Nghiên cứu ứng dụng hệ biến tần – PLC để điều khiển tối ưu, tiết kiệm năng lượng cho hệ thống bơm nhà máy nước trạm bơm cấp 1.

ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LOGIC
ÂU

GVHD: Th.S TRẦN THÁI ANH

CHƯƠNG 1: YÊU CẦU CÔNG NGHỆ, QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CỦA HỆ
THỐNG TRẠM BƠM CẤP 1 NHÀ MÁY NƯỚC.
1.1 Các thiết bị dùng trong hệ thống trạm bơm cấp 1.

Hình 1.1. Hệ thống bơm cấp 1 bơm cấp nước cho bể nước sạch
- Sáu bơm loại động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc:
+ Bốn bơm trục ngang có thông số như sau:
1

Nhãn hiệu :

.
2

LEROY SOMER ®
FL.S.35.5 LB4 U1

Công suất :

300 Kw ( công suất 3 pha , Roto lồng sóc )

.
3

Sơ đồ đấu dây :

.
4

/

Điện áp làm việc:

380 V

Dòng làm việc định mức :

542 A

.
5
.

SVTH:
1

Số : 754941 00HD02


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LOGIC
ÂU
6

GVHD: Th.S TRẦN THÁI ANH

Tốc độ :

1487 Vòng/phút

Cos :

0.87

Kiểu bơm :

Bơm trục đứng ; Q = 1200m3/h ; H = 65m

.
7
.
8
.
Bảng 1.1: Thông số của 4 bơm trục ngang dùng trong hệ thống bơm.
+ Hai bơm trục đứng có thông số:
1

Nhãn hiệu :

HELMKE

.
KA4355S-BB014-Z Schorch
2

Công suất :

9130630/1
260 Kw ( Công suất 3 pha , Roto lồng sóc )

.
3

Sơ đồ đấu dây :

.
4

/

Điện áp làm việc:

380 V

Dòng làm việc định mức :

457 A

Tốc độ :

1488 Vòng/phút

cos :

0.90

Kiểu bơm :

Bơm trục ngang ; Q = 1200m3/h ; H = 60m

.
5
.
6
.
7
.
8
.
Bảng 1.2: Thông sô của 2 bơm trục ngang dùng trong hệ thống bơm.
- Một cảm biến đo mức nước: Dùng cảm biến siêu âm Banner U-GAGE.
- Một cảm biến áp suất đường ống chung.
SVTH:
2

Số:


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LOGIC
ÂU

GVHD: Th.S TRẦN THÁI ANH

- Sáu biến tần Mitsubishi điều khiển 6 bơm.
- Một PLC FX3U.
1.2 Quy trình công nghệ.
- Tổ máy bơm được đấu nối vào họng hút nước từ bể nước ngầm, ống gom đường xả

nối trực tiếp vào đường ống cấp nước của nhà máy. Công suất bơm của trạm được
điều khiển tương ứng với áp lực yêu cầu trên đường ống cấp nước thông qua tủ điều
khiển. Áp lực trên ống luôn được giám sát thông qua cảm biến áp suất đặt trên đường
ống.
- Hệ thống bao gồm 6 máy bơm, 1 tủ điều khiển bằng PLC và 6 biến tần cho hệ máy
bơm nước. Hệ thống này tự động giám sát mực nước trong bể chứa nước sạch và áp
lực trong đường ống chung; nước hút từ bể chứa ngầm, cấp nước trực tiếp vào đường
ống ngầm phân phối cho nhà máy nước, cho phép người vận hành lựa chọn chế độ tự
động hoặc bằng tay.
- Điều khiển lượng nước bơm cho bể nước sạch tùy thuộc vào lượng nước cấp cho hộ
tiêu thụ.

SVTH:
3


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LOGIC
ÂU

GVHD: Th.S TRẦN THÁI ANH

Hình 1.2: Đồ thị phụ tải ngày của nhà máy nước.
-Bể chứa nước sạch có dung tích 50m x 30m x 8,5m.

