Ngày nay ở các nhà máy và xí nghiệp công nghiệp hệ thống khí nén được xem như là hệ thống rất quan trọng và không thể thiếu đối với môi trường công nghiệp. Trên thực tế có khoảng 80% các nhà máy sản xuất hoạt động cần đến nguồn năng lượng từ khí nén. Với những ưu điểm của khí nén như là việc truyền tải đi xa, tổn thất nhỏ, không gây ô nhiễm môi trường,…Chính vì ưu điểm đó mà ứng dụng của nó trong ngành công nghiêp tỏ ra rất hiệu quả và đạt lợi nhuận caoDo đó, tôi được giao đề tài: “ Thiết kế điều khiển cho trạm khí nén có nhiều máy nén ” để hiểu rõ hơn về nguyên lý điều khiển và hoạt động của hệ thống khí nén đảm bảo cho hệ thống được vận hành một cách tối ưu và an toàn Thiết kế điều khiển cho trạm khí nén có nhiều máy nén
KHÁI QUÁT CHUNG VỀ TRẠM KHÍ NÉN CÓ NHIỀU MÁY NÉN
Khái quát chung về trạm khí nén có nhiều máy nén
1.1.1 Thành phần cơ bản trong trạm khí nén có nhiều máy nén
Máy nén khí là bộ phận quan trọng nhất trong hệ thống khí nén, có chức năng nén khí ở nhiệt độ và áp suất cao để cung cấp khí nén cho việc vận hành hệ thống Tùy thuộc vào tính năng và mục đích sử dụng, có nhiều loại máy nén khác nhau như máy nén pittong, máy nén cánh gạt, máy nén trục vít và máy nén li tâm.
Ống dẫn khí là bộ phận quan trọng trong hệ thống khí nén, có chức năng chứa và truyền tải khí nén áp suất cao từ máy nén khí đến bình tích khí và các thiết bị tiêu thụ Thành phần của ống dẫn khí thường là các đường ống kẽm hoặc nhựa chịu lực, và được chia thành hai loại: ống dẫn khí cứng và ống dẫn khí mềm.
Bình trích chứa có vai trò quan trọng trong việc tích trữ và cân bằng áp suất, cung cấp khí nén ổn định cho hệ thống, từ đó duy trì áp suất và đảm bảo hiệu quả vận hành của toàn bộ hệ thống Điều này không chỉ giúp tăng tuổi thọ cho máy nén khí mà còn bao gồm chức năng lọc tách nước, giúp loại bỏ nước trong khí nén trước khi cung cấp cho các thiết bị tiêu thụ.
Hệ thống làm mát nước và hệ thống dầu bồi trơn giúp cho máy nén khí làm việc một cách ổn định và hiệu quả
Van là thiết bị quan trọng giúp đóng mở, cung cấp và phân chia lượng khí nén, đồng thời điều chỉnh áp lực khí để đáp ứng yêu cầu làm việc của các thiết bị và cơ cấu chấp hành.
Cảm biến là thiết bị quan trọng dùng để đo đạc các thông số cần thiết của hệ thống, sau đó gửi dữ liệu đến bộ điều khiển Điều này giúp hệ thống tự động điều chỉnh một cách chính xác và đáp ứng đúng yêu cầu cùng thông số mà người điều khiển đã thiết lập trước đó.
1.1.2 Các yêu cầu kỹ thuật điều khiển của trạm khí nén có nhiều máy nén
Máy nén khí với năng suất thấp thường sử dụng động cơ không đồng bộ, có thể khởi động trực tiếp với lưới điện khỏe và động cơ rotor lồng sóc Trong khi đó, máy nén khí có năng suất lớn hơn thì nên sử dụng động cơ đồng bộ, mang lại lợi ích kinh tế hơn trong quá trình vận hành.
Khi vận hành trạm khí nén với nhiều máy nén hoạt động song song, cần khởi động từng máy một cách tuần tự và có thời gian trễ giữa các lần khởi động Việc này giúp đảm bảo an toàn và hiệu suất hoạt động của hệ thống.
Trong quá trình vận hành trạm khí nén với nhiều máy nén khí, hệ thống điều khiển cần duy trì ổn định các thông số như mức, nhiệt độ và áp suất của dầu bôi trơn và nước làm mát để đảm bảo máy nén hoạt động hiệu quả và bền bỉ Hệ thống cũng cần tích hợp các thiết bị bảo vệ tự động nhằm nâng cao độ an toàn và tin cậy trước các sự cố điện.
