NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THÔNG CẤP NƯỚC TỰ ĐỘNG CHO NHÀ CHUNG CƯ
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (11.21 MB, 219 trang )
SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net)
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BỘ MÔN KỸ THUẬT
ĐIỆN
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN CHO HỆ THÔNG CẤP NƯỚC TỰ
ĐỘNG CHO NHÀ CHUNG CƯ
Sinh viên thực hiện
:
Nguyễn Đương Tiến
Vương Văn Sơn
Lớp
:
Trang bị điện trong CN và GTVT
Khóa
:
K58
SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net)
Giáo viên hướng dẫn
:
ThS. Vũ Duy Nghĩa
Hà Nội – 2021
SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net)
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BỘ MÔN KỸ THUẬT
ĐIỆN
----------------------
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỂU KHIỂN CHO HỆ THỐNG CẤP
NƯỚC TỰ ĐỘNG CHO NHÀ CHUNG CƯ
Sinh viên thực hiện
:
Nguyễn Đương Tiến
Vương Văn Sơn
Lớp
:
Trang bị điện trong CN và GTVT
Khóa
:
K58
Giáo viên hướng dẫn
:
ThS. Vũ Duy Nghĩa
SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net)
Hà Nội – 2021
SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net)
Mục lục
DANH MỤC VIẾT TẮT, KÝ HIỆU
6
..........................................................................
DANH MỤC HÌNH ẢNH
7
...........................................................................................
DANH MỤC BẢNG BIỂU
1
.......................................................................................
0
CHƯƠNG 1: LỜI MỞ ĐẦU .....................................................................................11
1.1
1.2
Lý do chọn đề tài ..............................................................................................11
Mục tiêu nghiên cứu11
.............................................................................................
1.3 Ý nghĩa khoa học của đề tài ................................................................................. 1
2
1.4
Phạm vi nghiên cứu 1
.............................................................................................. 2
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN HỆ THỐNG CẤP NƯỚC .......................................... 1
3
2.1 Tìm hiểu về đối tượng .......................................................................................... 1
3
2.1.1
Ứng dụng 1
....................................................................................................... 3
2.1.2 Giải pháp công nghê đang được sử dụng ...................................................... 1
3
2.2 Lựa chọn giải pháp ............................................................................................... 1
7
2.2.1
Nguyên tắc điều khiển hệ thống 1
.................................................................... 8
2.2.2 Những ưu điểm khi điều khiển tốc độ bơm bằng thiết bị biến tần................ 2
0
2.3 Mô tả hoạt động của hệ thống .............................................................................. 2
0
2.4 Cấu trúc phần cứng và mơ hình thực tế ............................................................... 2
2
2.4.1 Cấu trúc phần cứng ....................................................................................... 2
2
SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net)
2.4.2 Mơ hình thực tế ............................................................................................. 2
3
2.5 Yêu cầu công nghệ ............................................................................................... 2
3
SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net)
2.6 Tìm hiểu về thiết bị mạch động lực
25
2.6.1 Máy bơm
26
2.6.2 Biến tần
27
2.6.3 Van một chiều
29
2.6.4 Phao điện
30
2.6.5 Bình tích áp
31
2.6.6 Đồng hồ nước
31
2.7 Tìm hiểu về mạch điều khiển
32
2.7.1 Bộ điều khiển PLC S7-300 CPU 313 của hãng Siemens.
32
2.7.2 HMI
37
2.7.3 Cảm biến áp suất
38
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN LỰA CHỌN THIẾT BỊ MẠCH ĐỘNG LỰC
41
3.1 Thiết bị mạch động lực
41
3.1.1 Máy bơm
41
3.1.2 Biến tần
43
3.1.3 MCB
45
3.1.4 Contactor
46
3.1.5 Relay nhiệt
47
3.2 Thiết bị sử dụng trong hệ thống
48
3.2.1 Bể chứa nước ngầm
48
3.2.2 Tính chọn đồng hồ nước
49
3.2.3 Kích thước đường ống
50
3.2.4 Bể nước mái
51
SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net)
3.2.5 Van một chiều ............................................................................................... 5
2
3.2.6
Phao điện 5
....................................................................................................... 3
3.2.7 Bình tích áp ................................................................................................... 5
4
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
5
..............................................
