Thiết kế giám sát cho trạm có nhiều bơm cấp lỏng cho bồn hở

Mục luc

1


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình
1.1
1.2
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
3.1
3.2
3.3

Tên hình
Sơ đồ P&ID một nhánh bơm
Sơ đồ P&ID toàn hệ thống
Cảm biến mức kiểu phao
SITRANS P DS III của Siemens
Cấu trúc tổng thể của hệ thống giám sát
Sơ đồ chuyển đổi tín hiệu cảm biến
Mạch đo điện áp và dòng điện tại nguồn
Nghép nối các thiết bị ngoại vi với modul đầu vào số

Mạch nghép nối các đầu ra số với các rơle trung gian
Mạch nghép nối giữa các rơle trung gian và contactor động lực
thiết kế bên ngoài tủ điện
Thuật toán giám sát trạm có nhiều bơm
Cấu hình phần cứng của trạm PLC S7 – 300
Giao diện mô phỏng trên PLC

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng
1.1
3.1

Tên bảng
Ý nghĩa ký hiệu các phần tử trong hệ thống bơm
Các tín hiệu vào ra của PLC S7-300

MỞ ĐẦU
1.

Tính cấp thiết của đề tài

Với những tiến bộ không ngừng của nền khoa học kỹ thuật ngày nay, những
hệ thống hiện đại hóa, công nghiệp hóa có vai trò rất quan trọng trong mọi lĩnh
2


vực: sản xuất, dịch vụ, tiêu dùng. Vậy nên các trạm bơm tăng áp, duy trì lưu
lượng, áp suất,... của chất lỏng (ví dụ như xăng, dầu, nước sạch...) cũng cần
được ứng dụng tự động hóa để tăng năng suất, giảm sức lao động của con người
cũng như đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật.

Từ những vấn đề trên, em đã được thầy Hoàng Xuân Bình giao đồ án môn
học Trang bị điện và máy công nghiệp dùng chung có tên: “Thiết kế giám sát
cho trạm có nhiều bơm cấp lỏng cho bồn hở” để nghiên cứu quá trình hoạt
động của hệ thống bơm, cũng như đề xuất giải pháp thiết kế giám sát quá trình
hoạt động của hệ thống , cải thiện khả năng làm việc của hệ thống.
2.

Mục đích nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu nguyên lý hoạt động , điều khiển của hệ thống bơm để đưa ra
giải pháp giám sát áp suất, lưu lượng, nhiệt độ, công suất làm việc, độ an toàn
của hệ thống trạm bơm cấp lỏng.
3.

Đối tương và phạm vi nghiên cứu
a. Đối tượng nghiên cứu

-Nghiên cứu nguyên lý hoạt động để đưa ra yêu cầu với hệ thống giám sát
trạm bơm và hệ thống bơm.
-Nghiên cứu thiết kế hệ thống giám sát trạm bơm và toàn bộ hệ thống bơm
b. Phạm vi nghiên cứu
- Đồ án môn học này giới hạn nghiên cứu trong phạm vi 1 hệ thống bơm
(gồm nhiều máy bơm) có thể được sử dụng trong việc cung cấp nước, xăng ,
dầu,... cho 1 địa điểm hoặc vận chuyển từ nơi cung cấp đến nơi sử dụng.
4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu hoạt động hệ thống bơm, nghiên cứu lưu đồ P&ID của hệ thống
bơm.
Đề xuất các phương án giám sát và lựa chọn phương án giám sát.
3

Tìm hiểu và lựa chọn các thiết bị giám sát cho trạm bơm
Thiết kế hệ thống giám sát cho các trạm bơm, hệ thống bơm.
5. Ý nghĩa khoa học của đề tài
a.

Ý nghĩa khoa học của đề tài

Nắm rõ nguyên lý làm việc của hệ thống để xây dựng hệ thống giám sát quá
trình vận hành hệ thống bơm , giảm thiểu sức lao động con người, giảm thiểu rủi
ro, tăng tính ổn định , bền vững cho hệ thống.
b.