Khí nén được tạo ra phải đáp ứng đủ các yêu cầu về độ sạch, nhiệt độ, độ ẩm và áp suất
Thiết bị phân phối khí nén cần đảm bảo cung cấp đầy đủ áp suất, lưu lượng và chất lượng khí nén cho các thiết bị tiêu thụ Hệ thống này yêu cầu tổn thất áp suất không vượt quá 1 bar để hoạt động hiệu quả.
Xây dựng sơ đồ P&ID cho trạm khí nén có nhiều máy nén
1.2.1 Sơ đồ P&ID cho trạm khí nén có nhiều máy nén
1.2.2 Các ký hiệu được sử dụng trong bản vẽ
Bảng 1 1: Kí hiệu các phần tử trong trạm khí nén có nhiều máy nén
1.2.3 Thuyết minh hoạt động của sơ đồ P&ID
Trạm khí nén bao gồm nhiều máy nén khí, có chức năng cung cấp và duy trì lượng khí nén ổn định cho bình tích khí, từ đó phân phối đến các thiết bị tiêu thụ khí nén.
Trạm khí nén sử dụng 4 máy nén khí Khi một máy bị gặp sự cố thì các máy còn lại sẽ thay thế nhiệm vụ của máy đó
Khi áp suất bình tích khí giảm còn 0.4Pđm thì tất cả máy nén hoạt động
Dầu bôi trơn và nước làm mát được bơm tuần hoàn từ các - te chứa dầu và hệ thống làm mát vào máy nén, sau đó chảy ngược lại về các bể Quá trình này giúp duy trì và bảo vệ máy nén, ngăn ngừa các sự cố hỏng hóc trong suốt quá trình hoạt động.
2 Các cảm biến điều khiển cho trạm khí nén
Cảm biến Đ1.1, Đ1.2, Đ1.3, Đ1.4: Dùng để đo nhiệt độ nước làm mát khi ra khỏi máy nén
Cảm biến Đ4.1, Đ4.2, Đ4.3, Đ4.4: Dùng để đo áp suất nước làm mát bơm vào máy nén
Cảm biến Đ2.1, Đ2.2, Đ2.3, Đ2.4: Dùng để đo áp suất dầu bôi trơn bơm vào máy nén
Cảm biến Đ3.1, Đ3.2, Đ3.3, Đ3.4: Dùng để đo áp suất đầu đẩy của máy nén Cảm biến Đ5: Đo mức dầu trong bể dầu
Cảm biến Đ7: Đo áp suất bình tích khí
LỰA CHỌN THIẾT BỊ CHO TRẠM KHÍ NÉN CÓ NHIỀU MÁY NÉN
Lựa chọn thiết bị động lực cho trạm khí nén có nhiều máy nén
2.1.1 Lựa chọn bơm và máy nén khí
1 Lựa chọn máy nén khí
Ta lựa chọn Nén khí Pegasus
Hình 2 1: Máy nén khí Pegasus Thông số kĩ thuật:
- Loại máy : Máy nén khí dây đai
- Dung tích bình chứa(Lít): 330L
Ta lựa chọn máy bơmPentax CMT314 - 3hp
Hình 2 2: Máy bơm Pentax CMT314-3hp Thông số kĩ thuật:
- Chủng loại : Bơm Ly Tâm
1 Van bướm điều khiển điện DN40
Hình 2 3: Van bướm điện DN40 Thông số kỹ thuật
- Môi trường : Nước, khí, chất lỏng, gas
- Tiêu chuẩn chống thấm : IP67
- Kết nối : Dạng Wafer kẹp bích
- Kiểu hoạt động : ON/OFF, Tuyến Tính
Hình 2 4: Sơ đồ đấu nối van
2 Van bướm tay gạt thân gang đĩa inox
Hình 2 5: Van bướm tay gạt thân gang đĩa inox Thông số kĩ thuật
- Kích thước: DN50-DN300 mm
- Áp suất làm việc: 10, 16 kgf/cm2
Hình 2 6: Van một chiều khí nén Kitz
- Loại van Van một chiều lá lật
- Chất liệu thân: Đồng (Van một chiều bằng đồng)
- Loại kết nối: Lắp ren
2.1.3 Lựa chọn các khí cụ điện
Ta chọn Contactor LS MC-32a 15kW 2NO+2NC Coil 220V Thông số kĩ thuật:
- Tiếp điểm phụ: 2NC, 2NO
- Xuất xứ: LS Hàn Quốc
Hình 2 7: Contactor LS MC-32a 15kW
