Thiết kế hệ điều khiển nhóm bơm

ơ quan, đưa nước đến từng hộ dân, đưa nước lên cao... 2. Khái niệm chung: Bơm là loại máy thuỷ lực dùng để hút và đẩy chất lỏng từ nơi này đến nơi khác. Chất lỏng dịch chuyển trong đường ống nên bơm phải tăng áp suất chất lỏng ở đầu đường ống để thắng trở lực trên đường ống và thắng hiệu áp suất ở hai đầu ống. Năng lượng bơm cấp cho chất lỏng lấy từ động cơ điện hoặc từ các nguồn động lực khác ( máy nổ, máy hơi nước...) Điều kiện làm việc của bơm rất khác nhau (trong nhà, ngoài trời, độ ẩm, nhiệt độ...) và bơm phải chịu được tính chất lý hoá học của chất lỏng cần vận chuyển. 3. Phân loại bơm: Ta có rất nhiều cách để phân loại bơm: a. Theo nguyên lý làm việc hay cách cấp năng lượng, có hai loại bơm: - Bơm thể tích: Bơm loại này khi làm việc thì thể tích không gian làm việc thay dổi nhờ thay chuyển động tịch tiến của pitton ( bơm pitton ) hay nhờ chuyển động quay của rotor ( bơm rotor ). Kết quả, thế năng và áp suất chất lỏng tăng lên nghĩa là bơm cung cấp nước cho chất lỏng. - Bơm động học: Trong loại bơm này, chất lỏng được cung cấp động năng từ bơm và áp suất tăng lên. Chất lỏng qua bơm thu được động lượng nhờ va đập của cánh quạt ( bơm ly tâm, bơm hướng trục...) hoặc nhờ ma sát của tác nhân làm việc (bơm xoáy lốc , bơm tia, bơm chấn động, bơm vít xoắn...) hoặc nhờ tác dụng của trường điện từ (bơm điện từ) hay các trường lực khác. b. Phân loại theo cấu tạo: - Bơm cánh quạt: loại bơm này bơm ly tâm chiếm đa số và thường gặp nhất. - Bơm pitton: bơm nước, bơm dầu... - Bơm rotor: bơm dầu, bơm hoá chất, bơm dầu... Ngoài ra còn có các loại đặc biệt khác như bơm màng cách (bơm xăng trong ôtô) bơm phun tia ( tạo chân không trong các nhà máy nhiệt điện...)... 4. Các thông số cơ bản của bơm: a. Cột áp H (hay áp suất bơm) : Đó là lượng tăng năng lượng riêng cho một đơn vị trọng lượng của chất lỏng chảy qua bơm (từ miệng hút đến miệng đẩy của bơm ). Cột áp H thường được tính bằng mét (cột chất lỏng hay cột nước ) hoặc tính đổi ra áp suất của bơm. P = g. H = r.g.H ( I-1 ) Trong đó : g : trọng lượng riêng của cột chất lỏng. r - khối lượng riêng của cột chất lỏng. 1. Động cơ kéo bơm. 6. Van ống hút. 2. Bơm. 7. Van ống đẩy. 3. Lưới chắn rác. Bên trong thường có 8. ống đẩy van 1 chiều. 9. Bể chứa. 4. Bể hút. 10. Van phân phối. 5. ống hút. 11, 12. Chân không kế và áp kế. Hình I.1 Sơ đồ một hệ thống bơm. b. Lưu lượng bơm: Đó là thể tích chất lỏng do bơm cung cấp vào ống đẩy trong một đơn vị thời gian Lưu lượng Q đo bằng : m3/s , l/s... c. Công suất bơm: Trong một tổ máy bơm, cần phân biệt 3 loại công suất như sau: - Công suất làm việc: hay còn gọi là công suất hữu ích là công để đưa một lượng Q chất lỏng lên độ cao H trong một đơn vị thời gian. Ni = g. Q. H. 10-3 (KW). (I -2 ) - Công suất tại trục bơm ( ghi trên nhãn bơm) : công suất này thường lớn hơn Ni vì có tổn hao do ma sát. - Công suất động cơ kéo bơm: Nđc công suất này thường lớn hơn N để bù hiệu suất truyền động giữa động cơ và bơm, ngoài ra còn dự phòng quá tải bất thường. Nđc = k. (I-3) Trong đó: k: hệ số dự phòng. : hiệu suất bộ truyền. Khi động cơ nối trực tiếp với bơm thì = 1. d. Hiệu suất bơm: Là tỉ số giữa công suất hữu ích Ni và công suất tại trục bơm N = (I-4) Hiệu suất của bơm bao gồm 3 thành phần: = .. (I-5) Trong đó: : hiệu suất lưu lượng do tổn thất lưu lượng vì rò rỉ. : hiệu suất thuỷ lực do tổn thất cột áp vì ma sát trong nội bộ bơm : do các tổn thất cơ khí (ổ bi, gối trục...) và bề mặt ngoài của guồng động ( bánh xe...) với mặt ngoài của bơm. 5. Các đặc tính của bơm: ở phần này, ta xem xét các đặc tính bơm như là một đối tượng mà động cơ cần truyền động. Qua đó, ta thấy những đáp ứng mà động cơ phải có khi kéo bơm. Bơm có rất nhiều loại nên ta chỉ khảo sát 2 loại bơm chính sau: - Bơm ly tâm. - Bơm pitton. a. Bơm ly tâm: Bơm ly tâm là loại bơm động học, có cánh quạt. Nó được sử dụng rộng rãi và được kéo bằng động cơ điện. Bơm ly tâm là loại rất phổ biến vì nó bơm được nhiều loại chất lỏng khác nhau ( nước , axit, kiềm...), giải lưu lượng rộng ( từ vài l/phút đến vài m3/s ); có cấu tạo đơn giản, gọn nhẹ, chắc chắn, giá thành hạ... 7 n 2 9 3 5 1 6 Hđ 10 Các bộ phận của bơm ly tâm bao gồm: Hh - Vỏ bơm 1: có dạng trôn ốc. - Trục 4. - Guồng động có gắn các cánh cong 7. - Miệng hút 8. - Miệng đẩy 9. Trước khi chạy bơm ly tâm, phải mồi nước qua ống 10 để buồng trôn ốc và ống hút 5 chứa đầy nước. Khi động cơ kéo bơm quay, guồng động có các ánh cong gây ra lực li tâm làm chất lỏng trong các rãnh bị nén và đẩy ra đuôi các cánh cong vào buồng trôn ốc. Do diện tích mặt cắt buồng trôn ốc tăng dần nên lưu tốc chất lỏng giảm dần, một phần động năng của chất lỏng biến thành áp năng, dồn chất lỏng vào ống đẩy. Hình I.2 Cấu tạo bơm li tâm. Nhược điểm của bơm ly tâm là không có khả năng hút nước lúc ban đầu (phải mồi) và lưu lượng Q phụ thuộc vào cột áp H. Lý thuyết và thực nghiệm cho thấy: khi tốc độ quay n của bơm giữ nguyên thì cột áp H, công suất N và hiệu suất là hàm số của lưu lượng Q. Các quan hệ H=H(Q), N = N(Q) và h= h(Q) gọi là các đặc tính riêng của bơm. Đường cong H = H(Q) hoặc Q = Q( H) cho biết khả năng làm việc của bơm nên còn gọi là đường đặc tính làm việc của bơm. H H h N 0 Q h N Hình I.3 Các đặc tính của bơm ly tâm. Nhận xét: Công suất N có trị số cực tiểu khi lưu lượng bằng 0. Lúc này, động cơ truyền động được mở máy dễ dàng. Do vậy ta sẽ khoá van trên ống đẩy để Q = 0. Sau thời gian ngắn khoảng 1 phút thì mở van ngay để tránh bơm và chất lỏng bị quá nóng do công suất động cơ chuyển hoàn toàn thành nhiệt năng. Hơn nữa lúc mở máy dòng động cơ lớn sẽ gây nguy hiểm cho động cơ nếu Q ạ 0. b. Bơm pitton: Bơm pitton là loại bơm thể tích có nguyên lý làm việc đơn giản. Khi động cơ quay quanh trục O, kéo theo hệ thống biên maniven 3, 4 và chuyển động quay biến thành chuyển động tịnh tiến qua lại của pitton 2 trong xi lanh 1với hành trình S = 2.R Hai vị trí giới hạn hành trình của pitton, A1 và A2 tương ứng với điểm chết C1 và C2. Khi pitton dịch chuyển sang trái thì thể tích buồng làm việc 5 tăng lên, áp suất chất lỏng trong xilanh giảm nhỏ hơn áp suất trên mặt thoáng bể hút. Lúc đó van đẩy 7 đóng lại, van hút 6 mở ra và chất lỏng qua ống hút vào xilanh. Đó là giai đoạn hút. Khi pitton dịch sang phải thì thể tích buồng làm việc giảm đi, áp suất chất lỏng trong xilanh tăng cao. Lúc này van hút 6 bị đóng lại, van đẩy 7 bị mở ra và chất lỏng trong xilanh bị dồn vào ống đẩy. Đó là giai đoạn đẩy. Hai giai đoạn hút và đẩy tạo thành một chu kỳ làm việc của bơm. Các chu kỳ liên tục nối tiếp nhau. Từ cách làm việc của pitton ta thấy: - ống hút luôn ngăn cách với ống đẩy. - Chuyển động của chất lỏng không đều, lưu lượng bị dao động và gần như không phụ thuộc vào áp suất của bơm. x C1 C2 0 4 3 5 1 6 7 A1 A2 Hình I.4 Cấu tạo của bơm pitton. N h N N h Q H 0 Hình I.5 Các đặc tính của bơm pitton. - áp suất bơm: cột áp của bơm có thể rất cao (tương ứng với độ bền của bơm và công suất động cơ kéo bơm). Với cùng lưu lượng như nhau thì bơm pitton cồng kềnh và khó chế tạo (kín, khít...) hơn so với bơm ly tâm. Do vậy, ở vùng áp suất thấp và trung bình thì người ta ít dùng bơm pitton, nhưng ở vùng áp suất cao và rất cao (trên 200at ) thì hiện tại, bơm pitton chiếm ưu thế tuyệt đối (như trong hệ truyền động bằng dầu, trong vòi phun nhiên liệu động cơ diezen, trong hệ thuỷ lực dùng trên máy bay...) Nhận xét: Với cùng cột áp H, lưu lượng bơm khác