2250m3

8,5m
7m

50mx30mx8.5m

3000m3

5m
7500m3

Hình 1.3: Thể tích của của bể nước sạch

- Quy trình công nghệ của hệ thống như sau:

SVTH:
4


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LOGIC
ÂU

GVHD: Th.S TRẦN THÁI ANH

+ Ở chế độ Manual: Vận hành từng máy bơm bằng cách chọn trực tiếp start/stop từng
bơm, theo dõi hoạt động của trạm bơm qua các đèn báo. Với chế độ bằng tay thì bơm
chạy không phụ thuộc vào thời gian và mức nước trong bể chứa nước sạch.
+ Ở chế độ Automation: Tín hiệu của cảm biến đo mức đưa tín hiệu (0÷10V) về PLC
tín hiệu này được xử lý để điều khiển tốc độ động cơ bơm. Trạm bơm được tính toán
thiết kế vận hành ở mức bình thường là 4 máy với tổng công suất là 1200kW, các bơm
sẽ khởi động lần lượt và cách nhau 30s, 6 bơm được chia thành 2 tổ, 1 tổ chính gồm 4
bơm, mỗi bơm có công suất 300kW, tổ phụ gồm 2 bơm, mỗi bơm có công suất
260kW, có nhiệm vụ chạy bổ xung vào giờ cao điểm khi thiếu nước và chạy duy trì,
đồng thời là bơm dự phòng nếu có bơm hỏng hoặc sửa chữa.
 Hệ thống bơm hoạt động như sau:

 Bấm start → bắt đầu chế độ tự động. Vào các giờ 5giờ30ph, 11giờ30ph, 20giờ
thì 4 động cơ bơm chính: B1, B2, B3, B4 chạy với 100% tốc độ định mức, khi





nước trong bể chứa nước sạch dâng lên cao thì giảm tốc các động cơ bơm.
Từ 0÷5m thì 4 động cơ chính: B1, B2, B2, B4 chạy với 100% tốc độ.
Khi mức nước trong bể nước sạch ≥5m thì giảm tốc 4 động cơ chính bơm 10%.
Khi mức nước trong bể nước sạch ≥7m thì giảm tốc 4 động cơ bơm chính 20%.
Khi mức nước trong bể nước sạch = 8,4m thì dừng 4 động cơ bơm và cho 2
bơm (260kW/bơm) chạy duy trì với 80% tốc độ. Trong khoảng thời gian từ

23giờ ÷ 5giờ30ph thì tất cả các bơm đều nghỉ.
 Các động cơ bơm chạy trong khoảng thời gian 5giờ30ph ÷ 9giờ30ph,
11giờ30ph ÷17giờ, 20giờ ÷ 23giờ. Hết thời gian trên thì ngừng bơm.
 Vào giờ cao điểm 9giờ30ph -11giờ30ph và 17giờ - 20giờ, nếu mức nước trong
bể chứa nước sạch ≤ 5m thì cho chạy 2 bơm bổ xung với 80% tốc độ định
mức, hết giờ cao điểm thì dừng 2 động cơ bơm.
 Khi bấm Stop Auto thì các động cơ bơm sẽ dừng và đóng van sau 15s lúc này
đã tắt chế độ tự động. Bấm Start thì hệ thống bơm sẽ vận hành ở chế độ tự
động.

SVTH:
5


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LOGIC
ÂU

GVHD: Th.S TRẦN THÁI ANH

+ Trạm bơm đang vận hành ở chế độ tự động thì chế độ bằng tay không có tác dụng và
ngược lại. Muốn chuyển sang chế độ bằng tay, sau khi bấm Stop Auto thì bấm
Manual. Lúc này cho bơm nào chạy/dừng thì bấm Start/Stop.

SVTH:
6


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LOGIC
ÂU

CHƯƠNG 2:

GVHD: Th.S TRẦN THÁI ANH

GIỚI THIỆU VỀ THIẾT BỊ

2.1 Tổng quan về biến tần FREQROL E700.
2.1.1 Biến tần là gì?
 Thiết bị biến tần là thiết bị biến đổi nguồn điện từ tần số f 1 này sang tần số khác
là f2. Tần số biến đổi thường là tần số công nghiệp 50Hz. Tần số đó được biến
đổi f1 phụ thuộc vào mục đích yêu cầu của phụ tải, f2 phụ thuộc vào cả cấu trúc
của sơ đồ và loại biến tần. Nếu biến tần là gián tiếp thì f2 > f1 hay f2 < f1, nếu biến
tần là trực tiếp thì f2 < f1.
 Thiết bị biến tần được sử dụng rộng rãi trong việc điều chỉnh tốc độ quay của
các động cơ đồng bộ, khung đồng bộ 3 pha roto dây quấn hoặc roto lồng sóc.
Thông thường biến tần trực tiếp điều chỉnh cho động cơ đồng bộ và biến tần