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Xây dựng hệ thống giám sát hoạt động của hệ thống bơm vận chuyển chất
lỏng trên tuyến ống dài có khả năng áp dụng vào thực tiễn

4


CHƯƠNG 1: ĐỀ XUẤT THIẾT KẾ GIÁM SÁT TRẠM CÓ NHIỀU BƠM
CẤP LỎNG CHO BỒN HỞ
Các yêu cầu đối với hệ thống giám sát trạm có nhiều bơm cấp lỏng

1.1.
-

-

cho bồn hở.
Giám sát nguồn điện cho trạm bơm, thông báo trạng thái của nguồn điện:
o Nguồn điện ba pha: có đủ 3 pha không, điện áp các pha, thứ tự các pha
o Nguồn điện 1 pha (phòng điều khiển): điện áp nguồn một pha.
Giám sát tình trạng hoạt động của các trang thiết bị truyền động điện hệ
thống bơm chất lỏng trên tuyến ống dài
o Tần số, số vòng quay của động cơ thông qua biến tần
o Hiển thị công suất hoạt động của từng động cơ bơm trong hệ thống

-

Giám sát lượng chất lỏng trong bể chứa chất lỏng đầu vào của hệ thống bơm
o Khi lượng chất lỏng trong bể chứa thấp cần thông báo để tiếp chất lỏng
vào bể hoặc dừng hệ thống bơm.

-

Giám sát lưu lượng, áp suất đầu ra của từng trạm bơm.
o Khi bắt đầu vận hành, bươm bắt đầu chạy mà áp suất trong ống không
o

tăng thì cần kiểm tra hoạt động của hệ thống.
Khi hoạt động ổn định cần kiểm tra áp suất lưu lượng để tăng giảm
công suất của bơm để đạt yêu cầu

-

Giám sát lưu lượng, áp suất đầu ra cuối cùng của nơi tiếp nhận nhiên liệu.
o Kiểm tra áp suất lưu lượng cuối xem có đạt yêu cầu cung cấp nhiên
liệu

1.2.

Sơ đồ P&ID biểu diễn các thiết bị giám sát.
Sơ đồ cấu trúc P&ID miêu tả chi tiết quá trình công nghệ kèm theo các

chức năng tiêu biểu của một hệ thống điều khiển quá trình cùng các đường liên
hệ thành phần.


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.
Các biểu tượng trong sơ đồ cấu trúc P&ID được sử dụng thống nhất trên toàn
thế giới theo tiêu chuẩn DIN 19227-3 của Đức hoặc ANSI/ISA và S5.33 của Mỹ.
1.2.1.

Cấu trúc P&ID của một nhánh bơm.

Hình1.1 : Sơ đồ P&ID một nhánh bơm
Trong đó:
- D1, D2, D3 là các điểm đặt cảm biến.
- M Bơm ly tâm động cơ rôto lồng sóc.
Đầu hút của bơm được đặt sát đáy của bể chứa chất lỏng
Kết nối đầu hút, đẩy của bơm tới đường ống bằng khớp nối mềm, đảm bảo hạn
chế rung ồn trong quá trình bơm hoạt động
-

Van cầu tại hai đầu bơm cho phép cách ly hoàn toàn bơm ra khỏi hệ thống khi
cần thiết.

-

-

Tại mỗi đầu đẩy của bơm ly tâm, lắp đặt van một chiều có tác dụng:
+ Giảm tải khởi động cho bơm.
+Ngăn chất lỏng chảy ngược về đầu đẩy của bơm gây tổn thất trong hệ thống.
Đồng hồ áp suất chân không chỉ thị độ chân không trong đường ống mà không
cần thu thập thông tin về hệ thống giám sát. Nếu sau một thời gian trễ, bơm
không có khả năng khử áp suất âm trong đường ống hút thì cần điều khiển hệ

-

thống bơm mồi làm việc hoặc dừng bơm.
Thiết bị đo áp suất ở đầu ra giúp người vận hành giám sát thông số hệ thống

-

bơm trên máy tính trung tâm.
Tại mỗi vị trí lắp đặt thiết bị đo áp suất ta lắp đặt một van cửa đề thuận tiện tháo
lắp, kiểm tra thiết bị đo trong hệ thống ngay cả khi hệ thống vẫn đang hoạt động.
1.2.2. Sơ đồ P&ID toàn hệ thống bơm

Hình1.2 : Sơ đồ P&ID toàn hệ thống.
•

Các thông số yêu cầu giám sát

- Tại điểm đo D1 sử dụng cảm biến đo mức với yêu cầu giám sát mức

nước tại vị trí cấp nước của hệ thống. Giám sát ba mức nước tương đương với
ba mức cảnh báo của hệ thống:
+ : Mức nước bình thường, hệ thống làm việc bình thường.


