Đặt vấn đề Trong thời buổi hiện đại, dân số tại các khu vực thành thị ngày càng đông đúc, kéo theo đó là số lượng các chung cư, toà nhà cao tầng được xây dựng lên càng nhiều. Một trong những nhu cầu lớn và thiết yếu nhất được đặt ra là nhu cầu sử dụng nước, đảm bảo nguồn nước cung cấp sinh hoạt và cũng như bơm chất thải. Việc quy hoạch cấp nước ngày càng đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cao, đặc biệt là luôn đảm bảo mọi người có đủ nước sinh hoạt tại mọi thời điểm. Các trạm bơm với công suất lớn phổ biến hiện nay vẫn đa số vẫn còn thiết kế và điều khiển theo phương pháp truyền thống, với đặc điểm là các bơm đều được khởi động trực tiếp và hoạt động ở tốc độ định mức.
Phương pháp này có nhược điểm là gây ra tổn hao điện năng lớn, không kiểm soát được áp suất đường ống, cũng như các sự cố của hệ thống, tốn nhiều công sức trong việc vận hành, giám sát và bảo dưỡng hệ thống bơm. Lý do chọn đề tài Các hệ thống bơm 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 và tất cả các động cơ đều hoạt động ở tốc độ định mức. • Trong quá trình trạm bơm hoạt động, thường luôn luôn để một bơm ở chế độ dừng (mang tính dự phòng).
Việc điều chỉnh áp lực trên đường ống chính hay mức nước được thực hiện bằng 2 cách: Điều khiển ON/OFF Là kiểu diều khiển khi bơm nước tới một mức giá trị đặt thì cho bơm ngừng hoạt 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 (chờ). − Nhược điểm: hệ thống không ổn định, đáp ứng chậm và không tốt, áp suất liên tục dao động xung quanh điểm đặt, dòng điện khởi động lớn gây sụt áp, bơm đóng mở liên tục gây giảm tuổi thọ. Điều khiển thay đổi góc mở van 1 do an Để ổn định 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 lí 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 sử dụng nước giảm xuống thì bơm chỉ cần chạy 50% hay 60% công suất là đã đáp ứng được.
Việc vận hành khó khăn và tốn chi phí nhân công 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 soát áp lực nước làm ảnh hưởng tuổi thọ đường ống, ảnh hưởng tuổi thọ các mối nối. Trong các hội thảo gần đây của Viện bơm và phát triển thủy lợi, của các công ty lắp đặt hệ thống cung cấp nước, của các hãng cung cấp biến tần thường giới thiệu ứng dụng của sản phẩm biến tần cho các hệ thống cung cấp nước.
Phương pháp này có đặc điểm nổi bật là hệ thống hoạt động tự động, hiệu suất làm việc cao, ổn định tốt áp suất trong đường ống, nâng cao tuổi thọ của các máy bơm, cũng như đường ống. Với các phương pháp đã phân tích như trên ta có thể nhận thấy rằng hệ thống được thiết kế dễ dàng nhưng vẫn còn rất nhiều nhược điểm. Để đáp ứng được những yêu cầu về ổn định áp suất trong công nghiệp cũng như dân dụng, hiện nay cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật cũng như ngành tự động hóa các công ty lớn về lĩnh vực này đã không ngừng phát triển và cho ra đời các loại biến tần với chức năng chính là thay đổi tần số của động cơ. Như ta biết tốc độ động cơ 3 pha không đồng bộ phụ thuộc vào các thông số như công thức sau: 60f n= (1.1) p Trong đó: • n: Tốc độ động cơ (vòng/ phút).
• f: tần số động cơ (Hz). • p: Số cặp cực. Vì vậy để thay đổi tốc độ động cơ ta có thể thay đổi điện áp hoặc thay đổi tần số, việc thay đổi điện áp lưới là không thể nên thay đổi tần số là hợp lý nhất với việc sử dụng biến tần ta có thể giải quyết được bài toán ổn định mức cùng với việc hạn 2 do an chế các nhược điểm của các phương pháp khác. Với việc hỗ trợ chức năng điều khiển PID, biến tần sẽ nhận tín hiệu analog (dòng hoặc áp) từ cảm biến đưa về, biến tần sẽ tự động thay đổi tần số, từ đó thay đổi tốc độ bơm, vì thế việc khống chế áp suất trong đường trở nên dễ dàng hơn rất nhiều.
Khi nhu cầu sử dụng nước cao, thì biến tần sẽ tự động điều khiển động cơ quay ở tốc độ cao nhất để duy trì áp suất, ngược lại khi nhu cầu sử dụng nước thấp, biến tần sẽ điều khiển động cơ giảm tốc độ xuống hoặc dừng hẳn. Khi đó năng lượng điện được tiết kiệm. Trên cơ sở những kiến thức được trang bị trên ghế nhà trường, dựa vào những tính năng ưu việt của PLC và biến tần. Cùng với sự tiên tiến của hệ thống WEBSEVER.