Hình 2 8: Thông số Contactor LS MC - 32a 15kW
Hình 2 9: Sơ đồ chân Contactor
Ta lựa chọn Aptomat LS MCCB 3P 150A 30kA
- Dòng cắt ngắn mạch: 30kA
- Chức năng: Dùng để kiểm soát, bảo vệ quá tải và ngắn mạch
Hình 2 11: Thông số Aptomat ABN203c 150A
3 Relay bảo vệ mất pha
Ta lựa chọn rơ le bảo vệ mất pha Schneider PMR-440N7
Hình 2 12: Relay PMR - 440N7 Thông số kỹ thuật:
- Bảo vệ mất pha, mất cân bằng pha, ngược pha
- Hiển thị trạng thái bằng LED
Hình 2 13: Sơ đồ mạch điện PMR - 44
Ta lựa chọn Rơ le nhiệt LS MT-32
Hình 2 14: Rơ le nhiệt LS MT-32 Thông số kĩ thuật:
- Chức năng: Bảo vệ quá tải cho động cơ
Hình 2 15: Rơ le nhiệt LS MT-32
Ta chọn loại cầu chì DF103
Hình 2 16: Cầu chì DF103 Thông số kĩ thuật:
Hình 2 17: Sơ đồ chân cầu chì DF103
Ta lựa chọn Biến áp cách ly 380V ra 220V 220VA (1A)
Hình 2 18: Biến áp cách ly 380V ra 220V 220VA (1A) Thông số kĩ thuật:
- Loại: Biến áp cách ly- Dây đồng 100%
Hình 2 19: Sơ đồ biến áp cách ly
7 Bộ chuyển đổi nguồn xoay chiều sang 1 chiều
Ta lựa chọn bộ chuyển đổi nguồn 220Vac sang 24Vdc hãng Seneca – Italy
Hình 2 20: Bộ chuyển đổi nguồn 220VAC sang 24VDC
- Tín hiệu ngõ vào : 100 265Vac / 110…315Vdc
- Tín hiệu ngõ ra : 3 kênh 24Vdc, max 1.5A
- Cách ly bảo vệ : 3 KVac/60s
- Nhiệt độ làm việc : -20…+70 oC
- Chỉ số bảo vệ : IP20
Hình 2 21: Sơ đồ chân bộ biến đổi
Lựa chọn thiết bị điều khiển cho trạm khí nén có nhiều máy nén
Hình 2 22: Rơ le trung gian CHINT JZX-22F 2Z
- Điện thế ngắt mạch tối đa VAC 250, VDC 125
- Có các loại đế cắm khác nhau
- Đầy đủ các cuộn dây AC và DC
Hình 2 23: Sơ đồ chân rơ le trung gian
2.2.2 Relay trung gian Ecnko Hh64p 24vdc
Hình 2 24: Rơ le trung gian Ecnko Hh64p
- Điện áp cuộn hút (điện áp làm việc): 24VDC
- Dòng cuộn hút tiêu thụ: 0.08A
- Số cặp tiếp điểm: 4 cặp NC (thường đóng), 4 CẶP NO (thường mở)
- Số lần đóng cắt: 100.000 lần
- Có đèn báo đóng ngắt trên mỗi Relay
Hình 2 25: Sơ đồ đấu nối
Hình 2 26: SIMATIC S7-300 CPU 312 Thông số kĩ thuật:
- Bộ nhớ làm việc: 32KB
- Tốc độ xử lý: 0.1us
2 Module nguồn PS 305 24-110VDC 24VDC/2A 6ES7305-1BA80-0AA0
Hình 2 28: Sơ đồ chân PS PLC s7-300
3 Digital input module SM 321; DI 64 x DC 24 V; (6ES7321-1BL00- 0AA0)
Hình 2 29: Module SM321 6ES7321-1BP00-0AA0
- Đầu vào kỹ thuật số: SM 321, 64DI
4 Digital output module SM 322; DO 32 x DC 24 V/ 0.5 A; (6ES7322- 1BL00-0AA0)
Hình 2 31: Module SM 322 6ES7322-1BL00-0AA0 Thông số kĩ thuật:
- Điện áp tải định mức: 24VDC
- Module có 32 đầu ra được cách ly về điện
Hình 2 32: Sơ đồ chân PLC
2.3 Lựa chọn các sensor cho trạm khí nén có nhiều máy nén
Hình 2 33: Pt100 TS1PL3B8250GD-AB
Loại cảm biến : RTD / Pt100 – 3 dây
Đường kính đầu dò : 8mm
Thang đo nhiệt độ : -80….+600oC
Hình 2 34: Sơ đồ đấu nối cảm biến
Ta lựa chọn Công tắc áp suất Autosigma HS 203
