Đồ án Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu trạm bơm cấp II (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu trạm bơm cấp II (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỰ ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT VÀ THU THẬP DỮ LIỆU TRẠM BƠM CẤP II GVHD: TH.S TẠ VĂN PHƯƠNG SVTH: PHẠM ĐÌNH TUẤN MSSV: 10118083 SVTH: TRẦN THANH HẢI MSSV: 10118922 SKL003165 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2014
2. Bộ Giáo Dục Và Đào Tạo CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc Thành Phố Hồ Chí Minh KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỰ ĐỘNG NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên: PHẠM ĐÌNH TUẤN MSSV: 10118083 TRẦN THANH HẢI MSSV: 10118922 Lớp: 101180 Ngành: CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỰ ĐỘNG Hệ: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY Niên khóa: 2010 – 2014 1. Tên đề tài: “HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT VÀ THU THẬP DỮ LIỆU TRẠM BƠM CẤP II” 2. Nhiệm vụ và nội dung: Từ mục đích chính là xây dựng mô hình phục vụ cho bộ môn Tự Động Hóa, sử dụng các thiết bị với mục đích cụ thể là: Tìm hiểu về công nghệ của “Trạm bơm cấp II” hiện nay. Thi công mô hình thí nghiệm của “Trạm bơm cấp II”. Ứng dụng PLC Twido giao tiếp với biến tần Altivar 312 qua truyền thông Modbus ( hãng Schneider). Ứng dụng Modul 499TWD01100 TwidoPort chuyển đổi từ cổng RS485 sang Ethernet kết nối Modem Wifi để điều khiển, giám sát qua mạng LAN không dây. Sử dụng giải thuật PID để ổn định áp suất trên đường ống. Thiết kế thuật toán điều khiển mô hình đáp ứng nhu cầu thực tế. Thiết kế giao diện màn hình HMI sử dụng phần mềm Vijeo Designer và giao diện SCADA sử dụng phần mềm Vijeo Citect ( hãng Schneider) điều khiển, giám sát hoạt động của hệ thống. 3. Ngày giao nhiệm vụ: 4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: I
3. Ngày tháng năm 2014 Ngày tháng năm 2014 Thông qua bộ môn Giáo viên hƣớng dẫn Chủ nhiệm bộ môn ThS. Tạ Văn Phƣơng TS. Trƣơng Đình Nhơn II
4. NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN 1. Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: 2. Ưu điểm: 3. Khuyển điểm: 4. Đề nghị cho bảo vệ hay không? 5. Đánh giá loại: 6. Điểm: (Bằng chữ: ) Tp. Hồ Chí Minh, Ngày tháng năm 2014 Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) III
5. NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN 1. Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: 2. Ưu điểm: 3. Khuyển điểm: 4. Đề nghị cho bảo vệ hay không? 5. Đánh giá loại: 6. Điểm: (Bằng chữ: ) Tp. Hồ Chí Minh, Ngày tháng năm 2014 Giáo viên phản biện (Ký & ghi rõ họ tên) IV
6. LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã làm cho đời sống của con người ngày càng được nâng cao. Tuy nhiên, cùng với sự phát triển đó, gắn liền với nhu cầu sử dụng nước sạch. Do đó, việc cung cấp nước sạch đang là vấn đề vô cùng quan trong cho sự phát triển của đất nước. Với việc áp dụng các thành tụ tiên tiến trong lĩnh vực tự động hóa, việc cung cấp nước sạch ngày càng hiện đại và được sử dụng rỗng rãi trong đời sống. Có thể nói trình độ tự động hóa trong việc cung cấp nước sạch đã đáp