám sát cần giải quyết là giám sát tìnhtrạng hoạt động của mỗi động cơ, hệ thống, mức chất lỏng và áp suất trong bìnhkín, đưa ra các tín hiệu cảnh báo khi hệ thống bị lỗi

1.1.2 Xây dựng lưu đồ P&ID

LIC (Level Indicate Control): Bộ điều khiển hiển thị mức chất lỏng dùng

để điều khiển toàn bộ hệ thống

LT (Level Transmite): Đo mức chất lỏng và truyền giá trị về LIC

LTV (Level Transmite Valve): Đo mức chất lỏng và truyền về LIC có sửdụng van giảm trấn

PT1, PT2 (Pressure Transmite): Đo áp suất và truyền về bộ xử lý trungtâm LIC.

LAL, LAH ( Level Alarm Low – Hight): chức năng cảnh báo ngưỡng cao

-PT1: Chỉ sử dụng trong giai đoạn khởi động bơm, mục đích đo áp suấtbơm

Đưa về điều khiển nếu quá thời gian nào đó thì cắt (không chạybơm)

-PT2: Đo áp suất công tác của bơm, khởi động bơm khác nếu điểm đo ởđây không đạt yêu cầu

b Nguyên lý hoạt động:

Trong trường hợp các điểm đo đạt yêu cầu thì trạm bơm hoạt động bìnhthường Nước ở trong bình chứa hoặc song hồ sẽ được truyền đi qua các van vàbơm để vào bồn kín, lúc nào ta nạp áp suất không khí ban đầu, khóa van khí lại,bắt đầu cấp lỏng vào bình, khí chịu nén nên áp lực rất mạnh, lúc này mới mởvan cấp chất lỏng cho phụ tải

Trong trường hợp một trong các điểm đo không đạt yêu cầu:

+ Nếu đo mức LT không đạt yêu cầu bơm sẽ dừng

+ Nếu áp suất bơm PT1 không đạt yêu cầu thì bơm sẽ không hoạt động do thờigian khởi động quá lâu vì lượng nước dùng cho khởi động không đủ

+ Nếu áp suất đo đầu ra PT2 không đạt yêu cầu thì sẽ không cho bơm hoạtđộng, ra chuyển qua bơm khác

Nếu trong trường hợp có sự cố các điểm đo không hoạt động được thì ta phảikiểm tra lại các điểm đo đó, nếu bị hỏng hóc không khắc phục được thì phải thaythế các điểm đo này bằng các điểm đo khác để hệ thống hoạt động bình thường Với yêu cầu của đề bài ra là điều khiển tự động cho trạm có nhiều bơm nên talựa chọn trạm gồm 4 bơm P1,P2,P3,P4 Bơm sử dụng là bơm ly tâm được lai bởiđộng cơ không đồng rotor lồng sóc, các động cơ lai đều có các Rơle nhiệt bảo vệquá tải mức chất lỏng trong bình kín được giám sát bằng các cảm biến mức để

phục vụ việc giám sát Áp suất trong bơm bình kín được giám sát và khi nào ápsuất nhỏ hơn yêu cầu ta sẽ tăng áp suất nhờ hệ thống khí nén Áp suất trước vàsau bơm được kiểm tra, tại các vị trí này đều có các van tay nhằm mục đíchkiểm tra và sửa chữa.

1.2 Các thông số yêu cầu của hệ thống giám sát

Việc giám sát hệ thống thông qua các thiết bị cảm biến, các thiết bị đolường và chuyển đổi tín hiệu Về cơ bản, các thiết bị đo lường sử dụng trong hệthống thực hiện 2 nhiệm vụ là điều khiển và giám sát Đối với việc giám sát, tínhiệu đo về chỉ phục vụ hiển thị, chỉ báo các thông số quá trình, không ảnh hưởngtới chế độ làm việc của hệ thống

Khoảng 85-90% dung tích của bồn được sử dụng trong điều kiện bìnhthường, phần thể tích không sử dụng là do khoảng chết trên ( dead space) ở đỉnh

và khoảng chết dưới (dead stock) ở đáy Khoảng chết trên và chết dưới chịu ảnhhưởng bởi nhiều chiều cao hơn là đường kính, do đó cùng với một thể tích thìbồn cao chứa nhiều hơn bồn thấp

 Bể cấp nước cho hệ thống : là bể tích nước từ hệ thống cấp nước thành phố,

có thể nổi hoặc chìm dưới đất, bể có dung tích là 500 m3

 Trạm bơm : Trạm bơm gồm bàn trực, bàn điều khiển giám sát, phòng đặt 4bơm

Hình 1.2 : Bản vẽ bố trí tổng thể trạm bơm

1- Cửa ra vào; 2- Bàn điểu khiển giám sát thông qua máy tính; 3- Bàn trực;4,5,6,7 – Bơm số 1,2, 3, 4