gián tiếp điều chỉnh cho ĐK, do động cơ đồng bộ làm việc với tần số thấp hơn.
 Hệ truyền động biến tần-động cơ có thể điều chỉnh vô cấp tốc độ động cơ bằng
cách điều chỉnh tần số.
2.1.2 Giới thiệu biến tần FREQROL E700.
2.1.2.1 Kiểm tra sản phẩm và nhận dạng bộ phận.
 Loại inverter:

FR- E740 -3.7K
No.
E720

Voltage class
Three-phase
class
Three-phase
E740
class
E720S Single-phase
class
E720W Single-phase

SVTH:
7

200V
400V
200V
100V

Công
suất của inverter
ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN
LOGIC
ÂU
class

2.1.2.2 Sơ đồ nối dây.

SVTH:
8

GVHD: Th.S TRẦN THÁI ANH


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LOGIC
ÂU

SVTH:
9

GVHD: Th.S TRẦN THÁI ANH


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LOGIC
ÂU

GVHD: Th.S TRẦN THÁI ANH

2.1.2.3 Đặc điểm kĩ thuật của các đầu cuối trên mạch chính.

SVTH:
10


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LOGIC
ÂU

GVHD: Th.S TRẦN THÁI ANH

2.1.2.4 Sơ đồ mạch động lực nối với động cơ.

2.1.2.5 Nối dây mạch điều khiển.

2.1.3 Dùng biến tần FREQROL E700 điều khiển động cơ.
 Biến tần cần lệnh tần số và lệnh khởi động. Lệnh tần số (đặt tần số) xác
định tốc độ quay của rotor. Cài đặt thông phải theo đúng yêu cầu của tải và
điều kiện vận hành.

SVTH:
11


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LOGIC
ÂU

GVHD: Th.S TRẦN THÁI ANH

2.1.3.1 Start/stop trên bảng vận hành.
 Cài đặt tần số bởi bảng vận hành.

 Cài đặt tần số bởi switch-Cài đặt 3 tốc độ.
 Cài đặt tần số bằng đầu vào analog.
2.2 Giới thiệu về PLC FX3U.
-Dòng sản phẩm mới PLC FX3U là thế hệ thứ ba trong gia đình họ FXPLC, là một PLC dạng nhỏ gọn và thành công của hãng Mitsubishi
Electric.
-Với tốc độ xử lý cực mạnh mẽ, thời gian chỉ 0.065µs trên một lệnh
đơn logic, cùng với 209 tập lệnh được tích hợp sẵn và cải tiến liên
tục đặc biệt cho nghiệp vụ điều khiển vị trí. Dòng PLC mới này còn
cho phép mở rộng truyền thông qua cổng USB, hỗ trợ cổng Ethernet
và Cổng lập trình RS-422 mini DIN. Với tính năng mạng mở rộng làm
cho PLC này nâng cao được khả năng kết nối tối đa về I/O lên đến
384 I/O, bao gồm cả các khối I/O qua mạng.
-Các dòng PLC FX3U:

SVTH:
12


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LOGIC
ÂU

GVHD: Th.S TRẦN THÁI ANH

2.3 Cảm biến đo mức nước.
Banner U-GAGE® - dòng cảm biến siêu âm giúp giải quyết các ứng dụng mà
cảm biến quang thông thường không ứng dụng được. Được nâng cấp và hoàn thiện
trước khi chính thức sản xuất, dòng sản phẩm này có độ linh hoạt, chính xác và có
hiệu quả trong các ứng dụng khó khăn nhất.
U-GAGE được lắp đặt trong bất kỳ môi trường làm việc. Cấp bảo vệ đến IP68,
NEMA6P, trong tất cả các điều kiện thời tiết. Là cảm biến lý tưởng trong môi trường