ứng được phần nào nhu cầu sử dụng nước sạch hiện nay, tất cả các công việc giám sát và điều khiển được tập trung tại một trung tâm góp phần nâng cao hiệu quả cho công việc quản lý, điều hành dây chuyền công nghệ. Nội dung của đề tài là áp dụng tự động hóa vào việc cung cấp nước sạch. Hệ thống cung cấp nước này đảm bảo cho việc ổn định áp suất nước ở đầu mạng theo nhu cầu sử dụng nước của khách hàng, giám sát lưu lượng nước ở đầu ra để đảm bảo việc thất thoát nước. Việc áp dụng tự động hóa vào hệ thống này bao gồm việc lựa chọn thiết bị điều khiển tự động, viết chương trình điều khiển hệ thống, thiết kế giao diện màn hình HMI để giám sát, thống kê và cài đặt, thiết kế giao diện SCADA điều khiển giám sát hệ thống qua mạng Wifi. Giao điện SCADA được tích hợp với nhiều chức năng như điều khiển giám sát, lưu trữ, báo cáo và thống kê Người thực hiện đề tài Phạm Đình Tuấn Trần thanh Hải V
7. LỜI CẢM ƠN Sau quá trình học tập và rèn luyện nghiêm túc cùng với sự hướng dẫn, chỉ bảo, đôn đốc tận tình của GVHD: ThS.Tạ Văn Phương, đến nay chúng em đã hoàn thành được “Đồ án tốt nghiệp”. Đây là bước khởi đầu cho sự phấn đấu, cố gắng cho quá trình học tập làm việc sau này của chúng em. Sau thời gian làm đề tài, chúng em đã thu được nhiều kiến thức bổ ích, thật sự nghiên cứu đam mê các công nghệ, nắm bắt và tổng hợp lại nhiều kiến thức đã học được ở trường. Chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Thầy Tạ Văn Phương, người thầy đã động viên và giúp đỡ chúng em nhiều về mặt tinh thần cũng như kiến thức để chúng em có thể vượt qua những khó khăn để tìm tòi kiến thức về lĩnh vực và hoàn thành được “Đồ án tốt nghiệp” ngày hôm nay. Một lần nữa chúng em xin chân thành cảm ơn những chỉ bảo, quan tâm quý báu của thầy đã tạo cho chúng em sự tự tin cũng như tinh thần nỗ lực hết mình vào công việc. Chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong Khoa Điện-Điện Tử đã cho chúng em kiến thức chuyên ngành và những kinh nghiệm quý báu để cùng với sự nỗ lực của bản thân chúng em để có thể hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Thế nhưng, do kiến thức còn hạn chế, nên trong bài báo cáo và mô hình thực tế không tránh khỏi thiếu sót. Chúng em rất mong được sự cảm thông và đóng góp ý kiến của quý Thầy Cô để đề tài của chúng em được hoàn chỉnh hơn. Xin chân thành cảm ơn! Người thực hiện đề tài Phạm Đình Tuấn Trần thanh Hải VI
8. MỤC LỤC NỘI DUNG TRANG NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP I NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN III NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN IV LỜI MỞ ĐẦU V LỜI CẢM ƠN VI MỤC LỤC VII DANH MỤC HÌNH VẼ IX DANH MỤC CÁC BẢNG XIII Chƣơng 1 TỔNG QUAN 01 1.1 Mục đích nghiên cứu 01 1.2 Phương pháp nghiên cứu 01 1.3 Ý nghĩa khoa học của đề tài 02 1.4 Phạm vi nội dung nghiên cứu của đề tài 02 1.5 Tóm tắt đề tài 03 Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 04 2.1 Tổng quan về hệ thống 04 2.2 Giới thiệu về thiết bị 09 2.3 Mạng truyền thông Modbus 23 Chƣơng 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG 28 3.1 Thiết kế sơ đồ phần cứng 28 3.2 Thiết kế hệ thống ống dẫn nước 38 3.3 Lưu đồ giải thuật 42 3.4 Thiết kế bộ điều khiển PID 49 VII