5
4.1
Thiết bị mạch điều khiển 5
...................................................................................... 5
4.1.1 PLC VÀ MODULE....................................................................................... 5
5
4.1.2 Cảm biến áp suất ........................................................................................... 5
7
4.1.3 HMI ............................................................................................................... 5
8
4.2 Chức năng của hệ thống và phân tích hệ thống ................................................... 5
9
4.3 Thiết kế hệ thống mơ phỏng trên phần mềm Simatic WinCC Explorer .......... 6
0
4.3.1Giới thiệu tổng quan phần mềm Simatic Wincc Explorer ............................. 6
0
4.3.2 Thiết kế giao diện hệ thống trên Wincc ..................................................... 6
1
CHƯƠNG 5: THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN VÀ CHƯƠNG TRÌNH
6
.....................
3
5.1 Lưu đồ thuật tốn .............................................................................................. 6
3
5.2 Chương trình điều khiển và mơ phỏng hệ thống .............................................. 6
4
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
7
.................................................................
4
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 7
5
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 7
6
SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net)
DANH MỤC VIẾT TẮT, KÝ HIỆU
Chữ viết tắt
Nguyên nghĩa
Nghĩa Tiếng Việt
TCVN
Tiêu chuẩn Việt Nam
Tiêu chuẩn việt nam
PLC
Programmable Logic
Controller
Bộ điều khiển logic khả
trình
HMI
Human Machine Interface
Giao diện người và máy
MCB
Miniature Circuit Breaker
Bộ ngắt mạch thu nhỏ
SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net)
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống cấp nước sinh hoạt tịa chung cư
22
Hình 2.2: Hệ thống bơm nước cho khu dân cư cao tầng
23
Hình 2.3: Sơ đồ mạch động lực
25
Hình 2.4: Máy Bơm
26
Hình 2.5: Cấu tạo máy bơm nước
26
Hình 2.6: Biến tần Shihlin
27
Hình 2.7: Cấu tạo biến tần
28
Hình 2.8: Cấu tạo van một chiều
29
Hình 2.9: Cấu tạo Van điện
30
Hình 2.10: Cấu tạo bình tích áp
31
Hình 2.11: Đồng hồ nước
31
Hình 2.12: Sơ đồ mạch đấu nối PLC - điều khiển tự động
32
Hình 2.13: Mơ hình tổng quát của một PLC S7-300
33
Hình 2.14: Hình ảnh cấu trúc của PLC S7-300 CPU 313
33
Hình 2.15: Hình ảnh thực tế của PLC S7-300 CPU 313C
34
Hình 2.16: Ngơn ngữ lập trình dạng LAD
35
Hình 2.17: Ngơn ngữ lập trình dang STL
36
Hình 2.18: Ngơn ngữ lập trình dạng FBD
36
Hình 2.19: Sơ đồ vị trí ứng dụng HMI
37
Hình 2.20: Cấu tạo cảm biến áp suất
39
Hình 2.21 Ngun lí hoạt động của cảm biến áp suất
39
Hình 2.22: Sơ đồ tín hiệu ngõ ra 4-20mA tương ứng với áp suất và tỉ lệ phần
40
SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net)
Hình 3.1: Máy bơm cơng nghiệp CM40- 200B
42
Hình 3.2 Biến tần Shilin SF-040-11K/7.5K-G
44
Hình 3.3: Các loại MCB schneider
45
SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net)
Hình 3.4: MCB Schneider EZC100B3020
46
Hình 3.5: Các loại Contactor Schneider
46
Hình 3.6: Contactor Schneider LC1D12
47
Hình 3.7: Các loại Relay nhiệt Schneider
47
Hình 3.8: Đồng hồ đo nước DN50 Komax
50
Hình 3.9: Bồn nước lắp ghép GRP dung tích 100m³
51
Hình 3.10: Van một chiều lá lật Inox
52
Hình 3.11: Phao điện Baren
53
Hình 3.12: Bình tích áp Varem 500L 10bar
54
Hình 4.1: Hình ảnh PLC S7-300 CPU 313C 2DP 6ES7313-6CG04-0AB0
55
Hình 4.2: Module PLC Analog SM 334 6ES7334-0CE01-0AA0
56
Hình 4.3: Cảm biến áp suất 50 bar M5256-C3079E-050BG
57
Hình 4.4: Màn hình HMI Weintek MT6071IP
58
Hình 4.5 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
59
Hình 4.6: Cửa sổ giao diện WinCC
61
Hình 4.7: Cửa sổ thiết kế giao diện
