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

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

1


CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG BƠM CHẤT LỎNG
LÊN BỒN KÍN
1.1.
Giới thiệu về hệ thống bơm

LT
02

12

13

Hd

11

VG 5
01
4
LT
01
Hh

3

9
7
M

PG
01

10

12

6
8

p1

1
2

Hình 1.1. Sơ đồ cấu trúc cơ bản của hệ thống bơm
1234561234567-

Bể hút
Lưới chắn rác
Đường ống hút
Van ống hút
Đồng hồ đo áp suất chân không
Khớp nối mềm
Động cơ lai bơm
Bơm
Đồng hồ đo áp suất
Van ống đẩy
Đường ống đẩy
Bể chứa
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

2


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.
1.2.

Đặc điểm về truyền động điện và trang bị điện của hệ thống bơm
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.
1.2.1.

Yêu cầu về truyền động điện
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.
1.2.2.

Yêu cầu về trang bị điện
3


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.
1.3.

Sơ đồ công nghệ hệ thống bơm chất lỏng bồn
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.

4


-

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

-

PG PT
04 04

VG
04
M

PG PT
03 03

VG
03
M

PG PT
02 02

VG
02
M

Khí nén

PG PT
01 01

VG
01
M

LT
01

LT
02

LI
02

PG PT
05 05

LI
01

Hình 1.2. Sơ đồ công nghệ hệ thống bơm chất lỏng bồn kín
5


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
Địa chỉ

I/O

Ý nghĩa

I0.0

I

Báo bể chưa ở mức cao

I0.1

I

Báo bể hút ở mức thấp

I0.2

I

Báo áp suất đầu hút 1 mức thấp

I0.3

I

Báo áp suất đầu hút 2 mức thấp

I0.4

I

Báo áp suất đầu hút 3 mức thấp

I0.5

I

Báo áp suất đầu hút 4 mức thấp

I0.6

I

Báo áp suất đầu đẩy 1 mức thấp

I0.7

I

Báo áp suất đầu đẩy 2 mức thấp

I1.0

I

Báo áp suất đầu đẩy 3 mức thấp

Hoạt động
Khi tiếp điểm cảm biến
HL = 1
Khi tiếp điểm cảm biến
LL = 1
Khi tiếp điểm cảm biến
PI1 = 1
Khi tiếp điểm cảm biến
PI2 = 1
Khi tiếp điểm cảm biến
PI3 = 1
Khi tiếp điểm cảm biến
PI4 = 1
Khi tiếp điểm cảm biến
PO1 = 1
Khi tiếp điểm cảm biến
PO2 = 1
Khi tiếp điểm cảm biến
6


I1.1

I

Báo áp suất đầu đẩy 4 mức thấp

I1.2

I

Báo có bơm nước mồi 1

I1.3

I

Báo có bơm nước mồi 2

I1.4

I

Báo có bơm nước mồi 3

I1.5

I

Báo có bơm nước mồi 4

I1.6

I

Báo cấp nguồn cho toàn trạm

I1.7

I

Báo mất pha và đảo pha

I2.0

I

Báo cấp nguồn cho động cơ 1

I2.1

I

Khởi động động cơ 1

I2.2

I

Báo động cơ 1 nối tam giác

I2.3

I

Báo động cơ 1 nối sao

I2.4

I

Báo quá tải động cơ 1

I2.5

I

Báo cấp nguồn cho động cơ 2

I2.6

I

Khởi động động cơ 2

I2.7

I

Báo động cơ 2 nối tam giác

I3.0

I

Báo động cơ 2 nối sao

I3.1

I

Báo quá tải động cơ 2

I3.2

I

Báo cấp nguồn cho động cơ 3

I3.3

I

Khởi động động cơ 3

I3.4

I

Báo động cơ 3 nối tam giác

I3.5

I

Báo động cơ 3 nối sao

I3.6

I

Báo quá tải động cơ 3

PO3 = 1
Khi tiếp điểm cảm biến
PO4 = 1
Khi tiếp điểm cảm biến
PF1= 1
Khi tiếp điểm cảm biến
PF2 = 1
Khi tiếp điểm cảm biến
PF3 = 1
Khi tiếp điểm cảm biến
PF4 = 1
Khi tiếp điểm aptomat
1MCCB = 1
Khi tiếp điểm role
PR = 1
Khi tiếp điểm aptomat
2MCCB = 1
Khi tiếp điểm contactor
1MC = 1
Khi tiếp điểm contactor
2MC = 1
Khi tiếp điểm contactor