9. Chƣơng 4 CHƢƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 56 4.1 Cài đặt thông số của biến tần 56 4.2 Chương trình điều khiển của PLC 59 4.3 Điều khiển hệ thống từ màn hình HMI 63 4.4 Điều khiển hệ thống qua SCADA 71 Chƣơng 5 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 82 5.1 Kết quả thu được 82 5.2 Hạn chế của đề tài 82 5.3 Hướng phát triển của đề tài 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 VIII
10. DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1: Trạm bơm cấp I 04 Hình 2.2: Trạm bơm cấp II 04 Hình 2.3: Dây chuyền trạm bơm cấp nước 05 Hình 2.4: Biểu đồ minh họa hoạt động điều khiển bơm 08 Hình 2.5: Cấu tạo bên ngoài của PLC 09 Hình 2.6: Cấu tạo biến tần 12 Hình 2.7: Cấu tạo biến tần (tt) 13 Hình 2.8: Dạng sóng điện áp và dòng điện đầu ra biến tần 13 Hình 2.9: Mạch hãm của biến tần 14 Hình 2.10: Các đầu vào / ra của biến tần 14 Hình 2.11: Cấu tạo của bơm li tâm 16 Hình 2.12: Cấu tạo của Module ethernet 17 Hình 2.13: Trạng thái Led hiển thị của module Ethernet 17 Hình 2.14: Relay báo mực nước Hanyoung 19 Hình 2.15: Nguyên lý làm việc của Relay báo mực nước Hanyoung 19 Hình 2.16: Áptômát GV2ME08 20 Hình 2.17: Màn hình HMI 20 Hình 2.18: Đồng hồ đo lưu lượng nước 21 Hình 2.19: Sơ đồ kết nối chân 21 Hình 2.20: Đường đặc tính biểu diển quan hệ dòng điện – áp suất 22 Hình 2.21: Mạch cầu toàn phần 22 Hình 2.22: Sơ đồ chân cáp RJ45 23 Hình 2.23: Cấu hình Modbus Protocol trên Biến tần ATV312 24 IX
11. Hình 2.24: Sơ đồ kết nối modbus với Biến Tần ATV312 25 Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống 28 Hình 3.2: Sơ đồ điện chung 29 Hình 3.3: Sơ đồ điện động lực 30 Hình 3.4: Sơ đồ điện động lực (tt) 31 Hình 3.5: Sơ đồ điều khiển 220VAC 32 Hình 3.6: Sơ đồ điều khiển 220VAC (tt) 33 Hình 3.7: Sơ đồ Relay báo mực nước 34 Hình 3.8: Sơ đồ kết nối biến tần 35 Hình 3.9: Sơ đồ kết nối PLC 36 Hình 3.10: Mặt ngoài tủ điện 37 Hình 3.11: Bên trong tủ điện 37 Hình 3.12: Hệ thống hoàn chỉnh 41 Hình 3.13: Chương trình chính 42 Hình 3.14: Chương trình chuyển bơm trong chế độ Auto 43 Hình 3.15: Chương trình gọi và bỏ bơm trong chế độ Auto 44 Hình 3.16: Chương trình của chế độ Man 45 Hình 3.17: Chương trình của chế độ bán tự động 46 Hình 3.18: Chương trình lỗi 47 Hình 3.19: Chương trình của chế độ điều khiển từ xa (SCADA) 48 Hình 3.20: Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID 49 Hình 3.21: Đặc tính của bơm điều áp 51 Hình 3.22: Biểu đồ đáp ứng của đối tượng đo bằng card pci 52 X
12. Hình 3.23: Đặc tính của đối tượng 53 Hình 3.24: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID trong Matlab 54 Hình 3.25: Mô phỏng PID trong Matlab 54 Hình 3.26: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID trong Matlab(tt) 55 Hình 3.27: Mô phỏng PID trong Matlab(tt) 55 Hình 4.1: Menu lập trình ATV312 56 Hình 4.2: Menu cài đặt ATV312 56 Hình 4.3: Menu tham số motor ATV312 57 Hình 4.4: Menu quản lý đầu vào/ra ATV312 57 Hình 4.5: Menu điều khiển ATV312 57 Hình 4.6: Menu chức năng ATV312 58 Hình 4.7: Menu truyền thông ATV312 58 Hình 4.8:Giao diện phần mềm TwidoSuite 59 Hình 4.9: Giao diện tạo Project của