nhau thì công suất bơm ( hay công suất động cơ ) cũng khác nhau. Đặc điểm nổi bật của bơm pitton là lưu lượng bị dao động. II. Các loại trạm bơm và yêu cầu trang bị điện: Đối với các hệ thống lớn như: hệ thống thuỷ lợi, hệ thống cấp nước sinh hoạt cho một vùng dân cư ( một thành phố , thị xã ...) , hệ thống bơm cấp nước cho một nhà máy... thì cần phải sử dụng kết hợp nhiều bơm đặt trong một hoặc nhiều trạm bơm. Các bơm này cần phải có công suất và đặc điểm phù hợp với hệ thống cần cấp nước, đảm bảo các tiêu chuẩn về áp suất hoặc lưu lượng. Việc bố trí nhiều bơm trong một trạm bơm sẽ đảm bảo các tiêu chuẩn trên một cách dễ dàng hơn đồng thời xử lý các trường hợp như: sự cố, thay đổi các đặc tính kỹ thuật... cũng linh hoạt hơn. Tuỳ theo công suất, hay mục đích của trạm bơm mà người ta phân loại như sau: 1. Theo mục đích cấp nước của trạm bơm: a. Trạm bơm thuỷ lợi: Là các trạm bơm phục vụ cho các mục đích như: cấp nước cho nông nghiệp, đảm bảo nước cho đồng ruộng, chống úng, chống hạn... Trong trạm bơm thường đặt nhiều máy bơm có công suất rất lớn. ở đây việc điều chỉnh chính xác lưu lượng đầu ra là không cần thiết. Việc thay đổi lưu lượng bằng cách đóng cắt một hay nhiều bơm. Do đó các bơm thường hoạt động ở chế độ định mức. Động cơ truyền động bơm ít phải thay đổi tốc độ. Các trạm bơm thuỷ lợi còn đóng vai trò rất quan trọng trong các vấn đề chống lũ lụt, đặc biệt là trong điều kiện Việt Nam chúng ta. b. Trạm bơm cấp nước sinh hoạt: Cấp nước sạch cho các khu vực dân cư. Yêu cầu đặt ra là phải đảm bảo lưu lượng hoặc áp suất ở đầu đường ống để đảm bảo đưa nước đên các toà nhà cao tầng hay là các hộ dân ở xa nguồn cấp nước. ở các nhà máy nước, ngoài trạm bơm cấp nước cho khu dân cư, còn có các trạm bơm bơm nước từ nguồn nước ( thường là các giếng khoan khá sâu ), các bơm được bố trí chìm dưới nước nên phải đảm bảo một số chỉ tiêu kỹ thuật khác... 2. Theo công suất của trạm bơm: Bao gồm: a. Trạm bơm có công suất nhỏ. b. Trạm bơm có công suất trung bình. c. Trạm bơm có công suất lớn. 3. Theo mức độ tin cậy: a. Trạm bơm loại I: phải bơm nước liên tục không được gián đoạn một khoảng thời gian nào, nếu cấp nước gián đoạn sẽ gây ra những thiệt hại to lớn về con người cũng như nền kinh tế quốc dân. Đó là các trạm bơm cấp nước sinh hoạt và chữa cháy của các khu dân cư lớn, trạm bơm cấp nước cho sản xuất của các nhà máy lớn và các cơ quan quan trọng. b. Trạm bơm loại II: trạm bơm này có thể ngừng bơm nước trong một thời gian ngắn để công nhân phục vụ đóng tổ máy dự phòng vào làm việc. Đó là các trạm bơm cấp nước cho các khu vực dân cư trên 3000 người nhưng có bể chứa dự trữ. c. Trạm bơm loại III: trạm bơm có thể ngừng hoạt động trong một khoảng thời gian đủ để sửa chữa những hư hỏng xảy ra trong trạm nhưng không được vượt quá 24 giờ. Đó là các trạm bơm cấp nước cho khu dân cư ít người hoặc trạm thuỷ nông nhỏ. 4. Theo tính chất của thiết bị điều khiển: a. Trạm bơm điều khiển thủ công. b. Trạm bơm điều khiển tự động . c. Trạm bơm điều khiển bán tự động. d. Trạm bơm điều khiển từ xa. 5. Theo yêu cầu thiết kế trạm bơm: a. Trạm bơm chìm. b. Trạm bơm nửa nổi. c. Trạm bơm nổi. Tóm lại, việc bố trí các trạm bơm bao gồm nhiều máy bơm làm cho việc điều khiển linh hoạt hơn, đảm bảo các yêu cầu về kỹ thuật như: áp suất, lưu lượng, có thể giải quyết sự cố dễ dàng hơn... Tuy nhiên việc điều khiển bằng các hệ thống cũ có nhiều nhược điểm và việc thay đổi bằng các hệ thống điều khiển mới sẽ đảm bảo nhiều chỉ tiêu đặt ra một cách dễ dàng hơn và quan trọng là giúp đỡ con người trong quá trình vận hành. 6. Các yêu cầu về trang bị điện cho một trạm bơm: - Các động cơ truyền động được chọn ở các dải công suất khác nhau là tuỳ thuộc vào công suất bơm. Việc sử dụng các loại động cơ điện khác nhau cũng tuỳ thuộc vào dải công suất bơm ( nhỏ, trung bình, lớn ) . - Với những bơm chuyên dùng: có thể dùng động cơ một chiều kích từ song song hoặc nối tiếp, nhất là khi có yêu cầu thay đổi tốc độ của bơm. - Chọn động cơ kéo bơm pitton, phải theo loại bơm cụ thể và lưu ý sự biến thiên của lưu lượng và cột áp của bơm, do đó mômen động cơ cần đáp ứng được. - Với loại bơm như bơm ly tâm thì cần phải chú ý đến việc mồi bơm. III. Các hệ thống điều khiển trạm bơm: Hiện nay, các trạm bơm được điều khiển bằng các hệ thống khác nhau tuỳ theo công suất của trạm và các yêu cầu công nghệ đặt ra. Ta có thể nêu ra một số phương pháp điều khiển như sau: 1. Đối với các trạm bơm tưới tiêu, thuỷ lợi có công suất rất lớn, hoạt động ở điện áp cao ( ~6KV) thường dùng hệ điều khiển bằng rơle, công tắc tơ... Động cơ truyền động ở đây thường không cần điều chỉnh tốc độ. Do đó hệ thống điều khiển chủ yếu dùng để đóng cắt các bơm, các chế độ bảo vệ: sự cố quá tải, ngắn mạch, điện áp thấp, tắc rác, mất nước...Hệ thống điều khiển còn góp phần vào quá trình khởi động, đưa động cơ bơm vào đồng bộ. 2. Hiện nay, một số trạm bơm công suất lớn điều khiển việc cấp điện cho động cơ bằng các van điện tử như thyristor, transisator... để thay thế cho các contactor, rơle. Việc thay đổi tốc độ động cơ cũng là nhờ việc điều khiển các van: có thể thay đổi điện áp cấp cho động cơ bơm nhờ bộ điều áp ba pha, hoặc thay đổi điện áp kích từ cấp cho động cơ đồng bộ... 3. Với công nghệ hiện đại thì việc điều khiển các trạm bơm theo một công nghệ nhất định thường sử dụng những bộ điều khiển khả trình: PLC, PLD... hoặc điều khiển bằng máy tính thông qua các hệ thống điều khiển phức tạp và có hiệu quả cao. Đây là một loại hình điều khiển khá hiện đại và có khả năng đảm bảo tốt các yêu cầu kỹ thuật thậm chí có thể tự xử lý những tình huống xảy ra một cách hợp lý mà không cần sự can thiệp nhiều của con người. chương II công nghệ xử lý nước sạch ở nhà máy nước yên phụ. Hệ thống điều khiển và khả năng nâng cấp. I. Giới thiệu về công nghệ xử lý nước sạch: Nhà máy nước Yên Phụ là một trong 9 Nhà máy nước ở Hà Nội cung cấp nước sạch cho các khu vực dân cư trong nội thành. Nhà máy được thành lập từ năm 1894, là nhà máy nước đầu tiên ở Hà Nội có công suất khá lớn. Hiện nay công suất của Nhà máy là 80000 ( m3/ngày ). Với một hệ thống cấp nước có công suất lớn như vậy, đòi hỏi Nhà máy cần có rất nhiều trạm bơm với công suất và nhiệm vụ khác nhau. Trước hết, ta phải tìm hiểu rõ công nghệ xử lý nước sạch từ hệ thống nước ngầm từ đó hiểu thêm về nhiệm vụ của các loại trạm bơm trong Nhà máy. Các khâu chính trong quá trình xử lý nước bao gồm: 1. Hệ thống bơm giếng (trạm bơm cấp I) và hệ thống giếng nước ngầm. 2. Dàn mưa và bể tiếp xúc. 3. Bể lọc. 4. Bộ phận khử trùng. 5. Bể chứa. 6. Trạm bơm cấp II. Ta sẽ lần lượt quan sát hoạt động của từng khâu, trang bị điện và hệ thống điều khiển của từng khâu. Toàn bộ hệ thống được minh hoạ ở hình I.1. 1. Giếng nước ngầm và hệ thống bơm giếng: Giếng nước ngầm khai thác nước là khâu đầu tiên của dây chuyền sản xuất nước sạch từ nước ngầm từ lòng đất. Việc sản xuất nước sạch có đảm bảo hay không phụ thuộc vào hoạt động của giếng. Giếng là công trình thu nước ở lòng đất nên nó có liên quan đến nhiều yếu tố khác nhau như địa chất, thuỷ văn... Cấu tạo của một giếng nước ngầm gồm có: a. ống vách: Đặt ở trên ống lọc. b. ống lọc: lọc và thu nước. c.