62
Hình 4.8: Giao diện giám sát hệ thống
62
Hình 5.1: Lưu đồ thuật tốn
63
Hình 5.2: Hình ảnh lập trình khối trên phần mềm Simatic manager
64
Hình 5.3 Hình ảnh lấy các phần tử để lập trình
64
Hình 5.4 Bật phần mềm mơ phỏng PLCSim
65
Hình 5.5: Nạp chương trình để mơ phỏng hệ thống
65
Hình 5.6: Mở phần mềm Wincc rồi chọn giao diện mơ phỏng
66
Hình 5.7: Chọn lưu giao diện và bắt đầu mô phỏng
66
SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net)
Hình 5.8: Cài đặt các nút ấn theo thứ tự để vận hành hệ thống
67
Hình 5.9: Hình ảnh bơm 1 và bơm 3 đang hoạt động
68
Hình 5.10: Hình ảnh các bơm ngừng hoạt động khi đầy nước trên bể mái
69
Hình 5.11: Đèn báo sự cố bơm
70
SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net)
Hình 5.12: Chuyển sang chế độ bằng tay
71
Hình 5.13: Hình ảnh chế độ bằng tay
72
Hình 5.14: Hình ảnh bản xuất dữ liệu thông số báo cáo hằng ngày
72
Hình 5.15: Hình ảnh hệ thống dừng hoạt động
73
SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net)
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3-1: Bảng lượng nước tiêu thụ của khu chung cư
41
Bảng 3-2: Thông số kỹ thuât bơm công nghiệp CM40- 200B
42
Bảng 3-3: Kiểu đồng hồ đo nước
49
SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net)
Đồ án tốt nghiệp
Hệ thống cấp nước tự động cho nhà chung cư
CHƯƠNG 1: LỜI MỞ ĐẦU
1.1
Lý do chọn đề tài
Q trình cơng nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước ngày càng phát triển, song song với đó
là việc ứng dụng những khoa học tiến bộ nhất vào hoạt động sản xuất. Việc tự động hóa
trong lĩnh vực sản xuất đã được sử dụng rộng rãi qua đó thuật ngữ giám sát dần được hình
thành. Việc giám sát các hoạt động của hệ thống dần được thực hiện bởi các phương tiện
máy móc kỹ thuật mới, giảm bớt lại các công việc của con người. Hiện nay, như chúng ta
biết là nhu cầu sử dụng nước ở mỗi thời điểm là không giống nhau. Làm thế nào để có một
hệ thống bơm biết được điều này và tự động điều chỉnh công suất bơm cho phù hợp với
lượng tiêu thụ, giữ áp suất không đổi cho hệ thống là u cầu đặt ra.
Vậy nên thay vì có một người túc trực điều khiển đóng cắt máy bơm nước cho tịa
nhà, cơng trình thì chúng ta có thể ứng dụng PLC vào công việc này giúp tiết kiệm thời
gian, tiền bạc về lâu dài.
1.2 Mục tiêu nghiên cứu
Đối với các hệ thống bơm cấp nước trong thực tế, người ta sử dụng máy bơm công
suất lớn, biến tần công suất lớn để bơm cấp nước cho cả khu dân cư, thành phố, cho cả
khu công nghiệp. Với đề tài này, chúng em đã mơ hình hóa hệ thống nên chỉ sử dụng
biến tần công suất nhỏ và bơm công suất nhỏ để mô tả hoạt động của hệ thống. Một
phần vì máy bơm ba pha thường rất to và nặng kéo theo hệ thống sẽ không đơn giản, lý
do nữa là chi phí cho một đồ án như vậy là quá lớn với khả năng của chúng em. Để
thực hiện được đề tài chúng em đã:
+ Nghiên cứu kĩ hệ thống bơm cấp nước trong thực tế, nắm rõ trình tự điều khiển
từng máy bơm.
+ Tìm hiểu về PLC Simatic S7-300: Nghiên cứu cấu trúc phần cứng, cấu trúc bộ nhớ
của PLC S7-300
+ Tìm hiểu về cách sử dụng biến tần
SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net)
+ Lựa chọn biến tần và động cơ có cơng suất hợp lý
Nguyễn Đương Tiến - Trang bị điện CN & GTVT – K58
Vương Văn Sơn
- Trang bị điện CN & GTVT – K58
11
SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net)
Đồ án tốt nghiệp
Hệ thống cấp nước tự động cho nhà chung cư
+ Tìm hiểu giao tiếp giữa PLC S7-300 và biến tần
+ Lập trình PLC
+ Lập trình để điều khiển máy bơm
+ Tìm hiểu cách sử dụng phần mềm Step7 dùng để lập trình cho PLC S7-300 và
WinCC để thiết kế giao diện.
1.3 Ý nghĩa khoa học của đề tài
Đề tài cho thấy việc ứng dụng của tự động hóa vào cuộc sống là rất cần thiết, nó
giúp ta tiết kiệm được thời gian, cơng sức, tiền bạc nhưng vẫn mang lại hiệu quả kinh
tế cao và hoạt động rất ổn định.