TwidoSuite 59 Hình 4.10: Giao diện tạo Project của TwidoSuite 60 Hình 4.11: Giao diện đặt tên Project của TwidoSuite 60 Hình 4.12: Giao diện cấu hình phần cứng của TwidoSuite 61 Hình 4.13: Giao diện vào chương trình của TwidoSuite 62 Hình 4.14: Giao diện chương trình của TwidoSuite 62 Hình 4.15: Lưu đồ vận hành màn hình HMI 63 Hình 4.16: Giao diện màn hình HMI 64 Hình 4.17: Giao diện trang chính của HMI 64 Hình 4.18: Giao diện trang home của HMI 65 Hình 4.19: Giao diện trang trạm bơm cấp II của HMI 65 XI
13. Hình 4.20: Giao diện trang cài đặt của HMI 66 Hình 4.21: Giao diện trang cài đặt PID của HMI 66 Hình 4.22: Giao diện trang cài đặt thời gian thực trên PLC của HMI 67 Hình 4.23: Giao diện trang cài đặt áp lực theo hệ thống của HMI 67 Hình 4.24: Giao diện trang thông số của HMI 68 Hình 4.25: Giao diện trang cảnh báo của HMI 68 Hình 4.26: Giao diện trang nhật kí của HMI 69 Hình 4.27: Giao diện trang biểu đồ của HMI 69 Hình 4.28: Giao diện trang lưu lượng theo ngày của HMI 70 Hình 4.29: Giao diện trang lưu lượng theo tháng của HMI 70 Hình 4.30: Giao diện phần mềm Vijeo Citect 71 Hình 4.31: Giao diện trang chính của SCADA 72 Hình 4.32: Giao diện trang trạm bơm cấp II của SCADA 73 Hình 4.33: Giao diện trang cài đặt của SCADA 74 Hình 4.34: Giao diện trang cài đặt PID của SCADA 75 Hình 4.35: Giao diện trang thông số của SCADA 76 Hình 4.36: Giao diện trang sơ đồ mạng điện của SCADA 77 Hình 4.37: Giao diện trang lưu lượng nước của SCADA 78 Hình 4.38: Giao diện trang Alarm của SCADA 79 Hình 4.39: Giao diện trang trend của SCADA 80 Hình 4.40: Giao diện xuất kết quả Excel 81 XII
14. DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật của các loại PLC Twido Compact 10 Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật của các loại PLC Twido modular 11 Bảng 2.3: Các chân kết nối của Module ethernet 17 Bảng 2.4: Trạng thái Led hiển thị của Module ethernet 18 Bảng 2.5: Chức năng các chân cáp RJ45 23 Bảng 2.6: Tham số của Modbus Protocol trên Biến tần ATV312 24 Bảng 2.7: Đặc tính của truyền thông bằng Modbus 25 Bảng 2.8: Địa chỉ của Modbus 27 Bảng 3.1: Thống kê các ngõ vào/ra của PLC 36 Bảng 3.2: Tốc độ nước trên đường ống 38 Bảng 3.3: Hệ số ma sát 39 Bảng 3.4: Hệ số ma sát đoạn ống đột mở 40 Bảng 3.5: Thông số bộ điều khiển P, PI, PID 53 XIII
15. Đồ án tốt nghiệp Trạm bơm cấp II CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Cũng nhƣ không khí và ánh sáng, nƣớc không thể thiếu trong đời sống con ngƣời. Trong quá trình hình thành sự sống trên Trái Đất nƣớc có vai trò rất quan trọng. Nƣớc sạch là một trong những nhu cầu cơ bản nhất trong đời sống hàng ngày của mọi ngƣời. Ngày nay nƣớc trở thành một đòi hỏi bức bách trong việc bảo vệ sức khỏe và cải thiện điều kiện sinh hoạt cho nhân dân, cũng nhƣ trong công cuộc hiện đại hóa, công nghiệp hóa đất nƣớc. Trong các khu dân cƣ, nƣớc phục vụ cho mục đích sinh hoạt cho ngƣời dân. Ngoài ra, nƣớc còn đóng vai trò rất quan trọng trong sản xuất, phục vụ cho hàng loạt mục đích khác nhau. Cung cấp nƣớc, thoát nƣớc và vệ sinh môi trƣờng là nhu cầu không thể thiếu của mọi ngƣời, mọi quốc gia trên thế giới. Ở nƣớc ta, sự phân bố các nguồn tài nguyên