ống lắng: hứng các vật liệu mịn chui vào trong giếng. d. ống bao: bảo vệ sập lở. e. Nhà che giếng: để che chắn các thiết bị, bảo vệ thiết bị trong các điều kiện thời tiết khác nhau. Ta cần quan tâm đến các thông số sau của giếng: - Mực nước tĩnh Ht. - Mực nước động Hđ. - Độ sâu của giếng. - Sự thay đổi của cột áp. Phần lấy nước (~ 40 m). Phần loc nước (~ 30 m). Vị trí đặt bơm - Lưu lượng giếng. Hình II.2. Cấu tạo của giếng nước ngầm. Nhà máy nước Yên Phụ hiện nay có 27 giếng cấp nước đặt ở các vị trí khác nhau, cung cấp đầy đủ nước cho hệ thống. Độ sâu của các giếng thường là 60 - 72 (m), trong đó chiều sâu cột áp lấy nước khoảng 40 (m). Các bơm khi hoạt động bơm vào đường ống chính để dẫn nước về Nhà máy. Lưu lượng đường ống chính được giữ không đổi bằng cách đóng / cắt một hoặc một vài bơm. Trong một trạm bơm giếng của Nhà máy gồm có các thiết bị sau: - Tủ điều khiển: hiển thị các tín hiệu về trạng thái hoạt động của bơm. Hệ thống điều khiển bằng các rơle và contactor. Không có hệ thống điều khiển tốc độ. - Phao báo khô: tín hiệu ngắt bơm. - ống hút nước. - Van một chiều. - Đồng hồ đo áp lực. - Bơm nước và động cơ bơm: 30KW, 42 KW, 55KW. Đường ống dẫn nước thô Bơm 1 2 3 4 7 5 6 8 9 10 11 12 Hình II.3. Sơ đồ bố trí hệ thống giếng khoan trong Nhà máy. 2. Bể tiếp xúc và dàn mưa: Dàn mưa: là hệ thống ống thép có đục lỗ, dưới áp lực do bơm tạo ra sẽ phun như mưa. Dàn mưa tạo điều kiện cho các hợp chất chứa sắt ( Fe) và Mangan ( Mn ) tác dụng với oxy ( O2 ) tạo ra các hợp chất kết tủa và lắng xuống đáy. Phương pháp này năng suất cao và sắt được khử gần như hoàn toàn. Nếu hàm lượng sắt trong nước thô nhỏ hơn 9 mg/lít có thể thực hiện phun mưa (làm thoáng trực tiếp trên bề mặt bể lọc. Khi trạm có công suất rất lớn người ta có thể thay dàn mưa bằng thùng quạt gió. Trong thùng này không khí được đưa vào nhờ quạt gió, vì vậy còn gọi là thùng làm thoáng nhân tạo. Thùng quạt gió có diện tích nhỏ hơn dàn mưa khoảng 10 - 15 lần. Đối với những trạm công suất nhỏ nếu nước thô có pH<7 người ta thực hiện khử sắt trọn vẹn trong một công trình bể lọc áp lực. Khi đó để cung cấp ôxy cho nước người ta đưa không khí vào ống trước bể lọc bằng máy nén khí hoặc ejector. Từ sàn đập, nước đã được làm thoáng được thu vào các máng và đưa sang bể lắng. Các chất có trọng lượng lớn sẽ lắng xuống đáy. Hệ thống bơm rửa lọc được bố trí hợp lý để rửa các bể sau một thời gian làm việc. Trong dây chuyền xử lý nước sạch tại các Nhà máy nước ở Hà Nội, khâu khử sắt làm thoáng bằng dàn mưa. 3. Bể lọc: lọc nước là giai đoạn cuối cùng của quá trình làm trong nhằm tách ra khỏi nước các hạt cặn, hạt keo và khử một phần các vi khuẩn. Nước từ bể lắng sang cho đi qua lớp vật liệu bằng cát thạch anh dày cỡ 0.7 - 1.3 (m). Để giữ cho cát khỏi đi theo nước vào các ống thu nước, dưới lớp cát người ta đổ lớp đỡ bằng sỏi hoặc đá dăm. ở đây có hệ thống kiểm soát mức nước của bể lọc: Có thiết bị gọi tên là Hydroset. Thiết bị này được nối với cảm biến mức nước chứa trong bể lọc và van điều khiển . Thông qua Hydroset, mức nước trong bể lọc sẽ quyết định mức độ đóng/ mở van. Quá trình rửa bể lọc: - Làm sạch các tạp chất. - Hệ thống bơm nước rửa lọc: người ta bơm nước theo chiều ngược lại với chiều khi lọc với tốc độ lớn gấp 7 - 10 lần tốc độ lọc và có thể kết hợp với thổi không khí, làm cho cát lọc bị sục lên, cặn bẩn tách ra khỏi cát và được nước cuốn tràn vào máng phía trên rồi xả đi. 4. Bộ phận khử trùng: Nước sau khi qua dàn khử sắt, bể lắng, bể lọc, cùng với việc loại bỏ Fe, Mn và các chất cặn khác thì phần lớn các vi trùng ( 90%) bị giữ lại và bị tiêu diệt. Tuy nhiên để đảm bảo vệ sinh thì phải qua khâu sát trùng. Các phương pháp sát trùng nước: a. Phương pháp vật lý: bao gồm. - Diệt trùng bằng tia tử ngoại: dùng một loại đèn phát ra tia tử ngoại để diệt trùng. - Bằn sóng siêu âm: dùng thiết bị phát ra sóng siêu âm với tần số cao ( 500KHz). Ưu điểm: Phương pháp vật lý thường có khả năng khử trùng mạnh, diệt được hầu hết các vi trùng và không làm thay đổi tính chất lý hoá học của nước. Khuyết điểm: - Không chống được vi trùng xâm nhập trở lại sau khi đã sát trùng. - Giá thành cao, công nghệ phức tạp. b. Phương pháp hoá học: - Dùng O3: một chất oxy hoá mạnh làm chết vi khuẩn và vi trùng. - Dùng NHCl hoặc KMnO4. - Dùng nước Javen. - Dùng Clo lỏng: hiện nay các Nhà máy nước thường sử dụng phương pháp này có thể chống nhiễm trùng trở lại. Hệ thống sát trùng nước ở Nhà máy nước Yên Phụ là sát trùng bằng Clo lỏng. Các thiết bị bơm và đường ống dẫn bao gồm: - Thiết bị chuyển bình tự động. - Thiết bị điều chỉnh chân không. - Điều khiển bằng tay/ tự động. - Hiện nay có máy châm khí Clo ADVANCE - 200 của công ty CAPITAL CONTROL được lắp lên đầu bình chứa khí clo, nó có nhiều tính năng hiện đại như: . Vận hành toàn chân không theo tiêu chuẩn kỹ nghệ. . Dùng để định lượng khí Clo. . Vật liệu chế tạo cao cấp có tuổi thọ cao. . Uyển chuyển trong việc lắp đặt và sửa chữa. Cl2 (kg/h) 0 Q (m3/h) . Bảo trì dễ dàng, cụm đầu vào có thể thay thế được. Hình II. 5 Biểu đồ quan hệ giữa lưu lượng nước và clo. Mỗi đường trong đồ thị tương ứng với hàm lượng Clo khác nhau ứng với các loại nước khác nhau ( ít vi trùng hay nhiều vi trùng ...). 5. Bể chứa nước lọc: Bể chứa nước sau khi đã qua các khâu trước, đây là nước sạch đã khử trùng. Bể chứa nước sạch làm nhiệm vụ điều hoà lượng nước bơm khác nhau giữa trạm bơm cấp I ( trạm bơm giếng ) và trạm bơm cấp II (trạm bơm vào mạng lưới cấp nước ). Ngoài ra nó còn có nhiệm vụ dự trữ nước chữa cháy ( khoảng 3 giờ cháy ); nước sử dụng trong các dây chuyền sản xuất nước ( nước kỹ thuật ): nước rửa bể, nước rửa dàn mưa, bể lắng, bể lọc...Bể chứa nước có thể xây chìm hoặc xây nổi, hoặc nửa nổi, nửa chìm tuỳ theo cách bố trí cao trình của dây chuyền công nghệ xử lý nước và điều kiện địa chất thuỷ văn. Các thiết bị : - ống dẫn nước có van. - ống hút máy bơm. - ống thông hơi. - Thiết bị đo mực nước. - Thang lên, xuống. 6. Hệ thống bơm nước vào mạng lưới cấp nước: Trạm bơm cấp nước là khâu quan trọng trong quá trình sản xuất nước sạch cũng như trong toàn bộ hệ thống cấp nước. Nó có nhiệm vụ đưa vào hệ thống một khối lượng nước với cột áp theo yêu cầu. Kết cấu của trạm bơm tương đối phức tạp, trong đó lắp đặt nhiều thiết bị như sau: - Máy bơm: thường sử dụng các bơm nổi, công suất từ 30 - 160 KW. - Động cơ truyền động bơm. - Tủ điện chứa các thiết bị điều khiển. - Bàn điều khiển. - Đường ống và hệ thống van 1 chiều cũng như 2 chiều. - Các dụng cụ đo lường: đồng hồ áp lực, đồng hồ đo lưu lượng. - Các biến tần điều khiển tốc độ động cơ bơm. II. Hệ thống bơm nước trong nhà máy: 1. Giới thiệu về trạm bơm cấp nước: Trạm bơm cấp nước là khâu quan trọng của dây chuyền sản xuất nước sạch cũng như trong toàn bộ hệ thống cấp nước. Nó có nhiệm vụ đưa vào hệ thống một khối lượng nước với cột áp theo yêu cầu. Kết cấu trạm bơm tương đối phức tạp, lắp đặt nhiều thiết bị khá phức tạp: máy bơm, động cơ, tủ điện, đường ống và các thiết bị đo lường... Mức độ phức tạp của trang thiết bị trạm bơm phụ thuộc vào yêu cầu về chức năng và độ tin cậy trong quản lý sản xuất. Qui mô của trạm bơm dựa vào: - Yêu cầu và tính chất của đối tượng dùng nước. - Điều kiện cụ thể nơi đặt trạm bơm. - Khối lượng nước cung cấp cho đối tượng dùng nước. 2. Các loại trạm bơm trong Nhà máy: a. Trạm bơm cấp I: Bơm nước từ nguồn nước đưa về công trình làm sạch, nếu chất lượng nước tốt thì có thể sử dụng trực tiếp mà không cần làm sạch thì trạm bơm cấp I có thể bơm thẳng vào trạm phân phối. b. Trạm bơm cấp II: bơm nước từ bể chứa nước sạch vào mạng lưới đường ống đi đến phục vụ đối tượng dùng nước. c. Trạm bơm tăng áp: Bơm nước để tăng áp lực