-Bơm : dùng bơm ly tâm động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc Có các thông sốnhư sau:

Theo thiết kế, bể nước cao 10m, tại bể chứa, đo mức chất lỏng trong bể đểcảnh báo mức chất lỏng xuống tới giá tri thấp hoặc quá cao

- Mức cảnh báo thấp, động cơ làm việc với mức nước nhỏ hơn 1m

- Mức cảnh báo cao, động cơ làm việc với mức nước lớn hơn 9m

Do là bồn kín, một lượng khí đã được nạp vào từ thời điểm ban đầu vì vậycần giám sát áp suất trong bồn

- Cảnh báo áp suất cao từ mức 14 bar

- Cảnh báo áp suất thấp dưới 5 bar

1.3 Các loại cảm biến sử dụng trong giám sát

Sử dụng loại cảm biến loại tương tự cho phép khả năng mềm dẻo trong việcquyết định sự làm việc của các bơm Ngoài ra, hệ thống cần phải điều khiển sựlàm việc giữa các bơm một cách luân phiên, tránh trường hợp có bơm hoạt độngliên tục, có bơm không hoạt động.

1.3.1 Cảm biến mức

Mức là chiều cao điền đầy các chất lỏng hay hạt có tiết diện không thayđổi trong các thiết bị công nghệ và là tham số cần xác định để kiểm tra chế độlàm việc của thiết bị, điều khiển các quá trình sán xuất Mặt khác nhờ cảm biếnmức ta có thể đánh giá được khối lượng của các chất lỏng chứa trong bồn xăng,dầu,…Đơn vị đo mức là đơn vị đo chiều dài

Đo mức có thể thực hiện đo liên tục hoặc xác định theo ngưỡng Đo liêntục là quá trình trong đó tín hiệu đo cho biết thể tích chất lưu còn lại trong bồnchứa

Khi đo theo ngưỡng, cảm biến đưa ra tín hiệu dưới dạng nhị phân để pháthiện tình trạng mức có đạt hay không để điều khiển quá trình làm việc của bồnchứa

Dựa trên cơ sở lý thuyết, lựa chọn các thiết bị sau đây để tiến hành xâydựng, nghiên cứu đồ án:

- Cảm biến phao từ báo mức, loại phòng nổ Rongde RDHL Series FloaterLevel Sensor

- Tín hiệu đầu ra: RS485, tín hiệu dòng 4~20mA, tiếp điểm đầu ra hoặcđiện trở đầu ra

- Dải báo mức cao: Dải rộng từ 0.3~18m, nhiệt độ làm việc -40~+C

- Độ ổn định cao: Chống nhiễu điện từ, chống xốc, chống tính điện…

- Cấu tạo đơn giản, kín khí, ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, ít bị ảnh hưởngbởi áp lực, chống ăn mòn điện hóa, độ nhạy cao Chất lượng ổn định, tuổithọ cao, cách nhiệt tốt

- Thiết kế chịu rung lắc, vật liệu thép không rỉ

Hình 1.3 Cảm biến mức kiểu phao

1.3.2 Cảm biến áp suất

a) Cảm biến đo áp suất trong đường ống

Sử dụng để đo áp suất trong đường ống đẩy, nếu sau thời gian khởi động bơm

mà áp suất không tăng thì cần dừng bơm

- Chọn loại SITRANS P DS III của Siemens

+Tín hiệu ra : 4 đến 20 mA

+ Nhiệt độ : -40 đến 185o F

+ Độ chính xác ≤ ±0.075%

+ Sự ổn định theo thời gian 0.25% / 60 tháng

+ Dải đo : 0-10 mbar đến 0-400 bar (0-5800 psi)

+ Chuẩn giao tiếp :HART và Cable (1.5-3km)

Hình 1.4 : SITRANS P DS III của Siemens

b) Cảm biến áp suất trong bồn kín

Hình 1.5 Cảm biến áp suất

Cảm biến áp suất 16bar Sensys M5256-C3079E-016BG

- Thân vỏ thép không gỉ

- Chịu rung 20G, 20~200Hz

- Trọng lượng: 85g

- Môi chất: nước, dầu, khí

Hình 1.6 Kết nối cảm biến với bồn đo

Chương 2:

THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN GIÁM SÁT CHO TRẠM CÓ NHIỀU

BƠM2.1 Xây dựng cấu trúc của hệ thống giám sát

Các cảm biến biến các đại lượng vật lý thành tín hiệu điện analog, tín hiệuđiện được đưa về các bộ điều khiển, các bộ điều khiển này tính toán và đưa rađược chiều cao mức nước và áp suất trong thực tế.