làm việc có tính ăn mòn cao như axit, bazơ,… Nhiều mẫu, kiểu lắp giúp dễ dàng lựa
chọn để lắp đặt nhằm đảm bảo tính hoạt động ổn định và thẩm mỹ. Ngõ ra của cảm
biến siêu âm có nhiều lựa chọn: analog và digital. Tất cả các model đều có nút cài
chương trình nhanh và có tính năng bù nhiệt độ, tự điều chỉnh giúp cảm biến hoạt
động chính xác cao nhất khi điều kiện môi trường thay đổi. Khoảng cách phát hiện từ
30mm ÷ 10m, độ phân giải 0.1%-0.25%. Cảm biến siêu âm sử dụng sóng âm thanh,
điều này giúp nhận dạng chính xác.
Tại bể chứa nước sạch nhà máy nước, cảm biến siêu âm được lắp dưới nắp của bể
chứa. Lấy tín hiệu analog (0 ÷ 10V) của cảm biến này và truyền tín hiệu đến PLC tại
nhà máy nước. Thang đo của cảm biến được chia thành 3 mức tác động:
-

5V tương ứng với 5m chiều cao của nước trong bể chứa.
7V tương ứng với 7m chiều cao của nước trong bể chứa.

-

8,4V tương ứng với 8,4m chiều cao của nước trong bể chứa.

SVTH:
13


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LOGIC
ÂU

GVHD: Th.S TRẦN THÁI ANH

Hình 3.1: Cảm biến siêu âm Banner U-GAGE
2.4 Cảm biến đo áp suất đường ống.

Áp lực nước trong quy trình sản xuất và cung cấp nước sạch thường nhỏ hơn 16
bar. Phổ biến trong hệ thống xử lý nước sạch là sử dụng đầu đo áp lực kèm bộ hiển thị
áp lực và truyền dòng 4-20mA.
Đầu đo áp lực hoạt động dựa trên nguyên lý: thay đổi giá trị điện trở bán dẫn khi
có áp lực P ép vào bề mặt tiếp xúc của đầu đo, điện trở thay đổi làm thay đổi giá trị
điện áp (hoặc dòng) ở đầu ra và đưa đến bộ hiển thị áp lực và truyền dòng.
Khi cần đo tổn thất qua bể lọc: đo hiệu số mực nước trong bể lọc và mực nước ở
ống thu nước lọc ra, có thể dùng thiết bị đo mực nước kiểu màng, thiết bị đo bằng khí

SVTH:
14


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LOGIC
ÂU

GVHD: Th.S TRẦN THÁI ANH

nén... Có thể đo độ chân không trên đỉnh xiphong, nếu dùng xiphong để điều chỉnh tốc
độ lọc.
Bộ hiển thị áp lực và truyền dòng nhận giá trị điện áp (hoặc dòng) biến thiên theo áp
lực nước để xử lý và hiển thị (bằng số trên mặt LCD) áp lực nước, đồng thời truyền
tín hiệu 4-20mA (hoặc áp 0-10VDC) mang thông tin áp lực nước về cho PLC.
2.5 Hệ PLC và biến tần.
CHƯƠNG 3: PHÂN CÔNG VÀO RA, GIẢN ĐỒ THỜI GIAN VÀ LƯU ĐỒ
THUẬT TOÁN
3.1 Phân công vào/ra.
Input
Symbol
3.2 START AUTO

STOP AUTO
MANUAL
BẰNG TAY BƠM 1
BẰNG TAY BƠM 2
BẰNG TAY BƠM 3
BẰNG TAY BƠM 4
BẰNG TAY BƠM 5
BẰNG TAY BƠM 6
STOP BƠM 1
STOP BƠM 2
STOP BƠM 3
STOP BƠM 4
STOP BƠM 5
STOP BƠM 6
Giản đồ thời gian.

SVTH:
15

Output
Address
X000
X001
X002
X003
X004
X005
X006
X007
X010

X011
X012
X013
X014
X015
X016

Symbol
VAN 1
VAN 2
VAN 3
VAN 4
VAN 5
VAN 6

Address
Y000
Y001
Y002
Y003
Y004
Y005
Y006


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LOGIC
ÂU

 Chế độ tự động:

SVTH:
16

GVHD: Th.S TRẦN THÁI ANH


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LOGIC
ÂU

 Chế độ bằng tay:

SVTH:
17

GVHD: Th.S TRẦN THÁI ANH


ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN LOGIC
ÂU

SVTH:
18

GVHD: Th.S TRẦN THÁI ANH