nước trong mạng lưới phân phối. Trạm bơm này cung cấp nước cho các khu vực ở trên cao. d. Bơm clo lỏng. e. Hệ thống bơm nước rửa lọc. III. Trạm bơm lấy nước từ giếng nguồn: 1. Trạm bơm lấy nước ở giếng nguồn là trạm bơm cấp I. ở nhà máy nước Yên Phụ hiện nay gồm có 27 giếng khoan cung cấp nước thô, các giếng được đặt ở các vị trí khác nhau. Các giếng nước ngầm được đặt ở độ sâu 65 - 72 m, trong đó phần lấy nước sâu khoảng 40m. Phần còn lại ở dưới là các hệ thống lọc nước. Phần lấy nước (~ 40 m). Phần loc nước (~ 30 m). Vị trí đặt bơm Hình vẽ minh hoạ một giếng: Các bơm được bố trí chìm sâu dưới nước để không phải mồi ( do có hệ thống van 1 chiều). ở nhà máy sử dụng toàn bộ là bơm ly tâm. Công suất động cơ truyền động bơm là 30KW, 42KW, 55KW. Hiện nay, trong nhà máy các bơm hoạt động một cách độc lập và không có nhu cầu điều chỉnh tốc độ. Việc thay đổi lưu lượng cấp vào đường ống chính bằng cách đóng cắt một số bơm ở các giếng khác nhau. Việc điều khiển các bơm tốn rất nhiều nhân công, hơn nữa việc điều khiển cho lưu lượng không đổi là khá khó khăn. Do đó, xu hướng hiện đại xây dựng các hệ thống điều khiển và quan sát các quá trình hoạt động của hệ thống là khá cần thiết. 2. Xây dựng mô hình điều khiển cho trạm bơm giếng: Với 27 giếng khoan ta có thể điều khiển chúng theo một qui luật logic nhất định. Nhưng trong khuôn khổ một đồ án ta chỉ xây dựng mô hình điều khiển 3 trạm bơm giếng khác nhau. Chúng phải đảm bảo các yêu cầu công nghệ đặt ra một cách chính xác. Từ thực tế, ta có các số liệu cho một giếng khoan như sau: - Phần lọc nước: sâu khoảng 30m. - Phần lấy nước: sâu 40m, ở phía trên phần lọc nước. - Công suất động cơ bơm là 42KW. Bơm chìm li tâm đặt sâu dưới nước. B1 MN B2 MN Hình II.6 – Hệ thống bơm nước từ giếng nước ngầm Tới dàn mưa B3 MN Hmax Hmin Sơ đồ minh họa: Yêu cầu công nghệ đặt ra là: - Lưu lượng cấp cho đường ống chính là không đổi. Lưu lượng này có thể đặt ở các mức khác nhau. - Các bơm hoạt động theo một logic nhất định phụ thuộc vào cột áp của giếng, lưu lượng giếng ( cũng như mức độ thẩm thấu của giếng). Hoạt động của hệ thống được mô tả như sau: Đầu tiên, một cách ngẫu nhiên ( tuỳ theo lượng nước có trong giếng ) ta giả sử bơm 1 hoạt động. Lúc này mức nước ở giếng 1 cao cho nên chỉ cần bơm hoạt động với tốc độ nhỏ hơn tốc độ định mức (~ 70% nđm) thì bơm 1 đảm bảo lưu lượng đầu ra là 150(m3/h). Tốc độ của bơm tỷ lệ với lưu lượng đầu ra của bơm. Vì mức nước của giếng giảm cho nên tốc độ của bơm phải tăng để đảm bảo lưu lượng đầu ra của bơm là không đổi. Cho đến khi tốc độ của bơm phải tăng đến nđm ( do sự thay đổi của mức nước ) và không thể đảm bảo lưu lượng đầu ra thì bơm 2 phải đưa vào hoạt động. Sau thời gian quá độ của bơm 2, ta ngắt bơm 1. Và lúc này, lưu lượng đầu ra vẫn đảm bảo và không có thời gian nào ngừng cấp nước. Và tương tự, đến một mức nước nào đó, bơm 2 không thể đảm bảo lưu lượng đầu ra thì bơm 3 được đưa vào hoạt động và ngắt bơm 2 sau quá trình khởi động của bơm 3. Các bơm hoạt động theo thứ tự ưu tiên 1, 2 sau đó đến 3. Trình tự này luôn không đổi. Hệ thống cứ tiếp tục hoạt động và luôn đảm bảo lưu lượng đầu ra là không đổi. Các yêu cầu khác : - Các tín hiệu bảo vệ: cạn nước, tắc rác, các tín hiệu báo mức nước của từng giếng ( mức cao - Hmax , mức thấp - Hmin, mức trung bình - Htb ). Tín hiệu lưu lượng đầu ra của bơm. - Quan sát: . Quan sát trạng thái hoạt động của từng bơm: tốc độ bơm. . áp suất đường ống, lưu lượng đầu ra. . Các mức nước trong giếng nguồn. Để biết chính xác vị trí đặt các cảm biến phao thì ta cần biết các đặc tính của bơm, của giếng: . Quan hệ Q = Q (H). . Quan hệ P, Q ( thường là tuyến tính). Các nhược điểm của hệ thống điều khiển cũ trong nhà máy: - Tốn nhiều nhân lực: mỗi trạm bơm phải bố trí một tổ làm việc và chuyên trực máy. - Việc điều chỉnh lưu lượng được thực hiện bằng tay: đóng hoặc cắt các bơm. - Không có hệ thống điều khiển tự động. - Việc theo dõi và quản lý các bơm sẽ khó khăn hơn. Từ đó em đề xuất phương án dùng hệ SCADA để áp dụng vào việc điều khiển hệ thống bơm trong nhà máy với nhiệm vụ chính là đảm bảo lưu lượng ở đường ống chính dẫn nước thô. Hệ thống này có nhiều ưu điểm và hoàn toàn có thể đáp ứng được nhiều tiêu chuẩn. Hệ thống đảm bảo những tiêu chuẩn sau: - Tự động hoá hoàn toàn quá trình ổn định lưu lượng. - Giảm số nhân công trong thời gian làm việc. - Điều khiển, giám sát từ xa. Đo Q Máy tính điều khiển PLC RS232/RS485 Biến tần 1 Biến tần 2 Biến tần 3 Bơm1 Bơm2 Bơm3 Đo Q Đo Q Q Hình II.7 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển đề xuất. - Có thể quan sát sự làm việc của từng giếng bơm và hoạt động của các bơm thông qua màn hình máy tính. Trong đó các cấp trong hệ được phân chia và phù hợp với các yêu cầu đặt ra như sau: - Cấp 0: bao gồm biến tần, động cơ truyền động cho bơm, bơm và các sensor là cơ cấu chấp hành; các thiết bị đo lường. Sensor có tác dụng đo tín hiệu lưu lượng từ đường ống chính về PLC và các biến tần, nó có tác dụng rất lớn trong việc ổn định lưu lượng cùng với việc quan sát số liệu trực tiếp trên máy tính trung tâm. Các động cơ bơm được điều chỉnh tốc độ bằng các bộ biến tần và sự thay đổi tốc độ của động cơ bơm là để ổn định lưu lượng. Bộ biến tần ở đây có chức năng điều khiển giữ cho lưu lượng không đổi, đây là chức năng hết sức quan trọng trong quá trình điều khiển. - Cấp 1: Gồm bộ điều khiển khả trình PLC đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển đóng cắt các bơm. Nó chứa chương trình điều khiển giúp cho các bơm. PLC đóng vai trò trung gian giữa máy tính và cơ cấu chấp hành. PLC gửi các thông điệp ( bằng tín hiệu điện áp hoặc dòng điện ) xuống đầu vào đặt của các biến tần và gửi các số liệu qua đường truyền thông cho máy tính. - Cấp 2: Gồm máy tính PC và các thiết bị ngoại vi như máy in, hệ thống chuyển đổi giữa các phần các chuẩn truyền thông RS232/ RS485 và các thiết bị khác. Máy tính có nhiệm vụ xử lý các tín hiệu từ PLC gửi đến và hiển thị các số liệu cần thiết như lưu lượng, tốc độ động cơ, các chế độ hoạt động của bơm, hiển thị các đồ thị lưu lượng hoặc tốc độ bơm... Máy tính còn tạo giao diện cần thiết để cho người vận hành có thể dễ dàng thực hiện các thao tác như quan sát và kiểm tra hệ thống hoạt động như thế nào. Trên máy tính có thể điều khiển trực tiếp hệ thống tuỳ theo chế độ vận hành cần thiết. * Chọn cấu hình điều khiển cho toàn bộ hệ thống trong Nhà máy nước Yên Phụ: - Bơm nước: là loại bơm chìm do CHLB Đức sản xuất. Kiểu bơm: Pleuger- PN - 104-2 M8. Công suất bơm: 180 m3/h. Chiều cao đẩy : 35 - 50 m. Công suất động cơ: 42 KW. Số vòng quay: 2900 vòng/ phút. Chiều dài bơm và động cơ là: 1750mm. Trọng lượng bơm: 226 kg. - Biến tần: Chọn loại biến tần MIDIMASTER- ECO do hãng SIEMENS sản xuất. - PLC: chọn PLC CQM1H - CPU51 của hãng OMRON ( Nhật), có nhiều tính năng về truyền thông và các môđun chuyên dụng đáp ứng được yêu cầu công nghệ đặt ra. - Máy tính: chọn loại máy tính công nghiệp chỉ chuyên một ứng dụng chạy chương trình chuyên dụng. Chọn máy tính IBM của Mỹ. Tốc độ 433MHz. ổ cứng 4.0 GB. Các thiết bị chuyển đổi RS232/ RS485. CHương III Điều chỉnh tốc độ động cơ bơm bằng bộ biến tần của hãng siemens. Nội dung của chương này: 1. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc. 2. Đặt thông số của biến tần. I. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc. Như ở phần trước đã giới thiệu, với bơm có công suất nhỏ ( dưới 100 KW ), thườn._.g dùng động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc. Hiện nay, động cơ không đồng bộ nói chung và động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc nói riêng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp từ công suất nhỏ đến công suất trung bình, chiếm một tỉ lệ rất lớn so với các loại động cơ khác. Sở dĩ như vậy là do động cơ không đồng bộ có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vận hành và sử dụng an toàn nguồn cấp trực tiếp từ lưới điện 3 pha. Tuy nhiên trước đây các hệ truyền động động cơ không đồng bộ có điều chỉnh tốc độ lại chiếm một tỉ lệ rất nhỏ, đó là do việc điều chỉnh tốc độ khó khăn hơn động cơ một chiều . Thời gian gần đây do sự phát triển của khoa học kỹ thuật, của công nghiệp chế tạo chất bán dẫn và kỹ thuật điện tử, kỹ thuật vi xử lý...động cơ không đồng bộ mới được khai thác các ưu điểm của mình. Nó trở thành hệ truyền động cạnh tranh hiệu quả với hệ truyền động Thyristor - Động cơ một chiều. Khác với động cơ một chiều, động cơ không đồng bộ được cấu tạo phần cảm và phần ứng không tách biệt. Từ thông động cơ cũng như mômen động cơ sinh ra phụ thuộc nhiều tham số. Do vậy hệ điều chỉnh tự động truyền động điện động cơ không đồng bộ là hệ điều chỉnh nhiều tham số có tính phi tuyến mạnh. Trong định hướng xây dựng hệ truyền động động cơ không đồng bộ, người ta có xu hướng tiếp cận với các đặc tính điều chỉnh của động cơ điện 1 chiều. Trong công nghiệp thường sử dụng bốn hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ. a. Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ dùng bộ biến đổi thyristor. b. Điều chỉnh điện trở rotor bằng bộ biến đôỉ thyristor hoặc biến đôỉ theo cấp điện trở. c. Điều chỉnh công suất trượt Ps. d. Điều chỉnh tần số nguồn cung cấp. ở đây vì động cơ truyền động bơm là động cơ rotor lồng sóc nên ta chỉ quan tâm đến 2 cách : . Điều chỉnh điện áp nguồn cấp. . Điều chỉnh tần số nguồn cung cấp. 1. Điều chỉnh điện áp cấp nguồn cho động cơ: Momen động cơ không đồng bộ tỷ lệ với bình phương điện áp stator, do đó có thể điều chỉnh được momen và tốc độ của động cơ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh giá trị điện áp stator trong khi giữ nguyên tần số. ĐAXC M Ul, fl Ub fl Uđk Hình III.1 Sơ đồ khối nguyên lý điều chỉnh điện áp. Ub1 Đttn Uđm sth 0 w Mth M1 Để điều chỉnh điện áp động cơ không đồng bộ phải dùng các bộ điều áp xoay chiều. M Hình III.2 Đặc tính cơ điều chỉnh. Đường Ub1 ứng với điện áp Ub1 và khi đó mômen tới hạn sẽ là M1. ĐAXC M Ul, fl Ub fl Một số biểu thức cần quan tâm. Nếu coi khối điều áp xoay chiều là nguồn áp lý tưởng thì ta có: w (III-1) hay là : Mth,u* = Ub* ( đơn vị tương đối ). (III-2) Công thức trên đúng với mọi giá trị của điện áp và momen. Vì giá trị của độ trượt tới hạn sth của đặc tính cơ tự nhiên là nhỏ, nên nói không áp dụng cho động cơ rotor lồng sóc ( vì lúc này dải điều chỉnh tốc độ và momen rất hẹp ). Tuy nhiên với động cơ công suất nhỏ với độ trượt tới hạn lớn ta vẫn có thể dùng phương pháp này. Như hình vẽ ta thấy, tốc độ động cơ được điều chỉnh bằng cách giảm độ cứng đặc tính cơ, trong khi đó tốc độ không tải lý tưởng của mọi đặc tính đều như nhau và bằng tốc độ của từ trường quay. Uwđ Uw BBĐ M Ub fl FT Rw Fx (-) U1, f1 Phương pháp điều chỉnh điện áp chỉ thích hợp với truyền động mà momen tải là hàm tăng theo tốc độ như: quạt gió, bơm li tâm. Có thê dùng máy biến áp tự ngẫu, điện kháng hoặc bộ biến đôỉ xung áp, nhưng trong đó vì lý do kinh tế và kỹ thuật mà bộ điều áp dùng van bán dẫn là phổ biến nhất. Hình III.3 Sơ đồ khối ĐAXC. M w s = 0 Đttn Ir = Ir đm Hình III.4 Dạng đặc tính cơ. Vùng điều chỉnh tốc độ và mômen khi điều chỉnh điện áp bị giới hạn bởi các trục tọa độ và đường cong: M.s = (III-3) Những nhược điểm cơ bản của bộ ĐAXC để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ: - Giảm khả năng quá tải của động cơ. - Dải điều chỉnh tốc độ quay hẹp. - Điều chỉnh không trơn. 2. Điều chỉnh tần số nguồn cung cấp: Điều chỉnh tốc độ quay bằng cách thay đổi tần số dòng điện nguồn cấp f1 chỉ có thể thực hiện khi nguồn cấp cho động cơ có tần số điều chỉnh được một cách độc lập. Để có nguồn như vậy người ta thường dùng các máy phát đồng bộ có tốc độ quay điều chỉnh được, các bộ biến đổi tần số, các bộ biến đổi điện tử và bán dẫn... Để đảm bảo cho đặc tính cơ có độ cứng cao và khả năng quá tải đủ lớn, đồng thời với việc điều chỉnh tần số dòng điện f1 phải điều chỉnh điện áp U1 sao cho từ thông là không đổi như lúc tần số định mức. Quan hệ giữa tần số và tốc độ quay được biểu diễn như sau: n = (III-4) Trong đó : f - tần số dòng điện p - số đôi cực. a. Điều chỉnh tần số - điện áp: Khi điều chỉnh tần số thì trở kháng, từ thông, dòng điện của động cơ thay đổi, để đảm bảo 1 số chỉ tiêu điều chỉnh mà không làm động cơ bị quá dòng thì cần phải điều chỉnh cả điện áp. Đối với hệ thống biến tần nguồn áp thường có yêu cầu là giữ cho khả năng quá tải về momen là không đổi trong suốt dải điều chỉnh tốc độ. Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần nguồn áp gồm các khối sau: - Khối chỉnh lưu. - Lọc. - Nghịch lưu độc lập. - Động cơ không đồng bộ. - NMC: do khối chỉnh lưu tạo ra. Uđk NMC Id Ud D1 D3 D5 D4 D6 D2 S1 S3 S5 S4 S2 S6 Tải L Hình III.5 Sơ đồ khối nguyên lý biến tần nguồn áp. - Nghịch lưu gồm 6 khoá dẫn và 6 van không điều khiển. Các khoá nghịch lưu được đóng cắt theo một thứ tự nhất định tạo thành điện áp xoay chiều ba pha đặt lên động cơ chấp hành, góc dẫn các khoá là 1800; thời điểm các khoá S 1, S3 , S5 và S 2, S4 , S6 bắt đầu dẫn lệch nhau lầ 1200 do đó điện áp ra của nghịch lưu cũng là 1200. Để điện áp ra nghịch lưu là hình sin và đảm bảo tần số yêu cầu thì việc điều khiển là rất phức tạp, do đó việc chế tạo các biến tần khá khó khăn và đòi hỏi kỹ thuật cao. b. Điều chỉnh tần số nguồn dòng điện: Biến tần nguồn dòng: biến tần nguồn dòng có ưu điểm là tăng được công suất đơn vị máy, mạch lực đơn giản mà vẫn thực hiện được hãm tái sinh động cơ. Nguồn điện một chiều cấp cho nghịch lưu phải là nguồn dòng điện, để tạo ra nguồn dòng một chiều thường dùng chỉnh lưu điều khiển hoặc băm xung áp một chiều có bộ điều chỉnh dòng điện có cấu trúc tỷ lệ - tích phân, mạch lực là điện kháng tuyến tính có trị số điện cảm đủ lớn. Do có nguồn dòng 1 chiều nên việc chuyển mạch các van bán dẫn có thể thực hiện bằng điện áp trên các tụ chuyển mạch. ở hệ thống biến tần nguồn dòng, mômen tới hạn chỉ phụ thuộc vào bình phương dòng điện stator mà không phụ thuộc vào tần số. ĐK CL RI Iđ id L Z D1 D3 D5 D4 D6 D2 T2 T6 T4 T5 T1 T3 U ~ CL (-) Hình III.6 Sơ đồ khối nguyên lý biến tần nguồn dòng. * Ưu điểm của các bộ biến tần: - Sử dụng các bộ biến tần có thể điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ trong một dải rộng, có khả năng điều chỉnh trơn. - Việc điều chỉnh tốc độ quay của rotor bằng phương pháp tần số sẽ được dùng thuận lợi khi điều khiển cả nhóm động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc. Tuy có nhiều ưu điểm như vậy nhưng thực tế các bộ biến tần rất đắt tiền, đặc biệt là với các biến tần công suất lớn. Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ hiện đại, việc chế tạo các bộ biến tần cũng dễ dàng hơn do đó giá thành giảm, biến tần cũng được sử dụng rộng rãi hơn. Các bộ biến tần hiện đại chủ yếu dựa trên cơ sở lý thuyết vector không gian. Việc điều khiển đóng mở các van sử dụng các bộ vi xử lý có tính linh hoạt cao. Các vector dòng điện và điện áp qui về hệ toạ độ hai trục a và b. Các thành phần phi tuyến thông qua các hệ thống tuyến tính phức tạp được qui về các thành phần tuyến tính, sau đó tính toán để qui về như cũ. Các bộ biến tần của hãng SIEMENS dựa trên cơ sở lý thuyết vector không gian. II. Đặt các thông số của biến tần: Hiện nay có rất nhiều loại biến tần của các hãng khác nhau như: ABB, SIEMENS, OMRON, MITSHUBITSI...Tuy nhiên biến tần của hãng SIEMENS được sử dụng rộng rãi hơn vì chúng có nhiều ưu điểm và giá cả khá hợp lý. Sau đây là hình ảnh của một số biến tần: Biến tần của hãng SIEMENS. Biến tần của hãng OMRON. Với yêu cầu của động cơ bơm là 42KW, ta chọn loại biến tần MIDI MASTER ECO vì nó có những đặc điểm phù hợp với bài toán đặt ra: - Điều khiển bằng vi xử lý tin cậy và linh hoạt. - Khả năng điều khiển từ xa thông qua cáp truyền thông RS485. - Có nhiều thông số đảm bảo hết các ứng dụng. - Bộ nhớ trong ổn định để lưu giữ các thông số đã được cài đặt. - Tần số ra ( tương ứng với tốc độ môtor ) có thể được điều chỉnh bằng một trong 5 phương pháp sau: + Đặt tần số bằng đầu Digital. + Điểm đặt tần số bằng đầu Analog. + Chiết áp của motor. + Tần số cố định. + Thông qua truyền số liệu từ xa. - Định sẵn hãm bằng dòng một chiều. - Định sẵn hãm bằng điện trở ngoài. - Bộ lọc tích phân. - Bảng điều khiển mặt trước bằng màng mềm. - Hai đầu ra rơle liên hợp. - Điều khiển vòng đóng dùng bộ PID.( có thể điều chỉnh lưu lượng, áp suất hoặc một thông số bất kỳ nào đó cần giữ ổn định). - Bảo vệ tuỳ chọn. MIDI MASTER là họ các bộ biến tần với một mạch kết nối 1 chiều dùng cho các truyền động tốc độ xoay chiều. Bộ biến tần được điều khiển bằng bộ vi xử lý bên trong. Phương pháp điều biến độ rộng xung cho phép motor hoạt động cực kỳ êm. 2. Các bộ phận tuỳ chọn và phụ tùng: - Bộ phận hãm MIDIMASTER. - Bộ lọc tích phân. - Bảng điều khiển nâng cao. - Modul PROFIBUS. - Phần mềm SIMOVIS để điều khiển qua PC. - Các cuộn cảm kháng đầu ra và cảm kháng dây. - Các bộ lọc đầu ra. Với motor truyền động công suất 42 KW ta chọn loại biến tần 45KW . Các thông số của biến tần 45KW: - Kiểu ECO1 - 4500/3. - Công suất 45KW. - Cỡ khung : 6. - Dùng điện 3 pha 380V. - Kích thước: 275 x 650 x 285. Cân nặng 27 (kg). 1 +10V 0V 2 3 4 A D 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 AIN+ AIN- DIN1 DIN2 DIN3 RL1B RL1C AOUT+ AOUT- P+ N- RS485 CPU AC DC DC AC RL1 D A 24V Nguồn cấp Động cơ Hình III.7 Cấu trúc chung của biến tần hãng SIEMENS Đầu vào PID . I Hình II.8 Sơ đồ nguyên lý biến tần SIEMENS. Hình III.9 Dạng điện áp và dòng điện. M u v w L1 L2 L3 các đầu nối tới mô tơ 3 pha 380V AC 3. Các đầu nối cho nguồn cấp điện và motor: L1, L2, L3 : các đầu nối tới điện áp lưới 3 pha xoay chiều. u, v, w : các đầu ra của biến tần để nối tới động cơ. Tổng chiều dài dây nối đến motor không được vượt qua 150 m. Nếu có cuộn kháng thì có thể nối tới 200 m. 4. Các đầu nối điều khiển. P10 0V AIN+ AIN- D1 D2 D3 D4 P15+ PIN+ PIN- Aout- PTC PTC D5 D6 R1A R1B R1C 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 R2B R2C P5V+ N- P+ P5V+ 21 22 23 24 25 26 Các thông số đầu vào: 1 - 2: Đầu nối nguồn cung cấp +10V max . 10mA . 3 - 4 : đầu vào tương tự để đặt tần số. Các giá trị đặt có thể là: -10V đến +10V. 0/2V đến 10V. 0/4mA đến 20mA. 5 á8 :D1 - D4 đầu vào số. (điện áp 7.5 đến 33 V, 5mA ). 9 : nguồn cung cấp cho bộ chuyển đổi PID (PID transducer ) 15V max, 20mA. 10 -11: đầu vào phản hồi analog (dùng cho bộ PID). 0V - 10V hoặc 0 - 20mA. 12-13: đầu ra analog 1 - 0/4 đến 20mA. 14- 15: đầu vào bảo vệ nhiệt motor. 16-17:Đầu vào số. 18-19-20 và 21-22: các đầu ra rơle. 23 - 26: các đầu truyền thông USS - protocol. RS 485. 27: đầu ra analog 2 sử dụng với đầu 13. 5. Đặt các thông số cho biến tần: 5.1 Các thông số vận hành: Khái quát: - Bộ biến tần không có khoá nguồn chính vì vậy nó luôn luôn hoạt động khi nguồn được đóng. Nó chuyển sang trạng thái chờ với các đầu ra không hoạt động cho đến khi bấm nút RUN hoặc có tín hiệu ON qua cổng 8 (các thông số P051áP055). - Nếu tần số đầu ra (P001=0) được chọn, điểm đặt tương ứng được hiển thị khoảng chừng 1,5 giây một lần khi bộ biến tần ngừng chạy. - Các thông số của bộ biến tần (thông số ngầm định) được đặt cho các ứng dụng tiêu chuẩn trên các động cơ chuẩn 4 cực. Khi sử dụng các động cơ khác, cần phải nhập các thông số kỹ thuật từ bảng ghi công suất vào các thông số P081 tới P085. - Nếu bộ biến tần được sử dụng cho một động cơ 8 cực, đặt P082 tới tốc độ gấp 2 lần tốc độ danh định của động cơ. Như vậy màn hình sẽ hiển thị tốc độ của động cơ lớn gấp hai lần số vòng/ phút thực tế của động cơ khi đặt P001=5. - Khi một giá trị thông số được đặt, nó được tự động lưu vào bộ nhớ. b. Vận hành cơ bản: Phương pháp cơ bản nhất để khởi động và sử dụng bộ biến tần được miêu tả dưới đây. Phương pháp này sử dụng một điểm đặt tần số digital và chỉ yêu cầu thay đổi các thông số có số nhỏ nhất từ các giá trị đặt mặc định. Đóng điện từ nguồn chính vào bộ biến tần. Đặt thông số P009 tới 002 hoặc 003 để cho tất cả các thông số có thể điều chỉnh được. Đặt thông số P005 tới điểm đặt tần số thích hợp. Kiểm tra các thông số P081 tới P085 và đảm bảo rằng chúng thích hợp với các yêu cầu nêu rõ trong bảng công suất trên động cơ. Bấm nút chạy (I) trên tấm bảng mặt trước của bộ biến tần. Bộ biến tần bây giờ sẽ điều khiển động cơ chạy ở tần số đã được đặt bởi thông số P005. Nếu yêu cầu tốc độ động cơ (vd tần số) có thể được thay đổi trực tiếp bằng cách sử dụng các nút D, ẹ. (Đặt P011 tới 001) để làm cho việc đặt tần số mới được lưu lại trong bộ nhớ trong suốt các quá trình khi bộ biến tần không hoạt động. c.Vận hành điều khiển số (digital): Để ghi cấu hình khởi động cơ bản sử dụng điều khiển số, ta tiến hành như sau: Nối đầu điều khiển 7 tới đầu điều khiển 8 qua một công tắc tắt mở bình thường. Lắp vỏ vào và đóng nguồn chính vào bộ biến tần. Đặt thông số P009 tới 002 hoặc 003 để cho tất cả các thông số có thể điều chỉnh được. Kiểm tra thông số P006 được đặt tới 000 để định rõ điểm đặt số (digital). Đặt thông số P007 tới 000 để định rõ đầu vào số (vd chọn cổng 8 - DIN1 trong trường hợp này) và làm bảng điều khiển mặt trước mất hiệu lực. Đặt thông số P005 tới điểm đặt tần số mong muốn. Kiểm tra các thông số P081 tới P085 và đảm bảo rằng chúng thích hợp với các yêu cầu nêu rõ trong bảng công suất trên động cơ. Bật công tắc đóng cắt giữa đầu 7 và đầu 8 lên ON (đưa tín hiệu điều khiển vào cổng 8). Bộ biến tần bây giờ sẽ điều khiển động cơ chạy ở tần số đã được đặt bởi thông số P005. d. Vận hành điều khiển tương tự: Để ghi cấu hình khởi động cơ bản sử dụng điều tương tự, ta tiến hành như sau: Nối đầu điều khiển 7 tới đầu điều khiển 8 qua một công tắc tắt mở bình thường. Nối một biến trở 4,7kW tới các đầu điều khiển, hoặc nối tín hiệu 0á10V đầu (+) nối vào chân 3, đầu (-) nối vào chân 2 và chân 4. Đặt SW1 vào vị trí đầu vào điện áp (V). Lắp vỏ vào và đóng nguồn chính vào bộ biến tần. Đặt thông số P009 tới 002 hoặc 003 để cho tất cả các thông số có thể điều chỉnh được. Kiểm tra thông số P006 được đặt tới 001 để định rõ điểm đặt tương tự (analog). Đặt thông số P007 tới 000 để định rõ đầu vào số (vd chọn cổng 8 - DIN1 trong trường hợp này) và làm bảng điều khiển mặt trước mất hiệu lực. Đặt thông số P021 và P022 để định rõ mức dặt tần số đầu ra cực đại và cực tiểu. Kiểm tra các thông số P081 tới P085 và đảm bảo rằng chúng thích hợp với các yêu cầu nêu rõ trong bảng công suất trên động cơ. Bật