nƣớc không đồng đều giữa các vùng, nơi có nƣớc dồi dào, nơi khan hiếm. Vì vậy việc sử dụng nƣớc ở các vùng có đặc điểm riêng. Đây là vấn đề cấp bách cho mọi ngành, đặc biệt là ngành cấp nƣớc. Thiết kế một hệ thống phân phối mạng lƣới tiêu thụ phù hợp cho từng vùng, từng thời điểm sử dụng nƣớc là quan trọng và tất yếu. Đề tài đƣợc giới thiệu sau đây là “ Trạm bơm cấp II ” nhằm đáp ứng phần nào những yêu cầu trên. 1.2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đối với các hệ thống bơm cấp nƣớc trong thực tế, ngƣời ta sử dụng máy bơm công suất lớn, biến tần công suất lớn để bơm cấp nƣớc cho cả khu dân cƣ, thành phố và 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 máy bơm công suất nhỏ để mô tả sự hoạt động của hê thống với tín hiệu đƣa về từ cảm biến áp suất. Một phần vì các máy bơm ba pha thƣờng rất to và nặng kéo theo hệ thống sẽ không đơn giản, lý do nữa là chi phí cho một đồ án nhƣ vậy là quá lớn với khả năng của chúng em. Để thực hiện đƣợc đề tài chúng em đã: GVHD: ThS. Tạ Văn Phƣơng Trang 1
16. Đồ án tốt nghiệp Trạm bơm cấp II Nghiên cứu kĩ hệ thống bơm cấp nƣớc trong thực tế, nắm rõ trình tự điều khiển từng máy bơm. Tìm hiểu về biến tần sử dụng. Lựa chọn biến tần và động cơ có công suất hợp lý. Tìm hiểu giao tiếp PLC với biến tần qua modbus. Lập trình PLC. Lập trình bộ PID để điều khiển máy bơm. Thiết kế giao diện SCADA để giám sát và điều khiển qua mạng Wifi. 1.3. Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI Đề tài cho thấy việc ứng dụng của tự động hóa vào trong cuộc sống là rất cần thiết, nó giúp ta tiết kiệm đƣợc thời gian công sức, tiền bạc nhƣng 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 cho đƣờng ống nƣớc, chúng ta có thể mở rộng cho hệ thống điều khiển lò nhiệt, hệ thống điều hòa không khí 1.4. PHẠM VI NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Từ những kiến thức cơ sở học đƣợc tại trƣờng và ngoài thực tế, do còn hạn chế về kiến thức cũng nhƣ khả năng kinh tế và thời gian có hạn nên chúng em chỉ có thể tạo mô hình mang tính chất mô phỏng để thể hiện quy trình hoạt động của một hệ thống cấp nƣớc thực tế. Trong đó, chúng em đã thực hiện một số công việc: Lập trình PLC hoạt động theo thuật toán đƣa ra. Giao tiếp PLC với SCADA giám sát hệ thống. Giao tiếp PLC với biến tần qua truyền thông modbus. Thiết kế giao diện điều khiển tự động với SCADA. Điều khiển PID cho động cơ theo giá trị yêu cầu. GVHD: ThS. Tạ Văn Phƣơng Trang 2
17. Đồ án tốt nghiệp Trạm bơm cấp II 1.5. TÓM TẮT ĐỀ TÀI Hệ thống sẽ hoạt động nhƣ sau: Đọc tín hiệu analog từ cảm biến áp suất về cổng analog của biến tần, biến tần sẽ xử lý tín hiệu và gửi về plc qua truyền thông modbus sau đó plc sẽ xử lý bằng thuật toán PID để điều khiển bơm ( hai bơm chạy luân phiên) đảm bảo ổn định áp suất đầu ra (theo giờ hệ thống cài đặt trƣớc). Đọc tín hiệu digital từ đồng hồ lƣu lƣợng nƣớc về plc để thống kê lƣu lƣợng nƣớc đầu ra. Tất cả dữ liệu sẽ đƣợc truyền về SCADA thông qua mạng Wifi từ đó SCADA sẽ điều khiển, giám sát, thống kê và cài đặt hệ thống hoặc ta cũng có thể sử dụng màn hình HMI để cài đặt và giám sát. GVHD: ThS. Tạ Văn Phƣơng Trang 3