Từ đề tài nghiên cứu về điều khiển ổn định áp suất nước cho đường ống nước, chúng
ta có thể mở rộng cho hệ thống điều khiển lị nhiệt, hệ thống điều hịa khơng khí, …
1.4 Phạm vi nghiên cứu
Từ những kiến thức cơ sở học được tại trường và ngồi thực tế, do cịn hạn chế về
kiến thức cũng như về khả năng kinh tế và thời gian có hạn nên chúng em chỉ có thể
tạo mơ hình mang tính chất mơ phỏng cao để thể hiện quy trình hoạt động của hệ thống
cấp nước trong thực tế. Trong đó, chúng em đã thực hiện một số cơng việc:
+ Lập trình PLC theo thuật toán đưa ra
+ Giao tiếp PLC với HMI giám sát hệ thống
+ Giao tiếp truyền thông PLC với biến tần
+ Thiết kế giao diện điều khiển tự động với WinCC
+ Lập trình PLC cho động cơ hoạt động theo giá trị áp suất yêu cầu
+ Điều khiển và giám sát hệ thống
SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net)
Nguyễn Đương Tiến - Trang bị điện CN & GTVT – K58
Vương Văn Sơn
- Trang bị điện CN & GTVT – K58
12
SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net)
Đồ án tốt nghiệp
Hệ thống cấp nước tự động cho nhà chung cư
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN HỆ THỐNG CẤP NƯỚC
2.1 Tìm hiểu về đối tượng
2.1.1 Ứng dụng
Hệ thống bơm ổn định mức được sử dụng rộng rãi trong ngành cơng nghiệp nói
chung và ngành cơng nghiệp chất lỏng nói riêng như hóa chất, nước uống đóng chai,
dầu ăn, sản xuất xi măng, sản xuất giấy, sản xuất điện năng… Đặc biệt trong hệ thống
cung cấp nước cho hộ dân, khu chung cư, nhà cao tầng, các khu cơng nghiệp.
Ví dụ thực tế:
Nhu cầu sử dụng nước trong khu công nghiệp, khu dân cư rất khác nhau trong các
thời điểm của ngày (cao điềm và thấp điểm), yêu cầu đặt ra là phải giải quyết được việc
tự động ổn định áp suất trên đường ống nước cấp, mức nước trên bồn chứa, và tiết
kiệm năng lượng cho hệ thống cấp nước.
Để đáp ứng nhu cầu áp lực nước trong hệ thống luôn đủ khi nhu cầu sử dụng nước
thay đổi bất thường, các bơm trong hệ thống luôn làm việc liên tục ở chế độ đầy tải.
Tuy nhiên, điều này dẫn đến một số bất lợi sau:
+
Áp lực nước trong hệ thống đôi khi tăng quá cao không cần thiết, 1 số thời
điểm nhu cầu sử dụng nước giảm xuống nhưng hệ thống bơm vẫn chạy đầy tải. Điều
này gây
lãng phí năng lượng rất lớn.
+ Các bơm phải chạy liên tục dẫn đến giảm tuổi thọ cơ khí.
2.1.2 Giải pháp công nghê đang được sử dụng
Trong ngành công nghiệp hiện nay các hệ thống bơm ồn định mức hầu hết được
thiết kế với các đặc điểm sau:
+ Trạm thường có tối thiểu 2 bơm trở lên, cùng cấp nước vào một đường ống chính.
+ Các bơm được khởi động trực tiếp hoặc sao/tam giác hoặc có thể dùng bộ khởi
SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net)
động mềm với các loại bơm công suất lớn và tất cả các động cơ đều hoạt động ở tốc độ
định mức.
Nguyễn Đương Tiến - Trang bị điện CN & GTVT – K58
Vương Văn Sơn
- Trang bị điện CN & GTVT – K58
13
SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net)
Đồ án tốt nghiệp
Hệ thống cấp nước tự động cho nhà chung cư
+ Trong quá trình trạm bơm hoạt động, thường luôn luôn để một bơm ở chế độ
dừng (mang tính dự phịng).
+ Việc điều chỉnh áp lực trên đường ống chính hay mức nước được thực hiện
bằng các cách:
a, Điều khiển ON/OFF:
- Là kiểu điều khiển khi bơm nước tới một mức nào đó (đặt) thì cho bơm ngừnghoạt
động, và khi nước được tiêu thụ và giảm xuống tới mức đặt thấp thì cho bơm chạy.
-
Ưu điểm: Kiểu điều khiển ON/OFF dễ thiết kế, dễ điều khiển, giá thành thấp,
phù hợp với chế độ Stand by.