công tắc đóng cắt giữa đầu 7 và đầu 8 lên ON (đưa tín hiệu điều khiển vào cổng 8). Điều chỉnh điện áp của đầu điều khiển tương tự cho đến khi tần số mong muốn hiển thị trên bộ biến tần. Bộ biến tần bây giờ sẽ điều khiển động cơ chạy ở tần số đã được đặt bởi tín hiệu điều khiển analog. e. Điều khiển cục bộ và điều khiển từ xa: Bộ biến tần có thể được điều chỉnh cục bộ (mặc định) hoặc từ xa thông qua một đường cáp dữ liệu USS tới các cổng giao diện bên trong (chân 13 và 14) hoặc tới đầu nối kiểu chữ D_RS485 trên mặt bảng điều khiển mặt trước. Khi sử dụng điều khiển cục bộ, bộ biến tần chỉ có thể có thể được điều khiển thông qua bảng điều khiển mặt trước hoặc các đầu cuối điều khiển. Các lệnh điều khiển hoặc các thông số thay đổi nhận được từ giao diện RS485 không có hiệu lực. Đối với điều khiển từ xa, giao diện nối tiếp được thiết kế như một cáp điện đôi để truyền dữ liệu hai chiều. f. Dừng motor: Có thể dừng motor theo nhiều cách: - Huỷ bỏ lệnh ON hoặc ấn nút OFF trên tấm bảng mặt trước làm cho máy dừng làm cho máy dừng ở tỉ lệ lựa chọn. - Làm cho motor đứng lại từ từ. - Làm cho motor hãm nhanh. - Phanh hãm điện từ. - Hãm điện trở. g. Điều khiển mạch vòng kín: Các bộ biến tần của SIEMEN (MICRO MASTER và MIDI MASTER) đều cung cấp chức năng điều khiển mạch vòng kín PID (hình III.10). Xử lý V=0á10V I=0á20mA Mở=0á5V Đóng=0á20mA P201=002 P201=001 M D I P Cảm biến Điểm đặt P211, P212 Cân bằng P202 P203, P207 P204 Ngắt P002, P003 Mô tơ P208 Chọn đầu vào SW2 X2 X1 SW1 P206 P205 Mẫu Máy lọc + - Hình III.10 - Điều khiển mạch vòng kín. Mạch điều khiển mạch vòng kín rất lý tưởng trong điều khiển áp suất và nhiệt độ, hoặc các điều khiển khác nơi các thay đổi biến số điều khiển rất chậm hoặc nơi các nỗi nhất thời không được coi là quan trọng. Điều khiển mạch đóng không thích hợp cho sử dụng trong các hệ thống yêu cầu thời gian phản hồi nhanh. Khi chức năng điều khiển mạch đóng có tác dụng (P201=001 hoặc 002), tất cả các điểm đặt được xác định giữa 0 và 100% (Ví dụ: một điểm đặt 50.0=50%).Điều này cho phép ứng dụng vào các mục đích chung cho các quá trình được hoạt động bởi tốc độ động cơ (áp suất, nhiệt độ, lưu lượng,...) 5.2 Các thông số đặt: ở đây ta dùng đầu vào analog, hiển thị tần số của động cơ trên màn hiển thị của biến tần. Các thao tác để đặt thông số cho biến tần: Phím Thao tác Hiển thị P Vào thông số P000 Lựa chọn thông số cần thay đổi. P Chứng nhận bạn muốn thay đổi thông số này. Giá trị hiện tại được hiển thị. Sử dụng phím này để thay đổi giá trị yêu cầu. P Khẳng định giá trị muốn thay đổi. Thông số mới đặt sẽ được hiển thị lại. Sử dụng phím này để về thông số P000. Căn cứ vào yêu cầu của công nghệ, ta đặt các thông số như sau: (Những thông số không đặt ta để mặc định). a. Thông số P001: Có thể hiển thị các thông số đặt bởi giá trị P001: 0- Hiển thị tần số ra. 4- Mômen motor.(%). 1- hiển thị điểm đặt tần số. 5 - Tốc độ motor. 2- Dòng motor. 6- Trạng thái bus truyền thông. 3- Điện áp một chiều kết nối. 7 - Tín hiệu phản hồi PID.(%) 8- Điện áp ra (V). Ta chọn giá trị P001 = 0 (hiển thị tần số ra). b. Thông số P006: Lựa chọn cách thức đặt tần số. 0: Đặt theo dạng số. 1: Đặt theo dạng tương tự. (*) 2: Đặt tần số cố định hoặc dùng chiết áp. Ta chọn giá trị P006 = 1. c. Thông số P012: Đặt tần số cực tiểu cho motor. Dải tần số 0 - 150 Hz. Theo công nghệ đặt ra ta đặt thông số này là 35 Hz ( ~ 70% nđm). d. Thông số P013: Đặt tần số cực đại cho động cơ. Dải tần số 0 - 150 Hz. Ta đặt thông số này là 50Hz (ứng với tần số định mức ). e. Thông số P081: Dải tần số thông dụng: 0 - 150Hz. Ta đặt thông số này là 50Hz ( tức là giá trị mặc định ). f. Thông số P082: Dải tốc độ của động cơ: 0 - 9999 (vòng/ phút ). Giá trị đặt là 2900 (vòng/ phút) ứng với động cơ kéo bơm. g. Thông số P083: Dòng điện định mức của động cơ: 0.1 - 300 (A). Ta đặt giá trị là 75A ( dòng định mức của động cơ bơm ). h. Thông số P084: Điện áp định mức cấp cho động cơ: 0 - 1000V. Đặt giá trị của P084 = 380V. i. Thông số P085: Công suất định mức của động cơ: 0.12 - 250 KW. Đặt giá trị này bằng 42(KW). Chú ý: Các thông số P081 đến P085 là hết sức cần thiết và ta phải đặt các thông số này tuỳ theo thông số của động cơ mà ta cần sử dụng. j. Thông số P021: Tần số này tương ứng với giá trị đầu vào tương tự nhỏ nhất., giá trị đầu vào có thể là dòng hoặc áp tuỳ thuộc vào DIP Selector Switch. Giá trị này có thể đặt lớn hơn giá trị đặt trong P022 để tạo ra quan hệ giữa đầu vào tương tự và tần số đầu ra. Tần số này ta lựa chọn là: để giá trị mặc định. k. Thông số P022: Tần số tương ứng với giá trị đầu vào tương tự lớn nhất. Giá trị này có thể đặt thấp hơn giá trị đặt trong P021 để tạo quan hệ giữa đầu vào đặt và tần số ra. Đặt giá trị P022 = 50Hz tương ứng với giá trị đầu vào tương tự lớn nhất. Tần số P022 P022 V/I P021 P021 Hình III.11 Các quan hệ của đầu vào tương tự đặt với tần số ra. Với các thông số P021 và P022. l. Thông số P023: Thiết lập kiểu đầu vào Analog 1, tương ứng với đầu của PID switch. 0: 0 đến 10V/ 0 đến 20mA. 1: 2 đến 10V/ 4 đến 20mA. 2: 2 đến 10V/ 4 đến 20mA. Sử dụng với điều khiển start/ stop khi sử dụng đầu vào analog điều khiển. Ta đặt giá trị này bằng 1. ( Đầu vào dòng ). m. Thông số P025: Thông số này cung cấp tỷ lệ % của đầu ra analog 1. Từ đầu ra này ta có thể biết được các thông số như: tần số ra, tần số đặt, dòng điện động cơ, điện áp DC link, momen hoặc tốc độ động cơ. Ta chọn thông số này P025 = 105. Có thể biết được tốc độ thực của động cơ. Với đầu ra này đầu ra analog được giới hạn dưới là 4 mA. Thông số này chỉ dùng với động cơ trên 7.5 KW. n. Thông số P211: Giá trị của P211 được duy trì cho điểm đặt 0%. Ta đặt là 20, ứng với 4mA. o. Thông số P212: Giá trị của P212 được duy trì cho điểm đặt 100%. Ta đặt là 100 (~ 20mA). p. Thông số P220: Phương thức cho tần số cực tiểu. 0: hoạt động bình thường. 1: Tắt biến tần khi tần số nhỏ hơn hoặc bằng tần số cực tiểu. (*) Đặt giá trị của P220 = 1. q. Thông số P323: Đặt kiểu đầu vào tương tự cho Đầu vào analog 2. 0: 0V đến 10V/0 đến 20mA. 1: 2V đến 10V/4 mA đến 20mA. 2: 2V đến 10V/4 mA đến 20mA. Sử dụng với điều khiển start/ stop khi sử dụng đầu vào analog điều khiển. Đặt thông số này là 1. r. Thông số P201: Chế độ điều khiển vòng đóng có bộ điều chỉnh PID. 0: hoạt động bình thường. 1: điều khiển quá trình vòng đóng sử dụng đầu vào analog 2 như một đầu phản hồi. Ta đặt thông số P201 = 1. s. Các thông số P202, P203, P204: Các thông số này xác định các giá trị của bộ PID: hệ số khuếch đại, các hằng số vi phân và tích phân. Các thông số còn lại của bộ PID : hằng số tỷ lệ, tích phân, vi phân cần phải tính toán cụ thể đối với động cơ hiện có. ở đây ta dùng công cụ Matlab để có thể chọn thông số của bộ PID trong biến tần. Mục đích của việc sử dụng bộ PID trong biến tần là để ổn định lưu lượng đầu ra của đường ống chính. PID WBT WĐC WBơm (-) Q Qđ Hình III.12 Sơ đồ khối để xác định các thông số của bộ PID. Trong đó: PID - bộ điều chỉnh có sẵn trong biến tần. WBT - hàm truyền của biến tần ( có dạng khâu khuếch đại). WĐC - hàm truyền của động cơ. WBơm - hàm truyền của bơm. Ta phải xác định từng thông số của sơ đồ khối từ đó tìm ra các thông số của bộ PID. Rw Tr yrd' wr* isq m - w mT * Xác định hàm truyền của động cơ: Hình III.13 Mô hình động cơ có bộ điều chỉnh tốc độ dạng liên tục Theo mô hình trên ta có hàm truyền của động cơ không đồng bộ ba pha có dạng sau: WĐC = = (III-5) TM được xác định bởi: TM = (III-6) J- momen quán tính của động cơ ( ~ 0.25 kg.m2). Rr - điện trở rotor. - thành phần từ thông rotor theo trục thực. pc - số đôi cực. Rr = s.ZN (III-7) ZN = (III-8) PN = 3.Upha. Ipha. cosj (III-9) cosj = 0.85 (III-10) * Dòng stator định mức Isdm : Isdm= (III-11) * Dòng kích từ định mức Isddm : Isddm= (III-12) *Dòng tạo mô men định mức Isqdm . Isqdm= (III-13) *Tần số định mức của mạch rotor wrdm: wrdm=2P ( 50 - ) (III-14) *Hắng số thờ gian rotor Tr : Tr = (III-15) *Kháng phức tiêu tán toàn phần Xd : Xd=[sin(j) -cos(j) ] (III-16) *Điện kháng phức Xh : Xh=- Xd (III-17) *Điện trở stator Rs và điện trở rotor Rr: Rs = Rr = (III-18) *Hệ số tiêu tán tổng s : s = (III-19) *Điện cảm stator Ls : Ls = (III-20) *Hằng số thời gian Ts : Ts = (III-21) *Điện cảm rotor Lr : Lr = TrRr = Lm (III-22) * Tính toán thành phần d của vector từ thông rotor: = Lm. Isddm (III-23) Qua các công thức trên ta tính toán được: Với công suất động cơ 42KW, U = 380V và cosf = 0,85 ta có: TM = 0,0193. Vậy hàm truyền của động cơ có dạng: WĐC = * Hàm truyền của biến tần: Hàm truyền của biến tần có dạng một khâu khuếch đại. Hệ số khuếch đại là tỉ số giữa đầu ra tần số và đầu vào đặt (có thể là đầu analog). Ta chọn tần số 50Hz ứng với đầu đặt là 20mA. Như vậy hàm truyền của biến tần có dạng như sau: WBT(p) = 50/20 = 2,5 * Hàm truyền của bơm: Việc xác định hàm truyền của bơm khá phức tạp, theo kinh nghiệm thì hàm truyền của bơm có dạng khâu quán tính: Q Qmax 0 n nđm Hình III.14 - Đặc tính Q(n). Wbơm(p) = Ta chọn hệ số k = = = 0.062 ( tuyến tính hoá ), hằng số thời gian Tb = 1(s) với bơm có động cơ truyền động là 42KW, loại bơm chìm của Đức. Vậy hàm truyền của bơm có dạng: Wbơm(p) = Sử dụng Matlab để tính toán thông số của bộ PID trong biến tần: Ta có sơ đồ khối sau đây: Hình III.15 Sơ đồ khối xác định các hệ số PID. Sơ đồ khối này được xây dựng trong chương trình mô phỏng Simulink của Matlab. Sau khi chọn các hệ số của bộ PID và cho chạy mô phỏng, ta có đồ thị về lưu lượng như sau: Hình III.16 Đồ thị mô phỏng quá trình ổn định lưu lượng. Hình III.17 Các thông số của bộ PID chọn được. Ta chọn các thông số của bộ PID là : K = 10, Ti = 1, Td = 4 Các thông số này đảm bảo lưu lượng đầu ra ổn định là 150( m3/ h). Như vậy ta chọn thông số của bộ PID đặt trong biến tần như sau: P202 = 10 - Hệ số khuếch đại. P203 = 1 - Hằng số thời gian tích phân. P204 = 4 - Hằng số thời gian vi phân. Một số thông số bảo vệ: - Thông số giới hạn dòng motor: P086 ta đặt là120%. - Bảo vệ quá nhiệt: dùng thông số mặc định là 1 đối với động cơ có 1 đôi cực. Giá trị P076 = 1. Chú ý: Các thông số không đặt thì ta đều để ở giá trị mặc định. chương iv: Giới thiệu chung về PLC. Chương trình phần mềm PLC CQM1H. I.Giới thiệu chung về PLC: 1. Xuất xứ: PC hay PLC là những từ viết tắt của: - Programmable controller - PC (hay được sử dụng ở Anh - Nhật). - Programmable logic controller - PLC (ở Mỹ). - Programmable Binary System - PBS.( Thuỵ Điển ). Chúng được gọi là các bộ điều khiển khả trình hoặc các bộ điều khiển theo chương trình. Lúc đầu các bộ điều khiển này chỉ cung cấp các chức năng thuần, đơn giản, dung lượng nhỏ; thực hiện được các mạch công nghệ tương đương các mạch điều khiển công nghệ khác như: mạch rơle, mạch điều khiển số...không thực hiện được công nghệ của mạch điều khiển phức tạp, các mạch điều khiển chất lượng như các hệ truyền động PI, PID... Ngày nay các bộ điều khiển đã hoàn chỉnh và thực hiện được nhiều chức năng, công nghệ phức tạp, các bộ điều khiển vòng đóng như: PI, PID... các bộ điều khiển thông minh vì vậy hai tên phía dưới không còn phù hợp nữa. Tuy nhiên để khỏi lẫn với máy tính PC thì ta thường dùng tên gọi là PLC. - PLC được chế tạo thành công đầu tiên năm 1968 do một nhóm kỹ sư thuộc hãng General Motors ( Mỹ ), đến năm 1969 thì được ứng dụng vào công nghệ sản xuất ôtô. - PLC vào Việt nam những năm 1994 - 1995. - PLC là một bộ Vi xử lý hoàn chỉnh ( còn gọi là máy tính công nghiệp ). Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại PLC của các hãng nổi tiếng khác nhau: SIEMENS, Mishubitsi, OMRON, ABB,... chúng có cấu trúc cơ bản giống nhau về phần cứng, tuy nhiên các hãng khác nhau thì khác nhau về ngôn ngữ lập trình, đây là một nhược điểm chính đối với người sử dụng. Hiện nay người ta đang cố gắng chuẩn hoá các ngôn ngữ để tạo ra một ngôn ngữ chung, thống nhất cho các loại PLC. 2. Các ưu nhược điểm khi dùng PLC: Người ta đã tổng kết được bảng so sánh giữa các hệ khác nhau khi sử dụng thực hiện một công nghệ nào đó. Chỉ tiêu so sánh Hệ điều khiển rơle Mạch số Máy tính PLC Giá thành từng hệ Khá thấp Thấp Cao Thấp Kích thước Lớn Rất gọn Gọn Rất gọn Chế độ điều khiển Chậm Rất nhanh Khá nhanh Nhanh Khả năng chống nhiễu Xuất sắc Tốt Khá tốt Tốt Lắp đặt Mất nhiều thời gian thiết kế và lắp ráp Mất nhiều thời gian thiết kế,lắp ráp Mất thời gian thiết kế và lập trình Thời gian lập trình và thiết kế rất ít Khả năng điều khiển cá công nghệ phức tạp Không Có Có Có Thay đổi và hiệu chỉnh Rất khó Khó Khá đơn giản Rất đơn giản Công tác bảo trì Kém vì hệ thống có nhiều tiếp điểm dễ hỏng. Kém vì các IC hàn cứng. Kém vì có nhiều mạch phụ trợ. Tốt vì có các modun chuẩn hoá Bảng IV.1 Bảng so sánh giữa PLC và các thiết bị khác. Từ bảng trên ta thấy PLC có rất nhiều ưu điểm so với các hệ khác . Do đó ngày nay PLC ngày càng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp đặc biệt là ở các nước phát triển. Các lợi thế của PLC trong tự động hoá: - Thời gian lắp đặt công trình ngắn hơn. - Dễ dàng thay đổi mà không gây tổn thất tài chính. - Có thể tính toán được chính xác giá thành. - Cần ít thời gian hướng dẫn cho người sử dụng. - Dễ dàng thay đôỉ thiết kế nhờ phần mềm. - ứng dụng điều khiển trong phạm vi rộng. - Dễ bảo trì, các chỉ thị vào và ra giúp xử lý sự cố dễ dàng và nhanh hơn. - Độ tin cậy cao. - Chuẩn hoá được phần cứng điều khiển. - Thích ứng trong môi trường khắc nghiệt: nhiệt độ, độ ẩm, điện áp dao động, tiếng ồn... Nhược điểm: - Giá thành cao khi dùng để điều khiển các công nghệ không phức tạp. - Ngôn ngữ của PLC có nhiều giới hạn, vì vậy rất khó khăn cho người sử dụng. 3. Cấu trúc chung cuả PLC: Khối nguồn CPU Khối vào Khối ra Khối ngoại vi Hình IV.1 Cấu trúc chung của PLC. - Khối nguồn: có nguồn xoay chiều, một chiều, tuỳ thuộc vào từng hãng chế tạo cung cấp nguồn cho PLC hoạt động. - CPU: là bộ phận chính của PLC, có cấu tạo như CPU trong máy tính gồm có bộ vi xử lý, ROM, RAM, các thanh ghi. + Bộ vi xử lý: có loại 8 bit, 16 bit, 32 bit. Thường dùng loại16 bit, 8 bit thường dùng trong các PLC cỡ nhỏ. Bộ vi xử lý có chức năng điều hành các hoạt động cảu PLC. + ROM: bộ nhớ chỉ đọc. Chương trình trong ROM được ghi bởi nhà sản xuất ra nó, người sử dụng không tác động gì vào phần này. + RAM: bộ nhớ động dùng để ghi chương trình công nghệ của một quá trình sản xuất nào đó, có thể xoá đi và ghi lại được. + Ngoài ra còn có các thanh ghi là nơi lưu giữ các kết quả tính toán, các kết quả trung gian của quá trình điều khiển... - Khối vào / ra: Liên hệ giữa người - máy. Nhận tín hiệu điều khiển và phát lệnh điều khiển các thiết bị chấp hành. Số đầu vào / ra của từng loại PLC là khác nhau. * Mạch đầu vào: Là các mạch điện tử làm nhiệm vụ phối ghép chuyển đổi giữa tín hiệu điện đầu vào (Input) và tín hiệu số sử dụng bên trong PLC. Kết quả của việc xử lý sẽ được lưu ở vùng nhớ Input Area. Mạch đầu vào được cách ly về điện với các mạch trong của PLC nhờ các điốt quan._.