18. Đồ án tốt nghiệp Trạm bơm cấp II CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 2.1.1 Phân loại trạm bơm 2.1.1.1 Trạm bơm cấp I Bơm nƣớc từ công trình thu (sông, hồ) đến trạm xử lý. Hình 2.1: Trạm bơm cấp I 2.1.1.2 Trạm bơm cấp II Bơm nƣớc từ bể chứa nƣớc sạch vào mạng lƣới tiêu thụ hoặc bể chứa áp lực. Hình 2.2: Trạm bơm cấp II GVHD: ThS. Tạ Văn Phƣơng Trang 4
19. Đồ án tốt nghiệp Trạm bơm cấp II 2.1.2 Giới thiệu trạm bơm cấp II Hình 2.3: Dây chuyền trạm bơm cấp nước 2.1.2.1 Nhiệm vụ và nguyên tắc hoạt động Nhiệm vụ: Bơm nƣớc từ bể chứa nƣớc sạch vào mạng lƣới cấp nƣớc hoặc bơm lên bể chứa áp lực. Nguyên tắc hoạt động: Biến cơ năng nhận đƣợc từ động cơ điện thành năng lƣợng của dòng chất lỏng. 2.1.2.2 Chế độ làm việc Trạm bơm cấp II có thể làm việc theo chế độ điều hòa hoặc chế độ thay đổi theo đường bậc thang. Chế độ điều hòa: Lƣu lƣợng trạm bơm và số lƣợng bơm làm việc ở từng giờ là nhƣ nhau. Chế độ thay đổi theo đường bậc thang: Lƣu lƣợng trạm bơm và số lƣợng bơm làm việc ở từng giờ là khác nhau. Do trực tiếp bơm nƣớc cấp cho các hộ dùng nƣớc nên trạm bơm cấp II thƣờng làm việc theo chế độ thay đổi theo đƣờng bậc thang. GVHD: ThS. Tạ Văn Phƣơng Trang 5
20. Đồ án tốt nghiệp Trạm bơm cấp II 2.1.3 Nguyên tắc điều khiển trong hệ thống Mỗi trạm bơm thƣờng có nhiều máy bơm cùng cấp nƣớc vào cùng một đƣờng ống. Áp lực và lƣu lƣợng của đƣờng ống thay đổi hàng giờ theo nhu cầu. Bơm và các thiết bị đi kèm nhƣ đƣờng ống, van, đài nƣớc đƣợc thiết kế với lƣu lƣợng nƣớc bơm rất lớn. Vì thế điều chỉnh lƣu lƣợng nƣớc bơm đƣợc thực hiện bằng các phƣơng pháp sau: Điều chỉnh bằng cách khép van trên ống đẩy của bơm. Điều chỉnh bằng đóng mở các máy bơm hoạt động đồng thời. Điều khiển thay đổi tốc độ quay bằng khớp nối thủy lực. Điều khiển theo những phƣơng pháp trên không những không tiết kiệm đƣợc năng lƣợng điện tiêu thụ mà còn gây nên hỏng hóc thiết bị và đƣờng ống do chấn động khi đóng mở van gây nên, đồng thời các máy bơm cung cấp không bám sát đƣợc chế độ tiêu thụ trên mạng lƣới. Để giải quyết các vấn đề kể trên chỉ có thể sử dụng phƣơng pháp điều khiển truyền động biến đổi tốc độ bằng thiết bị biến tần. Thiết bị biến tần là thiết bị điều chỉnh biến đổi quay của động cơ bằng cách thay đổi tần số của dòng điện cung cấp cho động cơ. Đầu ra của PLC đƣợc nối với biến tần để điều khiển biến tần và từ đây biến tần điều khiển tốc độ động cơ. Khi sử dụng thiết bị biến tần cho phép điều chỉnh một cách linh hoạt lƣu lƣợng và áp suất cấp vào mạng lƣới theo yêu cầu tiêu thụ. Với tín hiệu từ cảm biến áp suất phản hồi về PLC. PLC sẽ so sánh giá trị truyền về này với giá trị đặt để từ đó ra lệnh cho biến tần giúp thay đổi tốc độ của động cơ bằng cách thay đổi tần số dòng điện đƣa vào động cơ để đảm bảo áp suất nƣớc trong đƣờng ống là ổn định. Sự điều chỉnh linh hoạt các máy bơm khi sử dụng biến tần đƣợc cụ thể nhƣ sau: Điều chỉnh tốc độ quay khi áp suất thay đổi. Đa dạng trong phƣơng thức điều khiển các máy bơm trong trạm bơm. Một thiết bị biến tần có thể điều khiển tới 5 máy bơm. 2.1.3.1 Phƣơng thức điều khiển bơm: ( Có 3 phương thứ c điều khiển cá c má y bơm ) 2.1.3.1.1 Điều khiển theo mực nước Trên cơ sở tín hiệu mực chất lỏng trong bể hút hồi tiếp về biến tần. Bộ vi xử lý sẽ so sánh tín hiệu hồi tiếp với mực chất lỏng đƣợc cài đặt. Trên cơ sở kết quả so sánh biến tần sẽ điều khiển đóng mở các máy bơm sao cho phù hợp để mực chất lỏng trong bể luôn bằng giá trị cài đặt. Ngƣợc lại khi tín hồi tiếp lớn hơn giá trị cài đặt, biến tần sẽ điều khiển cắt lần lƣợt các bơm để mực chất lỏng luôn đạt ổn định ở giá trị cài đặt. GVHD: ThS. Tạ Văn Phƣơng Trang 6