+ : Mức nước thấp, cảnh báo bằng tín hiệu đèn vàng ngắt quãng, yêu cầu
giảm công suất hệ thống.
+ : Mức nước cạn, cảnh báo bằng tín hiệu đèn đỏ ngắt quãng và còi, yêu
cầu dừng hệ thống khẩn cấp.
- Tại điểm đo D2.1, D2.2, D2.3 sử dụng cảm biến đo áp suất với yêu cầu
giám sát áp suất trong lòng ống tại vị trí trước bơm. Chỉ sử dụng trong giai đoạn
khởi động bơm. Nếu sau khi khởi động hệ bơm chính một khoảng thời gian T
mà áp suất tại vị trí đo không tăng lên. Phải cảnh báo, yêu cầu khởi động bơm
mồi. Sau khi bơm mồi hoạt động, áp suất tăng lên đến giá trị xác định, cảnh báo
dừng bơm mồi.
- Tại điểm đo D3 sử dụng cảm biến đo áp suất, đo áp suất trong đường
ống ở vị trí sau bơm. Đo áp suất công tác của bơm, khởi động bơm khác nếu
điểm đo ở đây không đạt yêu cầu.
- Tại điểm đo D4 sử dụng cảm biến đo mức, giám sát mức chất lỏng
trong bình với với 3 mức:
+ : Mức nước bình thường.
+ : Mức nước thấp, cảnh báo yêu cầu mở bơm dự phòng.
+ : Mức nước cạn, cảnh báo yêu cầu mở tất cả các bơm đảm bảo cấp nước
cho tải.

Giải thích ký hiệu các phần tử trong hệ thống bơm.
Bảng 1.1 Ý nghĩa ký hiệu các phần tử trong hệ thống bơm
1.2.3.

ST

T
1

Ký hiệu

Ý nghĩa
Đầu hút của bơm


2

Van cầu

3

Van cửa

4

Van một chiều

5

Khớp nối mềm

6

M

Động cơ truyền động

7

Bơm ly tâm

8

Chức năng thiết bị/ số thứ tự

LT : Thiết bị đo mức.
LI : Thiết bị chỉ thị mức.
PG : Đồng hồ áp suất.
PT : Thiết bị đo áp suất.


CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ VÀ CẤU TRÚC HỆ THỐNG
GIÁM SÁT TRẠM NHIỀU BƠM CẤP LỎNG
2.1. Lựa chọn sensor và các mạch đo phục vụ giám sát
Sử dụng loại cảm biến loại tương tự cho phép khả năng mềm dẻo trong
việc quyết định sự làm việc của các bơm. Ngoài ra, hệ thống cần phải điều khiển
sự làm việc giữa các bơm một cách luân phiên, tránh trường hợp có bơm hoạt
động liên tục, có bơm không hoạt động.
2.1.1. Chọn cảm biến mức
Mức là chiều cao điền đầy các chất lỏng hay hạt có tiết diện không thay
đổi trong các thiết bị công nghệ và là tham số cần xác định để kiểm tra chế độ
làm việc của thiết bị, điều khiển các quá trình sán xuất. Mặt khác nhờ cảm biến
mức 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 liên
tục là quá trình trong đó tín hiệu đo cho biết thể tích chất lưu còn lại trong bồn

chứa.
Khi đo theo ngưỡng, cảm biến đưa ra tín hiệu dưới dạng nhị phân để phát
hiện tình trạng mức có đạt hay không để điều khiển quá trình làm việc của bồn
chứa.
Dựa trên cơ sở lý thuyết, lựa chọn các thiết bị sau đây để tiến hành xây
dựng, nghiên cứu đồ án:
-

