Đồ án trang bị điện 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT TRẠM BƠM CẤP LỎNG CHO BỒN HỞ

Từ những nhu cầu thiết yếu đó, em đã tiếp nhận đề tài của thầy Hoàng Xuân Bình về: “Thiết kế giám sát cho trạm có nhiều bơm cấp lỏng cho bồn hở” để tìm hiểu về hệ thống giám sát và thiết

KHOA ĐIỆN -ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP

PHẦN MỞ ĐẦU 1

DANH MỤC CÁC BẢN VẼ 3

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT CHUNG THIẾT KẾ GIÁM SÁT TRẠM CÓ NHIỀU BƠM CẤP LỎNG CHO BỒN HỞ 4

1.1 Nghiên cứu đề xuất hệ thống thiết kế giám sát cho trạm có nhiều bơm 4

1.2 Các yêu cầu cơ bản của trạm bơm bồn hở 5

1.3 Thiết lập sơ đồ P&ID thu thập tín hiệu giám sát 6

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC THIẾT KẾ GIÁM SÁT CHO TRẠM CÓ NHIỀU BƠM CẤP LỎNG CHO BỒN HỞ 9

2.1 Tính chọn trang bị điện giám sát cho trạm có nhiều bơm cấp lỏng cho bồn hở 9

2.2 Thiết kế điểm đặt các thiết bị cảm biến cho hệ thống 11

2.3 Thiết kế tủ điện báo động và phần mềm giám sát 13

2.3.2 Phần mềm giám sát 18

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH GIÁM SÁT TRÊN VISUAL BASIC 6 32

3.1 Xây dựng chương trình giám sát 32

3.2 Lưu đồ thuật toán và các mạch mô phỏng 33

3.3 Viết chương trình giám sát hệ thống 34

3.4 Kết quả mô phỏng hệ thống 35

KẾT LUẬN 36

TÀI LIỆU THAM KHẢO 37

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Khoa học kĩ thuật đang ngày càng phát triển, các thiết bị và công nghệ tối tân

có vai trò hết sức quan trọng trong công nghiệp hóa, hiện đại hóa Trong đó quátrình giám sát các hệ thống như trạm bơm, trạm lạnh, các cần trục cầu trục đóngmột vai trò thiết yếu trong các bộ máy hệ thống

Từ những nhu cầu thiết yếu đó, em đã tiếp nhận đề tài của thầy Hoàng Xuân

Bình về: “Thiết kế giám sát cho trạm có nhiều bơm cấp lỏng cho bồn hở” để

tìm hiểu về hệ thống giám sát và thiết kế hệ thống giám sát cho đề tài trên

2 Mục đích của đề tài

Tìm hiểu, thiết kế hệ thống giám sát từ đó gửi các thông số yêu cầu điềukhiển cho hệ thống trạm có nhiều bơm cấp lỏng cho bồn hở trong thực tế

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu về sơ đồ P&ID thu thập tín hiệu giám sát và các trang thiết bịcủa hệ thống cảm biến đo đạc

Nghiên cứu bố trí các điểm đặt cảm biến, tủ điện và phần mềm giám sát

b Phạm vi nghiên cứu

Đồ án nghiên cứu để cấp nước cho một khách sạn, công xưởng hoặc trungtâm thương mại có đặt bồn nước hở trên mái nhà

4 Phương pháp nghiên cứu

Thiết lập sơ đồ P&ID thu thập tín hiệu giám sát

Tính chọn trang bị điện giám sát cho trạm có nhiều bơm cấp lỏng cho bồnhở

Thiết kế điểm đặt các thiết bị cảm biến cho hệ thống

Thiết kế tủ điện báo động và phần mềm giám sát

Xây dựng chương trình giám sát

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

a Ý nghĩa khoa học của thực tiễn

Giúp sinh viên nắm rõ nguyên lý thiết kế giám sát để có thể giám sát hệthống vận hành trơn tru, ổn định, bền vững

b Ý nghĩa thực tiễn

Giúp sinh viên hiểu sâu hơn về một hệ thống giám sát hoàn chỉnh ngoài thực

tế để phục vụ yêu cầu giám sát

Xây dựng được một phương án giám sát cụ thể

Tính toán và lựa chọn được các thiết bị cần thiết cho việc giám sát

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT CHUNG THIẾT KẾ GIÁM SÁT TRẠM CÓ

NHIỀU BƠM CẤP LỎNG CHO BỒN HỞ 1.1 Nghiên cứu đề xuất hệ thống thiết kế giám sát cho trạm có nhiều bơm