Để đọc được tín hiệu Analog do cảm biến trả về ta có hai phương pháp khácnhau đó là dùng vi điều khiển và dùng PLC Bản chất của vi điều khiển và PLC

là như nhau vì nó cùng là bộ xử lí trung tâm làm nhiệm vụ phân tích và sử lí dữliệu thu được Trong điều kiện công nghiệp thì PLC tỏ ra có ưu thế hơn nhờ vào

độ bền cao, chịu được điều kiện khắc nhiệt, độ ổn định cao và dễ lập trình điềukhiển

Vì vậy trong đồ án môn học này em sẽ nghiên cứu ứng dụng PLC để đo,điều khiển và cảnh báo mức nước trong bể sử dụng cảm biến alalog là module

mở rộng ADC của PLC

Thông thường đầu vào của các module analog là các tín hiệu điện áp hoặcdòng điện Trong khi đó các tín hiệu tương tự cần xử lý lại thường là các tín hiệukhông điện như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, lưu lượng, khối lượng Vì vậy người

ta cần phải có một thiết bị trung gian để chuyển các tín hiệu này về tín hiệu điện

áp hoặc tín hiệu dòng điện – thiết bị này được gọi là các đầu đo hay cảm biến

Để tiện dụng và đơn giản các tín hiệu vào của module Analog Input và tín hiệu

ra của module Analog Output tuân theo chuẩn tín hiệu của công nghiệp.Có 2loại chuẩn phổ biến là chuẩn điện áp và chuẩn dòng điện

-Điện áp : 0 – 10V, 0-5V,±5V…

-Dòng điện : 4 – 20 mA, 0-20mA,±10mA

Trong khi đó tín hiệu từ các cảm biến đưa ra lại không đúng theo chuẩn Vìvậy người ta cần phải dùng thêm một thiết chuyển đổi để đưa chúng về chuẩncông nghiệp Kết hợp các đầu cảm biến và các thiết bị chuyển đổi này thành một

bộ cảm biến hoàn chỉnh , thường gọi tắt là thiết bị cảm biến, hay đúng hơn làthiết đo và chuyển đổi đo (bộ transducer)

Các tín hiệu đầu ra của cảm biến sẽ được đưa vào các module alalog để đọc

và trả ra giá trị alalog tương ứng tùy theo độ phân giải của module

Hình 2.1 Sơ đồ chuyển đổi tín hiệu tương tự cảm biến theo độ phân giải của

PLC

Tín hiệu giám sát được hiển thị lên máy tính, máy tính kết nối với PLCqua giao diện MPI Giao diện MPI (Multipoint Interface) dùng để ghép PLC vàmáy tính với nhau, tích hợp sẵntrong PLC, là một loại mạng đơn giản với sốtrạm tối đa là 32, vận tốc truyền chuẩn 187.5kb/s Môi trường truyền là cáp haidây hay sợi quang

Hình 2.2 Giao diện MPI

Để hiển thị được kết quả giám sát từ các cảm biến, trong máy tính cầnđược cài sẵn phần mềm WinCC và phần mềm STEP7

PLC s7 300 đọc tín hiệu alalog từ cảm biến thông qua module mở rộngSM331 để tính toán để tính ra giá trị mức nước và áp suất trong bồn trong bồn

PLC sẽ so sánh giá trị đọc được với các giá trị định ngưỡng để xuất tín hiệu điềukhiển đèn cảnh báo và điều khiển động cơ tương ứng.

Hệ thống giám sát thực hiện nhiệm vụ thu thập dữ liệu từ các sensor, hiểnthị trên các màn hình, có thể cảnh báo qua đèn và còi

Hình 2.3 : Cấu trúc hệ thống giám sát tổng quát

Hình 2.4 Cấu trúc hệ thống giám sát cho một bơm

- Tại thiết bị, đồng hồ chân không và đồng hồ áp suất hiển thị giám sát chongười vận hành

- Các dữ liệu của sensor đo mức và sensor đo áp suất được gửi về hiện thị trênmàn hình hiển thị của tủ giám sát, gửi về PLC, qua đó có thể cảnh báo qua còi

Để đọc tín hiệu analog vào PLC ta cần có bộ chuyển đổi tín hiệu khôngđiện thành tín hiệu điện (sensor nhiệt độ, áp suất…), bộ chuyển đổi tín hiệu điệntiêu chuẩn (PT350…) và module đầu vào analog S7-300 hỗ trợ môdule đọc tínhiệu analog

Modul vào analog SM331 (AI212Bit)

Hình 2.5 Modul SM331

Điện áp nguồn 24VDC, hai kênh đầu vào tương tự, tạo thành nhóm Đầuvào có nhiều mức lựa chọn, các cảm biến sử dụng ở đây có đầu ra 4÷20mA Sửdụng độ phân giải 12 bit.