3MC = 1
Khi tiếp điểm role nhiệt
1THR = 1
Khi tiếp điểm aptomat
3MCCB = 1
Khi tiếp điểm contactor
4MC = 1
Khi tiếp điểm contactor
5MC = 1
Khi tiếp điểm contactor
6MC = 1
Khi tiếp điểm role nhiệt
2THR = 1
Khi tiếp điểm aptomat
5MCCB = 1
Khi tiếp điểm 7MC = 1
Khi tiếp điểm contactor
8MC =1
Khi tiếp điểm contactor
9MC =1
Khi tiếp điểm role nhiệt
3THR =1
7


I3.7

I

Báo cấp nguồn cho động cơ 4

I4.0

I

Khởi động động cơ 4

I4.1

I

Báo động cơ 4 nối tam giác

I4.2

I

Báo động cơ 4 nối sao

I4.3

I

Báo quá tải động cơ 4

I4.4

I

Báo cấp nguồn cho động cơ bơm mồi

I4.5

I

Khởi động động cơ bơm mồi chính

I4.6

I

Khởi động động cơ bơm mồi dự phòng

I4.7

I

Báo quá tải động cơ bơm mồi chính

I5.0

I

Báo quá tải động cơ bơm mồi dự phòng

Khi tiếp điểm aptomat
6MCCB =1
Khi tiếp điểm contactor
10MC =1
Khi tiếp điểm contactor

11MC =1
Khi tiếp điểm contactor
11MC =1
Khi tiếp điểm role nhiệt
4THR =1
Khi tiếp điểm
2MCB = 1
Khi tiếp điểm contactor
13MC = 1
Khi tiếp điểm contactor
14MC = 1
Khi tiếp điểm role nhiệt
5THR =1
Khi tiếp điểm role nhiệt
6THR =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

ra

Điện áp

Công suất

Cột áp

Lưu lượng

76-60mm

380V

7.5kW

37-24m

21-78m3/h
8


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

180

75

70

50

120
225(Max 800)

14

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

Cách bố trí cảm biến mức
Chọn thiết bị đo áp suất
9


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

3

250A

150A

75kA

400VAC

8kV

130

112

50

84

61
22

68
72

60

90

90

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
10

3

125A

165

75A

50kA

400VAC

50

144

8kV

102

61
68

22

72

70

92
105

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

Lắp trên thanh ray
35mm hoặc bắt vít

5SCREW

3.5SCREW
89

35

65

91

75

99

Rơle bảo vệ pha Selec 600PSR
Mạch
đấu
nối

Nguồn cấp

Dải bảo vệ

3pha – 154~500VAC Mất pha:
3 dây
<154VAC10%
Mất cân bằng pha

Dải
đặt
trễ

6V

Đặt thời gian trễ
Dải thời gian trễ:
0.2~10s
Thời gian đáp ứng

Độ
chính
xác
3%

11


: 30V
Thứ tự pha : Có

< 200ms

L3
L2
L1

44

45

35.3

67.5

A1

A2

26

28

90
15
16

60

17.5

18

NC

NO
COM

Đồng hồ đo đa năng
Đồng hồ đo đa năng Selec MFM384

Chức năng đo

Nguồn cấp

Mạch
đấu nối

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

99

90.5

50
99

Front bezel

Bộ nhớ

Độ chính xác

10 năm

Dòng điện
Tần số
Công suất 1%

91.5

91.5

55

Side view

Panel cutout

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
12


VDC

Màu: đỏ, xanh,
vàng…

18 15.1

kẹp, cầu đấu

14.6

18

4
10.8
6
9.3

21.1
28.5

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

13


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
14


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
15


2.

Catalog sản phẩm công ty Bảo An

16