Hệ thống giám sát 4 bơm mắc song song cùng đưa tới một đường ống gópchung, cấp chất lỏng cho một bồn hở (bể chứa đích) Các tín hiệu cần giámsát được đo đạc và nhận biết bằng cảm biến,sau khi cảm biến đã thu thậpđược các số liệu giám sát sẽ cho các tín hiệu đi qua một bộ xử lý PLC ở đây

sẽ có chương trình được lập trình sẵn để điều khiển đèn trong tủ điện tại hiệntrường Một lộ khác tín hiệu từ đầu ra của bộ xử lý PLC sẽ được ghép nối vớimáy tính qua một phần mềm giám sát Visual Basic phần mềm này sẽ hiển thịcác tín hiệu cần giám sát cho người vận hành ở buồng giám sát nắm rõ.Các

vị trí sơ đồ lắp đặt các thiết bị đo tùy thuộc vào yêu cầu đề xuất ta sẽ lựachọn các cảm biến, PLC phù hợp như cảm biến mực nước dạng phao, bộchuyển đổi tín hiệu từ tương tự sang số gửi về máy tính và các thiết bị đènbáo cho tủ điện tại vị trí hiện trường Muốn lắp đặt ta phải thực hiện một sốthao tác sau:

- Khảo sát vị trí lắp đặt cảm biến: thiết kế các điểm đo Điểm một đo mức chấtlỏng trong két( bể hút) Điểm hai đo tại cửa hút của bơm(hiển thị áp suấtngay tại hiện trường), điểm ba đo áp suất tại cửa đẩy của bơm( áp suất sẽđược đưa về PLC để xử lý và tích hợp vào máy tính), điểm đo thứ 4 quy định

số lượng bơm được đưa vào hoạt động, đưa tín hiệu về hệ thống giám sát

- Tín hiệu thu thập được từ các cảm biến đưa qua bộ biến đổi và đưa vào vi xử

lý, ghép nối vào máy tính thông qua phần mềm giao diện visual basic 6 đểgiám sát hệ thống từ xa

- Khảo sát vị trí lắp đặt tủ điện giám sát tại hiện trường: lắp đặt 5 tủ điện báođộng tại hiện trường phải cao ráo, tủ sắt chống va đập, vị trí dễ quan sát,

tránh mưa gió và các điều kiện thời tiết, dễ dàng thay thế và bảo trì mỗi khicần thiết.

Hình 1.1: Sơ đồ đề xuất hệ thống giám sát

1.2 Các yêu cầu cơ bản của trạm bơm bồn hở

 Đảm bảo các bảo vệ 191 ap h thường trong hệ truyền động điện như ngắn mạch,quá tải,… Cũng như các bảo vệ riêng có trong hệ thống trang bị điện đối vớitừng hệ thống cụ thể

 Đảm bảo các chế độ vận hành 191ap h thường: bằng tay, tự động T rongchế 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 li tâm không tự động mồi nước được nên mạch điều khiển phải đảmbảo mồi nước trước khi chạy bơm (qua bơm mồi, van điện tử,….) và tuân thủcác thứ tự thao tác chạy bơm

 Bơm thường hoạt động ở môi trường ẩm ướt (nước, chất lỏng khác ), môitrường độc hại (axit, kiềm…), môi trường dễ cháy, nổ(dầu, axit) hoặc trong môi

trường bẩn (bùn) nên các trang bị điện cũng phải đáp ứng được các điều kiệnđó.

 Động cơ lai bơm chỉ quay theo một chiều nên trnag bị điện cho bơm cần cómạch bảo vệ thứ tự pha trong các hệ thống bơm sử dụng động cơ điện xoaychiều

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

 Những hệ thống bơm công tác trong môi trường dễ cháy, nổ (bơm dầu, hóachất) yêu cầu có nhiều vị trí dừng sự cố

 Đối với trạm có nhiều bơm, cần chú ý tới thứ tự khởi động dừng các bơm theomột thuật toán đặt trước Tránh khởi động các bơm cùng một lúc sẽ dẫn tới sụt

áp dưới lưới ảnh hưởng tới điều kiện làm việc của các thiết bị xung quanh Cóthuật toán đảo các bơm chạy luân phiên đảm bảo thời gian làm việc của cácbơm đồng đều nhau

 Giám sát nguồn điện cho trạm bơm, thông báo trạng thái của nguồn điện:

 Nguồn điện ba pha: có đủ 3 pha không, điện áp các pha, thứ tự các pha

 Nguồn điện 1 pha (phòng điều khiển): điện áp nguồn một pha

 Giám sát lượng chất lỏng trong bể chứa chất lỏng đầu vào của hệ thống bơm

 Khi lượng chất lỏng trong bể chứa thấp cần thông báo để tiếp chất lỏng vào

bể hoặc dừng hệ thống bơm

 Giám sát áp suất đầu ra của từng trạm bơm

 Khi bắt đầu vận hành, bươm bắt đầu chạy mà áp suất trong ống khôngtăng thì cần kiểm tra hoạt động của hệ thống

 Khi hoạt động ổn định cần kiểm tra áp suất lưu lượng để tăng giảm côngsuất của bơm để đạt yêu cầu

 Giám sát lưu lượng đầu ra cuối cùng của bể đích

 Kiểm tra áp suất lưu lượng cuối xem có đạt yêu cầu cung cấp nhiên liệu

1.3 Thiết lập sơ đồ P&ID thu thập tín hiệu giám sát

Sơ đồ cấu trúc P&ID miêu tả chi tiết quá trình công nghệ kèm theo các chứcnăng tiêu biểu của một hệ thống điều khiển quá trình cùng các đường liên hệ thànhphần

Sơ đồ cấu trúc P&ID có ý nghĩa trong việc đặc tả chức năng và thiết bị của

hệ thống điều khiển quá trình, cơ sở cho việc phân tích và thiết kế hệ thống Cácbiểu tượng trong sơ đồ cấu trúc P&ID được sử dụng thống nhất trên toàn thế giớitheo tiêu chuẩn DIN 19227-3 của Đức hoặc ANSI/ISA và S5.33 của Mỹ

Hình 1.2 : Sơ đồ P&ID để thu thập tín hiệu giám sát

 Thuyết minh sơ đồ:

Về cơ bản, các thiết bị đo lường sử dụng trong hệ thống phục vụ hainhiệm vụ chính: giám sát và điều khiển

 Giám sát: tín hiệu đo về chỉ phục vụ hiển thị, chỉ báo các thong

số quá trình (không ảnh hưởng tới chế độ làm việc của hệthống)

 Trong sơ đồ P&ID nói trên, các vị trí đo lường có các chức năngnhư sau:

 Tại bể hút: cần đo giá trị mức chất lỏng trong bể để phục vụgiám sát khi mức chất lỏng xuống tới giá trị thấp

 Trong đường ống hút: thông thường chỉ cần sử dụng một đồng

hồ chân không để chỉ thị độ chân không trong đường ống màkhông cần thiết thu thập tín hiệu về thiết bị điều khiển trungtâm Tuy nhiên, trong một số trường hợp đặc biệt, cần đưa tínhiệu này về phục vụ điều khiển Nếu sau một khoảng thời giantrễ, bơm không có khả năng khử áp suất âm trong đường ốnghút thì cần điều khiển hệ thống bơm mồi làm việc nếu có hoặcdừng bơm

 Trong đường ống đẩy: Cần đo giá trị áp suất trong đường ống.Các thiết bị phục vụ cho giám sát cần được thiết đặt ở giá trịthấp hơn các tín hiệu phục vụ điều khiển để cho phép người vậnhành có thể can thiệp trước khi có lệnh tự động từ trung tâmđiều khiển Trong trường hợp giá trị áp suất đo được thấp hơnmức bình thường, cần kiểm tra đường ống dẫn (có thể bị dò rỉtại một vị trí nào đó)

 Tại bể chứa đích: nên sử dụng thiết bị đo mức loại tương tự chophép khả năng mềm dẻo trong việc quyết định sự làm việc củacác bơm theo mức chất lỏng có trong bể

 Một số các phần tử được sử dụng trong hệ thống:

 Các phần tử có trong sơ đồ P&ID để thu thập tín hiệu giám sát:

 HLV, NLV, LLV: thiết bị cảm biến đo mức chất lỏng trong bồn ở haiđiểm D1 và D10

 VG: Đồng hồ chân không trong đường ống để chỉ thị độ chân khôngtrong đường ống mà không cần thu thập tín hiệu về thiết bị điều khiển.Tuy nhiên, trong một số trường hợp thì cần đưa về thiết bị điều khiển

 HP, NP, LP: cảm biến đo áp suất trong đường ống, các tín hiệu phục phụgiám sát nên được thiết đặt ở giá trị đặt thấp hơn các tín hiệu phục vụ điềukhiển để cho phép người vận hành có quyền can thiệp trước khi có lệnh tựđộng từ trung tâm điều khiển

 Các trang thiết bị phục vụ cho thu thập tín hiệu giám sát ở các điểm đo:

 Bể hút: có 2 LT dùng để đo mực nước gửi về trung tâm giám sát

 Các tín hiệu cần giám sát là: NLV( Mức trung bình), L1 LV(Mức thấp 1),L2 LV(Mức thấp 2)

 Tại cửa hút của mỗi bơm: có 4 VG dùng để chỉ thị độ chân không trongđường ống tại hiện trường.

