LỜI MỞ ĐẦU 1.1 Lý do chọn đề tài Quá trình công 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 yêu cầu đặt ra. Vậy nên thay vì có một người túc trực điều khiển đóng cắt máy bơm nước cho tòa nhà, công trình thì chúng ta có thể ứng dụng PLC vào công việc này giúp tiết kiệm thời gian, tiền bạc về lâu dài.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 mô 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 + Lựa chọn biến tần và động cơ có công suất hợp lý Nguyễn Đương Tiến - Trang bị điện CN & GTVT – K58 11 Vương Văn Sơn - Trang bị điện CN & GTVT – K58 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.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, công 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 lò nhiệt, hệ thống điều hòa không khí, … 1.4 Phạm vi nghiên cứu Từ những kiến thức cơ sở học được tại trường và ngoài thực tế, do còn hạn chế về kiến thức cũng như về khả năng kinh tế và thời gian có hạn nên chúng em chỉ có thể tạo mô hình mang tính chất mô 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 công 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 Nguyễn Đương Tiến - Trang bị điện CN & GTVT – K58 12 Vương Văn Sơn - Trang bị điện CN & GTVT – K58 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 Ứng dụng Hệ thống bơm ổn định mức được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp nói chung và ngành công 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 công 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 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 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 13 Vương Văn Sơn - Trang bị điện CN & GTVT – K58 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 phòng). + 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 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. c, Mạch điều khiển dùng Rơles Nguyễn Đương Tiến - Trang bị điện CN & GTVT – K58 14 Vương Văn Sơn - Trang bị điện CN & GTVT – K58 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 quá lớn đến nỗi không thể gắn toàn bộ lên trên tường và các dây nối cũng không hoàn toàn 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 đòi hỏi thợ chuyên 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 công 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 không thay đổi mà mạch dùng Rơle không thể thực hiện được mà nếu có thể thực hiện được thì cũng cứng nhắc mà người công nhân cũng khó tiếp cận, dễ nhầm. + Số linh kiện để sử dụng trong mạch cũng ít hơn. Nguyễn Đương Tiến - Trang bị điện CN & GTVT – K58 15 Vương Văn Sơn - Trang bị điện CN & GTVT – K58 Đồ án tốt nghiệp Hệ thống cấp nước tự động cho nhà chung cư + Mạch đơn giản hơn so với mạch đếm sản phẩm dùng Rơle và có phần cài đặt số đếm ban đầu. + Mạch có thể lưu lại số liệu của các ca sản suất.