-
Nhược điểm: hệ thống không ổn định, đáp ứng chậm và không tốt, mức nước
liên tục giao động xung quanh điểm đặt, dòng điện khởi động lớn gây sụt áp, bơm đóng
mở
liên tục gây giảm tuổi thọ.
b, Điều khiển thay đổi góc mở van:
Để ổn định mức nước cũng như áp suất trong đường ống thì vấn đề quan tâm nhất là
điều khiển lưu lượng nước bơm lên bồn để ổn định mực nước và áp suất theo một điểm
đặt cố định. Có thể sử dụng van điện với tín hiệu phản hồi của cảm biến đưa về bộ điều
khiển, bộ điều khiển xử lý đưa ra tín hiệu điều khiển đóng mở van để chỉnh lưu lượng
bơm. Hoặc sử dụng van tay để điều chỉnh trực tiếp.
• Ưu điểm: Giá thành thấp, dễ thiết kế.
-
Nhược điểm: Các bơm vẫn chạy đầy tải và liên tục, điều này gây lãng phí năng
lượng điện vì có những thời điểm nhu cầu xử dụng nước giảm xuống thì bơm chỉ cần
chạy 50% hay 60% công suất là đáp đáp ứng được. Việc vận hành khó khăn và tốn chi
phí nhân cơng vì phải cần công nhân vận hành trực tiếp để điều khiển góc mở van. Các
bơm phải chạy liên tục dẫn đến giảm tuổi thọ phần cơ khí. Khó kiểm sốt áp lực nước
làm ảnh hưởng tuổi thọ đường ống, ảnh hưởng tuổi thọ các mối nối.
SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net)
c, Mạch điều khiển dùng Rơles
Nguyễn Đương Tiến - Trang bị điện CN & GTVT – K58
Vương Văn Sơn
- Trang bị điện CN & GTVT – K58
14
SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net)
Đồ án tốt nghiệp
Hệ thống cấp nước tự động cho nhà chung cư
Trong giai đoạn đầu của thời kỳ phát triển công nghiệp vào khoảng 1960 và 1970, yêu
cầu tự động hóa của hệ thống điều khiển được thực hiện bằng các Rơle điện từ nối với
nhau bằng dây dẫn điện trong bảng điều khiển,sử dụng các cảm biến để duy trì ổn định
mức nước trong bể chứa. Trong trường hợp bảng điều khiển có kích thước q lớn đến
nỗi khơng thể gắn tồn bộ lên trên tường và các dây nối cũng khơng hồn tồn tốt vì
thế thường xảy ra trục trặc trong hệ thống. Một điểm quan trọng nữa là do thời gian
làm việc của các Rơle có giới hạn nên khi thay thế cần phải ngưng toàn bộ hệ thống và
dây nối cũng phải thay thế cho phù hợp, bảng điều khiển chỉ dùng cho một yêu cầu
riêng biệt không thể thay đổi tức thời chức năng khác mà phải lắp ráp lại toàn bộ và
trong trường hợp bảo trì cũng như sữa chữa cần địi hỏi thợ chun nghiệp. Nói chung,
hệ điều khiền dùng Rơle có những nhược điểm sau:
+ Tốn kém rất nhiều dây dẫn.
+ Thay thế phức tạp.
+ Cần công nhân sữa chữa tay nghề cao.
+ Công suất tiêu thụ lớn.
+ Thời gian sữa chữa lâu.
+ Khó cập nhật sơ đồ nên khó khăn cho cơng tác bảo trì cũng như thay thế.
Với sự phát triển mạnh mẽ của ngành kỹ thuật số đặc biệt là cho ra đời các họ vi xử
lý, vi điều khiển hay PLC đã giải quyết được những bế tắc và kinh tế hơn mà phương
pháp dùng tiếp điểm không thực hiện được.
d, Mạch dùng kỹ thuật vi xử lý
- Mạch dùng kỹ thuật vi xử lý có những ưu điểm sau:
+ Mạch có thể thay đổi một cách linh hoạt bằng việc thay đổi phần mềm trong
khi đó phần cứng khơng thay đổi mà mạch dùng Rơle khơng thể thực hiện được
mà nếu có thể thực hiện được thì cũng cứng nhắc mà người cơng nhân cũng khó
tiếp cận, dễ nhầm.
SKKN Tiểu Luận PRO(123docz.net)
+ Số linh kiện để sử dụng trong mạch cũng ít hơn.
Nguyễn Đương Tiến - Trang bị điện CN & GTVT – K58
Vương Văn Sơn
- Trang bị điện CN & GTVT – K58
15