 Mỗi đường ống: 5 cảm biến áp suất để đo và chỉ thị áp suất có trong ốngcủa đường ống đẩy phục vụ giám sát cho người vận hành

 Ở mỗi đường ống có các cảm biến để báo động áp suất cao, thấp: H2P(Áp suất cao mức 2), H1P (Áp suất cao mức 1), NP (Áp suất bìnhthường), L1P(Áp suất thấp mức 1) , L2P (Áp suất thấp mức 2)

 Bể đích: có 5 LT để đo mực nước gửi về trung tâm giám sát

 Các tín hiệu cần giám sát là: H2LV, H1LV, NLV, L1 LV, L2 LV,H2P,H1P, NP, L1P, L2P

- Thuyết minh sơ đồ P&ID:

 Ta giám sát mực nước ở bể đích và bể hút, khi bể đáy có mực nước thấp(L1LV,L2LV) ta tiến hành điều khiển bơm nước, khi bể hút có mực nướcthấp (L1LV,L2LV) hoặc bể đích có mực nước cao (H2LV,H1LV) ta ngắtbơm Ở mỗi ống sẽ có một đồng hồ chỉ thị áp suất và các cảm biến đo ápsuất khi áp suất quá thấp (L1P,L2P) nước không thể hút ở đầu ống hút, ta

sẽ tiến hành tạo áp suất, khi áp suất trong ống quá cao (H1P,H2P) ta tiếnhành mở van một chiều để tránh vỡ ống

 Các tín hiệu thu thập được gửi về bộ PLC để điều khiển đèn báo trong tủđiện, và ghép nối PLC với chương trình giám sát trên máy tính

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC THIẾT KẾ GIÁM SÁT CHO TRẠM CÓ NHIỀU

BƠM CẤP LỎNG CHO BỒN HỞ 2.1 Tính chọn trang bị điện giám sát cho trạm có nhiều bơm cấp lỏng cho bồn hở

Ví dụ: Bơm nước lên một khu chung cư có bồn chứa hở trên gác thượng, độ caochung là 40 mét

 Ta thực hiện chọn các cảm biến tại các điểm đo cụ thể:

 Ở điểm đo D1 ta chọn ba cảm biến đo mực nước trong bồn là cảm biếnphao inox ILM.2 được thiết kế có kích thước lớn, cầu phao có đường kính53mm, Thân và cầu phao được làm bằng inox 316

 Phao có thể hoạt động trong môi trường áp suất lớn Ngõ ra với tiếp điểmlớn hơn so với các loại phao khác, lên đến 3A với điện áp hoạt động250VAC

 10 mét nước ~ 1 kg/cm2 ~ 1 bar  Tòa chung cư cao 40 mét: 40 métnước ~ 4kg/cm2 ~ 4 bar ta sẽ chọn đồng hồ đo 0-6 kg/cm2

 ta chọn đồng hồ đo chân không NISSHIN 0- 6 bar, phi 63, chân đồng

Hình 2.2 Thiết bị cảm biến chân không.

 Dải đo: từ 0 đến 6 kg/cm2 (bar, kPa, MPa), đo áp suất dương (không đo ápsuất thấp hơn áp suất khí quyển)

 Khoảng nhiệt độ cho phép đo: -20 đến 60 độ C,

 Cấp chính xác: 2.5

 Ở điểm đo D10 ta chọn năm cảm biến đo mực nước như ở điểm đo D1

Hình 2.3 Thiết bị cảm biến áp suất.

Phạm vi lựa chọn:

Áp suất âm (-1~1 bar), áp suất thường bao gồm nhiều phạm vi từ 0-600bar

– Sai số chính xác: 1% F.S

– Thời gian đáp ứng: <4ms

– Nhiệt độ hoạt động: -20~80 độ C.