Sử dụng hàm thư viện (Libraries) FC105 Trong PLC S7-300 tích hợp sẵnhàm chuyển đổi các giá trị analog trong thư viện (Libraries), khi lập trình khôngcần phải viết chương trình cho các hàm này như trong S7-200

2.2.2 Mạch giám sát

Hình 2.6 Sơ đồ mạch nguồn và mạch đo Ampe kế, Vôn kế

Hình 2.7 Nghép nối các thiết bị ngoại vi với modul đầu vào số

Hình 2.8 Mạch nghép nối các đầu ra số với các rơle trung gian

Hình 2.9 Mạch nghép nối giữa các rơle trung gian và contactor động lực

Các biến giám sát trong hệ thống gồm:

- Mức nước trong bình cấp nước: mức cao và mức thấp không đủ để bơm

- Áp suất trong đường ống của bơm 1, bơm 2 , bơm 3, bơm 4

- Mức nước trong bình kín : có mức cao và thấp

- Áp suất khí trong bình kín và bơm

2.3 Thiết kế tủ giám sát

Hình 2.11 : Thiết kế bên ngoài tủ giám sát

Hình 2.12: Vị trí các thiết bị bên trong tủ giám sát

Chương 3:

THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH GIÁM SÁT CHO TRẠM CÓ

NHIỀU BƠM3.1 Viết chương trình giám sát

Hình 3.1 Lưu đồ thuật toán giám sát

3.1.1 Thiết lập cấu hình PLC S7-300

Cấu hình cứng của trạm PLC được khai như sau:

- Module nguồn: PS 307 5A

- Module CPU 316 -2DP

- Module tín hiệu vào DI32xDC24V

- Module đầu ra DO32xDC24V/0.5A

Hình 3.2: Cấu hình phần cứng của trạm PLC S7 – 300

3.1.2 Bảng thống kê các biến đầu vào ra cho PLC S7-300

Bảng 3.1: Các biến đầu vào

I0.3 Role nhiệt bơm số 2

I0.4 Role nhiệt bơm số 3

I0.5 Role nhiệt bơm số 4

I0.6 Cảm biến mức bể nguồn

I0.7 Cảm biến áp suất đầu đẩy bơm 1 mức thấp, dừng bơmI1.0 Cảm biến áp suất đầu đẩy bơm 2 mức thấp, dừng bơmI1.1 Cảm biến áp suất đầu đẩy bơm 3 mức cao,dừng bơmI1.2 Cảm biến áp suất đầu đẩy bơm 4 mức cao, dừng bơmI1.3 Cảm biến cảnh báo mức nước nguồn thấp

I1.4 Cảm biến mức nước nguồn thấp, dừng toàn trạmI1.5 Cảm biến áp suất cửa hút bơm 1

I1.6 Cảm biến áp suất cửa hút bơm 2

I1.7 Cảm biến áp suất cửa hút bơm 3

I2.0 Cảm biến áp suất cửa hút bơm 4

I2.1 Cảm biến áp suất đầu đẩy bơm 1 mức cao, dừng bơmI2.2 Cảm biến cảnh báo áp suất đầu đẩy bơm 1 thấpI2.3 Cảm biến cảnh báo áp suất đầu đẩy bơm 1 caoI2.4 Cảm biến báo áp suất đầu đẩy bơm 1 bình thườngI2.5 Cảm biến áp suất đầu đẩy bơm 2 mức cao, dừng bơmI2.6 Cảm biến cảnh báo áp suất đầu đẩy bơm 2 caoI2.7 Cảm biến cảnh báo áp suất đầu đẩy bơm 2 thấpI3.1 Cảm biến báo áp suất đầu đẩy bơm 2 bình thườngI3.2 Cảm biến áp suất đầu đẩy bơm 3 thấp, dừng bơmI3.3 Cảm biến cảnh báo áp suất đầu đẩy bơm 3 caoI3.4 Cảm biến cảnh báo áp suất đầu đẩy bơm 3 thấp

I3.5 Cảm biến báo áp suất đầu đẩy bơm 3 bình thườngI3.6 Cảm biến áp suất đầu đẩy bơm 4 thấp, dừng bơmI3.7 Cảm biến cảnh báo áp suất đầu đẩy bơm 4 caoI20.0 Cảm biến cảnh báo áp suất đầu đẩy bơm 4 thấpI20.1 Cảm biến báo áp suất đầu đẩy bơm 4 bình thườngBảng 3.2: Các biến đầu ra

Q4.4 Cảnh báo bình kín trên mức cao

Q4.5 Cảnh báo áp suất bình kín cao

Q6.0 Báo role nhiệt bơm 1

Q6.1 Báo role nhiet bơm 2

Q6.2 Báo role nhiet bơm 3