Cảm biến phao từ báo mức, loại phòng nổ Rongde RDHL Series Floater

-

Level Sensor
Tín hiệu đầu ra: RS485, tín hiệu dòng 4~20mA, tiếp điểm đầu ra hoặc

-

điện 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 hưởng
bởi áp lực, chống ăn mòn điện hóa, độ nhạy cao. Chất lượng ổn định, tuổi

-

thọ cao, cách nhiệt tốt

Thiết kế chịu rung lắc, vật liệu thép không rỉ

Hình 2.1 Cảm biến mức kiểu phao
2.1.2. 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 2.2 : SITRANS P DS III của Siemens
2.2. Xây dựng mạch giám sát trung gian.
2.2.1. Xây dựng cấu trúc tổng thể của hệ thống giám sát
Để đọc được tín hiệu trả về từ cảm biến ta có thể lựa chọn hai phương án là
dung vi sử lý hoặc PLC. Vi sử lý và PLC đều giống nhau về mặt bản chất, tuy
nhiên trong môi trường công nghiệp PLC tỏ ra ưu việt hơn do khả năng làm việc
được ở môi trường khắc nhiệt, có độ bền và khả năng kháng nhiễu tốt hơn các
chip vi sử lý. Nhược điểm của PLC là to lớn, cồng kềnh hơn, giá cả đắt hơn. Tuy
vậy ta vẫn sử dụng PLC trong thiết kế giám sát hệ thống trạm bơm.
Cấu trúc tổng thể của hệ thống giám sát:

Hình 2.3 Cấu trúc tổng thể của hệ thống giám sát
Các cảm biến đo mức, đo áp suất đặt tại hệ thống bơm chuyển tín hiệu về cho
PLC. Tuy nhiên phần lớn những tín hiệu đầu ra của cảm biến không phù hợp với
PLC do đó ta phải đưa các tín hiệu này qua một bộ chuyển đổi để chuyển chúng
về chuẩn công nghiệp của PLC.
Sơ đồ chuyển đổi tín hiệu:


Hình 2.4 Sơ đồ chuyển đổi tín hiệu cảm biến
Sau khi nhận được tín hiệu chuẩn hóa từ các cảm biến và thiết bị đo lường
PLC xử lý và đưa đến hiển thị trên PC. PC và PLC có thể kết nối với nhau thông
qua mạng MPI. Giao diện MPI (Multipoint Interface) dùng để ghép PLC và máy
tính với nhau, tích hợp sẵntrong PLC, là một loại mạng đơn giản với số trạm tối
đa là 32, vận tốc truyền chuẩn 187.5kb/s. Môi trường truyền là cáp hai dây hay
sợi quang.
Để có thể hiển thị được các thông số giám sát, máy tính cần được cài sẵn
các phần mềm Winn cc dùng để thiết kế giao diện giám sát và Step 7 để lập trình
cho PLC.
Các thông số giám sát cũng được đưa đến tủ giám sát đặt tại hiện trường
để giám sát trực tiếp hoại động các bơm.


2.2.2 Mạch giám sát cấp nguồn cho hệ thống

Hình 2.5 Mạch đo điện áp và dòng điện tại nguồn
2.2.3 Mạch rơle trung gian


Hình 2.6 Nghép nối các thiết bị ngoại vi với modul đầu vào số

Hình 2.7 Mạch nghép nối các đầu ra số với các rơle trung gian

Hình 2.7 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.
- Áp suất đầu hút của bơm 1, bơm 2 , bơm 3.
- Mức nước trong bồn hở : có mức cao và thấp.

2.2.4 Thiết kế tủ giám sát


Hình 2.8 thiết kế bên ngoài tủ điện


CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN CHO HỆ THỐNG GIÁM SÁT
Xây dựng các thuật toán giám sát
3.1.1 Thuật toán giám sát
3.1.