– Sensor element: Ceramic in AL2O3

– Ngõ ra: hai dây 4-20mA, ba dây 0-10VDC, 0-5VDC, 1-5VDC

– Nguồn cấp cho cảm biến: 8-30VDC

– Vật liệu thân của cảm biến: inox 316 chịu áp lực 16 bar

– Cấp độ bảo vệ chống kín nước và bụi: IP65

– Khối lượng cảm biến: 0.12kg

– Kết nối cảm biến với ống: ren 1/4 hoặc ren 1/2 (NPT male)

Hình2.4: Vôn kế và chuyển mạch vôn kế

Hình 2.5.: Áp kế và biến dòng

2.2 Thiết kế điểm đặt các thiết bị cảm biến cho hệ thống

 Ở bể hút:

Hình 2.4 Điểm đặt thiết bị cảm biến ở bể hút

 Ta đặt 3 cảm biến để đo: L2LV

L1LVNLV

 Cảm biến sẽ đo 3 mức nước trong bể hút: mức nước trung bình, mứcnước thấp 1, mức nước thấp 2 Cảm biến đo áp suất sẽ gửi tín hiệu vềPLC để xử lý

 Ở bể đích:

Hình 2.5 Điểm đặt thiết bị cảm biến ở bể đích

 Ta đặt 5 cảm biến để đo:

L2LVL1LVNLVH1LVH2LV

 Cảm biến sẽ đo 5 mức nước ở bể đích: Mực nước cao mức 1, mựcnước cao mức 2, mực nước trung bình, mực nước thấp mức 1, mựcnước thấp mức 2 Cảm biến đo áp suất sẽ gửi tín hiệu về PLC để xử lý

Hình 2.6 Điểm đặt thiết bị cảm biến ở mỗi đường ống

 Ta đặt 1 đồng hồ đo áp suất chân không chỉ thị tại hiện trường

 Ta đặt 5 cảm biến để đo áp suất nước:

H1PH2PNPL2PL1P

 Đồng hồ chân không sẽ hiển thị áp suất ở cửa hút ngay tại hiện trường

để phục vụ công nhân theo dõi

 Cảm biến áp suất sẽ đo 5 mức áp suất: mức áp suất cao 1, mức áp suấtcao 2, mức áp suất trung bình, mức áp suất thấp 1, mức áp suất thấp 2.Cảm biến đo áp suất sẽ gửi tín hiệu về PLC để xử lý

2.3 Thiết kế tủ điện báo động và phần mềm giám sát

2.3.1 Thiết kế tủ điện báo động

a Thiết kế tủ điện cấp nguồn

Hình 2.6 Bố trí bên ngoài tủ báo động tủ cấp nguồn

Hình 2.7 Bố trí bên trong tủ báo động tủ cấp nguồn

b Thiết kế tủ điện báo động cho bể hút.

Hình 2.8 Bố trí bên ngoài tủ báo động ở bể hút

Hìn

h 2.9 Bố trí bên trong tủ báo động ở bể hút

c Thiết kế tủ điện báo động cho bể đích

Hình 2.10 Bố trí bên ngoài tủ báo động ở bể đích

Hình 2.11 Bố trí bên trong tủ báo động ở bể đích

d Thiết kế tủ điện báo động áp suất cho mỗi ống bơm

Hình 2.12 Bố trí bên trong tủ báo động ở bể đích

e Thiết kế tủ điện tập trung:

Theo hình ta có:

- 1 tủ động lực cấp nguồn chính cho trạm

- 1 tủ báo động đèn áp suất

- 1 tủ báo mức nước trong bể hút ( Level tank 1)

- 1 tủ báo mức nước trong bể đích ( Level tank 2)

- 1 tủ báo cấp nguồn cho trạm PLC

Số tủ cần thiết kế là 5 tủ Các tủ đều giống nhau về kích thước và vật liệu

Ta thiết kế tủ: cao 1,2 mét, rộng 0,5 mét, dài 0,8 mét

2.3.2 Phần mềm giám sát

a Xây dựng sơ đồ cấu trúc cho hệ thống đèn báo động tủ điện

b.Xây dựng mạch cấp nguồn chính

Thuyết minh sơ đồ:

Sau khi đóng Aptomat tổng 1MCB, điện áp qua cầu dao tự động 2MCB đến máybiến áp 1TR (380V/110V), đóng cầu dao 3MCB để cấp nguồn 110V cho các mạchkhác, 2 dây từ cuộn thứ cấp của biến áp sẽ rẽ qua một lộ khác qua bộ chuyển đổiDC/AC từ điện áp AC 110V thành điện áp DC 24V cấp nguồn cho các mạch khác

Ở dây 3 pha, lấy điện áp 2 trong 3 dây pha đi qua cầu chì đến một máy biến áp380V/110V đưa vào vol kế để đo điện áp dây, dòng điện mạch cấp nguồn chính sẽđược đo qua 2 biến dòng 100/5A và được kiểm tra từng dây bằng Ampe kế khi sửdụng nút chuyển mạch Ampe swich

c Xây dựng mạch rơ le trung gian