21. Đồ án tốt nghiệp Trạm bơm cấp II 2.1.3.1.2 Điều khiển theo hình thức chủ động/ thụ động Mỗi một máy bơm đƣợc nối với một bộ biến tần trong đó có một biến tần chủ động và các biến tần khác là thụ động, khi tín hiệu hồi tiếp về biến tần chủ động thì bộ vi xử lý của biến tần này sẽ so sánh với tín hiệu đƣợc cài đặt để từ đó tác động đến các biến tần thụ động điều chỉnh tốc độ quay của các máy bơm cho phù hợp và không gây ra hiện tƣợng va đập thuỷ lực phản hồi từ hệ thống. Phƣơng thức điều khiển này là linh hoạt nhất, khắc phục những khó khăn trong quá trình vận hành bơm khác với thiết kế. Phƣơng thức này đƣợc sử dụng cho trƣờng hợp thay đổi cả về lƣu lƣợng và áp lực trên mạng lƣới. 2.1.3.1.3 Điều khiển theo hình thức biến tần điều khiển một bơm Một máy bơm chính đƣợc điều chỉnh thông qua thiết bị biến tần, máy bơm còn lại đóng mở trực tiếp bằng khởi động mềm. Khi tín hiệu áp lực và lƣu lƣợng trên mạng lƣới hồi tiếp về biến tần. Bộ vi xử lý sẽ so sánh với giá trị cài đặt và điều khiển tốc độ máy bơm chính chạy với tốc độ phù hợp và điều khiển đóng mở các máy bơm còn lại cho phù hợp với nhu cầu trên mạng lƣới đồng thời điều chỉnh tốc độ bơm chính sao cho hạn chế tối đa hiện tƣợng va đập thuỷ lực mạng lƣới cấp nƣớc. Phƣơng thức điều khiển này đƣợc áp dụng cho trƣờng hợp áp lực của máy bơm đúng với thiết kế nhƣng lƣu lƣợng thay đổi. Bằng các phƣơng thức điều khiển linh hoạt trên theo nhu cầu tiêu thụ của mạng lƣới sẽ thay thế đài nƣớc trên mạng lƣới. Đây cũng chính là cách mà nhóm em đã tiến hành làm. Khi mà bơm đƣợc điều khiển bằng biến tần hoạt động ở chế độ định mức mà vẫn chƣa đáp ứng đƣợc áp suất trên đƣờng ống thì PLC sẽ ra lệnh cho máy bơm khởi động trực tiếp tham gia vào hệ thống nhằm duy trì đƣợc áp suất mong muốn trong đƣờng ống. Đến một lúc nào đó, khi mà áp suất trong đƣờng ống đã đủ thì PLC sẽ ngắt bơm phụ ra để tránh áp suất cao gây nguy hiểm cho đƣờng ống. Trong trƣờng hợp ngắt bơm phụ mà áp suất vẫn còn cao thì PLC sẽ ra lệnh cho biến tần để biến tần giảm dần tần số của bơm để đƣa áp suất trong đƣờng ống về gần bằng giá trị đặt nhanh nhất trong thời gian có thể. Tất cả những việc này đƣợc theo dõi và giám sát bằng hệ thống SCADA qua màn hình máy tính. 2.1.3.2 Những ƣu điểm khi điều khiển tốc độ bơm bằng thiết bị biến tần Hạn chế đƣợc dòng điện khởi động cao. Tiết kiệm năng lƣợng. Điều khiển linh hoạt các máy bơm. Sử dụng công nghệ điều khiển vectơ. Ngoài ra còn các ƣu điểm khác của thiết bị biến tần nhƣ: Dãy công suất rộng từ 1,1 – 400 Kw. Tự động ngừng khi đạt tới điểm cài đặt. Tăng tốc nhanh giứp biến tần bắt kịp tốc độ hiện thời của động cơ. Tự động tăng tốc giảm tốc tránh quá tải hoặc quá điện áp khi khởi động. GVHD: ThS. Tạ Văn Phƣơng Trang 7