Khởi động hệ
thống

Hệ thống hoạt động
bình thường, bơm 1 2
3 hoạt động

cảm biến mức nguồn
Cảnh báo

Đ
Cảm biến áp suất bơm 1 tác động
Cảnh báo

Đ

D1 cảm biến mức nguồn

Đ

Cảnh báo

D1 cảm biến mức nguồn
Cảnh báo

Đ

stop

Hình 3.1 Thuật toán giám sát trạm có nhiều bơm
3.1.3 Thống kê các tín hiệu vào, ra của PLC S7-300


Bảng 3.1 Các tín hiệu vào ra của PLC S7-300
TÍN HIỆU VÀO
Địa chỉ

Ý nghĩa

I0.0

Khởi động

I0.1

Dừng

I0.2

Role nhiệt bơm số 1 tác động

I0.3

Role nhiệt bơm số 2 tác động

I0.4

Role nhiệt bơm số 3 tác động

I0.5

Cảm biến mức bể nguồn bình thường

I0.6

Cảm biến mức bể nguồn quá thấp dừng hệ thống

I0.7

Áp suất cửa hút bơm 1 mức thấp, khởi động bơm mồi 1

I1.0

Áp suất cửa hút bơm 1 bình thường

I1.1

Áp suất cửa hút bơm 2 mức thấp, khởi động bơm mồi 2

I1.2

Áp suất cửa hút bơm 2 bình thường

I1.3

Áp suất cửa hút bơm 3 mức thấp, khởi động bơm mồi 3

I1.4

Áp suất cửa hút bơm 3 bình thường

I1.5

Áp suất cửa đẩy bơm 1 mức cao, tắt bơm

I1.6

Áp suất cửa đẩy bơm 1 bình thường

I1.7

Áp suất cửa đẩy bơm 1 thấp


I2.0

Áp suất cửa đẩy bơm 2 mức cao, tắt bơm

I2.1

Áp suất cửa đẩy bơm 2 bình thường

I2.2

Áp suất cửa đẩy bơm 2 thấp

I2.3

Áp suất cửa đẩy bơm 3 mức cao, tắt bơm

I2.4

Áp suất cửa đẩy bơm 3 bình thường

I2.5

Áp suất cửa đẩy bơm 3 thấp

I2.6

Cảm biến mức bồn hở bình thường

I2.7

Cảm biến mức bồn hở thấp
TÍN HIỆU RA

Địa chỉ

Ý nghĩa

Q4.0

Báo có nguồn

Q4.1

Báo dừng

Q4.2

Cảnh báo bồn hở mức thấp

Q4.3

Cảnh báo bồn hở mức cao

Q4.4

Start bơm 1

Q4.5

Start bơm 2

Q4.6

Start bơm 3

Q4.7

Start bơm dự phòng 1


Q5.0

Start bơm dự phòng 2

Q5.1

Start bơm dự phòng 3

Q5.2

Báo role nhiệt bơm 1

Q5.3

Báo role nhiet bơm 2

Q5.4

Báo role nhiet bơm 3

Q5.5

Đèn cảnh báo mức bể nguồn, bình thường

Q5.6

Đèn cảnh báo mức bể nguồn xuống thấp, dừng toàn trạm

Q5.7

Đèn cảnh báo mức bồn hở bình thường

Q6.0

Đèn cảnh báo mức bồn hở xuống thấp

Q6.1

Cảnh báo áp suất đầu đẩy bơm 1 thấp

Q6.2

Cảnh báo áp suất đầu đẩy bơm 1 cao

Q6.3

Cảnh báo áp suất đầu đẩy bơm 2 thấp

Q6.4

Cảnh báo áp suất đầu đẩy bơm 2 cao

Q6.5

Cảnh báo áp suất đầu đẩy bơm 3 thấp

Q6.6

Cảnh báo áp suất đầu đẩy bơm 3 cao

Q6.7
Q7.0
Q7.1

Đèn báo bơm mồi 1 hoạt động
Đèn báo bơm mồi 2 hoạt động

Đèn báo bơm mồi 3 hoạt động


3.2. Thiết kế chương trình giám sát
3.2.1 Thiết lập cấu hình phần cứng của trạm PLC

- 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


3.2.2 Chương trình giám sát trên PLC S7-300