Nhóm em xin được lựa chọn đề tài “MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT NƯỚC CUNG CẤP CHO TÒA NHÀ”. Mục tiêu đề tài Tính toán, thiết kế hệ thống bơm Thiết kế giải pháp, tính chọn thiết bị cho hệ thống bơm cấp nước cho tòa nhà 10 tầng, 60 căn hộ, 300 người, cột áp 40 mét. Điều khiển bơm luân phiên đầu vào trực tiếp qua ngõ ra của PLC Bơm luân phiên cấp nước đầu vào với 3 bơm, đảm bảo luôn có nước cho bồn tầng thượng, luân phiên để tăng tuổi thọ của bơm. Điều khiển bơm 3 pha đầu ra bằng biến tần INVT Sử dụng 2 biến tần INVT để điều khiển 2 bơm tăng áp ở đầu ra.
Luật điều khiển PID với tín hiệu phản hồi analog dạng dòng điện từ cảm biến áp suất. Truyền thông giữa HMI và biến tần thông qua giao thức Modbus RTU RS485 Truyền thông để gửi/nhận các giá trị như: tần số, dòng điện ngõ ra, các giá setpoint, tín hiệu điều khiển… Lấy dữ liệu nhận được của biến tần đưa về HMI sau đó lập trình, tạo giao diện kết nối PLC với HMI. Thiết kế hệ thống điều khiển, giám sát với 2 hình thức: Điều khiển hệ thống từ tủ điện. Điều khiển hệ thống qua Websever.
Giới hạn đề tài Do kiến thức có giới hạn, kinh nghiệm thực tế cũng như chi phí còn hạn chế nên đề tài chỉ được thực hiện dưới dạng một mô hình thí nghiệm với 2 bơm luân phiên đầu vào cấp nước cho bồn tầng thượng và điều khiển ổn định áp suất đầu ra cho 2 3 do an tầng 9 và tầng 10 với bơm tăng áp có công suất nhỏ, áp suất đặt trong đường ống không lớn hơn 2 Bar. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Kết hợp xây dựng một hệ thống điều khiển tự động với các thiết bị điện tử công suất có ý nghĩa khoa học lớn trong việc xây dựng một hệ thống tự động hoàn chỉnh cả về chức năng lẫn hiệu quả kinh tế. Đề tài đã kết hợp điều khiển hệ thống bơm với PLC Siemens, HMI Kinco, Biến tần INVT và Biến tần Delta một cách tối ưu nhất. Về mặt thực tiễn, đề tài có thể điều chỉnh hoàn thiện và áp dụng cho các hệ thống cung cấp nước sạch cho các tòa nhà, khu dân cư, khắc phục được các nhược điểm trong hệ thống cung cấp nước cũ.
Nội dung đề tài: Các nội dung đề tài bao gồm: • Chương 1: Tổng quan về đề tài • Chương 2: Cơ sở lý thuyết • Chương 3: Tính toán, thiết kế, chọn thiết bị cho hệ thống • Chương 4: Cài đặt thiết bị và thiết kế phần mềm. • Chương 5: Thi công mô hình. • Chương 6: Kết luận và hướng phát triển 4 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Khái niệm Máy bơm là một loại động cơ thủy lực tiếp nhận năng lượng từ động cơ để truyền năng lượng cho chất lỏng đi qua máy bơm. Nhờ có năng lượng đó mà áp lực của khối chất lỏng tăng lên, chất lỏng sẽ chuyển động lên một độ cao tương ứng.2 Phân loại Theo nguyên lý tác dụng: Máy bơm động lực: Cánh dẫn (ly tâm, hướng trục, hỗn lưu) và ma sát (phun tia, vít xoắn, xoáy) Máy bơm thể tích: Roto (trục vít, bánh răng, bản chắn), Pittong (pitton trụ và pittong màng) Theo công suất: Bảng 2.1: Phân loại máy bơm theo công suất Loại máy bơm Cực nhỏ Nhỏ Trung bình Lớn Công suất (kW) 0.3 Các thông số cơ bản của máy bơm 2.1 Lưu lượng Định nghĩa: Là thể tích khối của chất lỏng được máy bơm bơm lên trong một đơn vị thời gian.2 Cột nước Định nghĩa: Là năng lượng mà máy bơm đã truyền cho một đơn vị chất lỏng từ lúc vào cho đến khi ra khỏi máy bơm.
Năng lượng đó bằng hiệu số giữa năng lượng đơn vị của chất lỏng ở đầu ra và ở đầu vào của máy bơm.3 Công suất Công suất trên trục. Định nghĩa: Là công suất mà động cơ truyền cho trục máy bơm (trên nhãn máy bơm thường ghi công suất trên trục. Công suất hữu ích: 5 do an Định nghĩa: Là công suất thực tế máy bơm truyền cho chất lỏng để nâng một lượng Q lên một độ cao H. Công thức: Nh = 9,81 × Q × H với Q (m3/s), H (m) (2.4 Hiệu suất Định nghĩa: Là tỉ số giữa công suất hữu ích và công suất trên trục động cơ.
Ký hiệu: ηb Công thức: ηb = Nh/N (2.5 Vòng quay Định nghĩa: Là số vòng quay của trục máy bơm trong một đơn vị thời gian.2 Động cơ không đồng bộ 2.1 Cấu tạo: Gồm hai phần chính: Stator (phần tĩnh) và Rotor (phần quay). ❖ Stator (Phần tĩnh) Gồm các bộ phận là lõi thép và dây quấn, ngoài ra còn có vỏ và nắp máy Lõi thép stator hình trụ do các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh bên trong, ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục. Lõi thép được ép vào trong vỏ máy.