Hình 2 35: Công tắc áp suất Autosigma HS 203 Thông số kĩ thuật:
Áp suất làm việc: 0 đến 3 bar
Loại reset: Auto(Công tắc áp suất đơn)
Loại công tắc: ON/OF, SPDT
Nhiệt độ làm việc: -10 đến 120 độ C
Hình 2 36: Sơ đồ chân công tắc áp suất Autosigma HS 203
Hình 2 37: Rơ le mực nước FS-3 Thông số kĩ thuật:
- Ngõ ra : Relay 250 V a.c 5 A (tải thuần trở)
- Nhiệt độ môi trường : -10 ~ 50 ˚C (không ngưng tụ)
Hình 2 38: Sơ đồ đấu nối
XÂY DỰNG MẠCH ĐỘNG LỰC, MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO TRẠM KHÍ NÉN CÓ NHIỀU MÁY NÉN
Xây dựng mạch động lực cho trạm khí nén có nhiều máy nén
3.1.1 Thiết kế mạch cấp nguồn động lực
Chúng tôi sử dụng nguồn ba pha 380V – 50Hz từ lưới điện để cấp điện cho hệ thống Nguồn điện sẽ được dẫn qua cầu đấu dây JB1 và qua cầu dao tự động 1MCB (01 -2A) trước khi đến bản vẽ.
Nguồn ba pha sẽ được kiểm tra thứ tự pha thông qua rơle bảo vệ pha PMR44 (01 – 3B) Chỉ khi đủ điều kiện, rơle này mới cho phép đóng tiếp điểm MC (02 – 3A) để cấp nguồn cho mạch động lực phía sau.
Nguồn sẽ được kiểm tra thông qua biến dòng CT0x2 và biến áp đo lường PT1B Hai thiết bị này được bảo vệ bằng cầu chì F – 5A, và biến áp đo lường còn được kết nối với đèn nguồn WL1 để đảm bảo an toàn và hiệu quả hoạt động.
Nguồn điện được dẫn từ đường lưới chính qua cầu dao tự động 2MCB (02 – 2B) đến máy biến áp 1TR (02 – 2C), với mục đích biến đổi điện áp từ 380V xuống 220V Sau khi qua cầu dao tự động 3MCB, nguồn điện sẽ được sử dụng cho các thiết bị cần thiết.
Hệ thống 02 – 2D) được thiết kế với hai đường cấp nguồn Một đường cung cấp nguồn điều khiển 220V cho toàn bộ hệ thống, trong khi đường còn lại đi qua cầu dao tự động 4MCB (02 – 4E) để đến bộ biến đổi 220VAC/24VDC, từ đó cung cấp nguồn điều khiển cho PLC.
3.1.2 Thiết kế mạch động lực
Bản vẽ 03 mô tả hệ thống cấp nguồn ba pha 380V – 50HZ, chia thành 4 đường cung cấp động lực cho động cơ máy nén Các đường này đi qua các cầu dao tự động (5MCB, 6MCB, 7MCB, 8MCB) và tiếp điểm chính của Contactor (1MC1, 2MC1, 3MC1, 4MC1) Sau khi được bảo vệ bởi rơ le nhiệt chống quá tải (RT1, RT2, RT3, RT4), nguồn điện sẽ cấp cho các động cơ máy nén (M1, M2, M3, M4).
Động cơ máy nén được khởi động theo phương pháp sao tam giác Đối với động cơ M1, ban đầu, cần đóng tiếp điểm 1MC3 (03 – 1E) để động cơ hoạt động ở chế độ sao Sau một khoảng thời gian nhất định, tiếp điểm 1MC2 (03 – 2D) sẽ được đóng và tiếp điểm 1MC3 (03 – 1E) sẽ được mở, lúc này động cơ sẽ chuyển sang trạng thái làm việc ổn định.
Các động cơ máy nén M2, M3, M4 khởi động tương tự như động cơ M1
Tại bản vẽ 04, nguồn từ bản vẽ 03 tiếp tục được chia làm 4 đường cấp cho
2 động cơ bơm dầu bôi trơn và 2 động cơ bơm nước làm mát 4 đường này sẽ lần lượt qua các cầu dạo tự động: : 9MCB (04 – 2B), 10MCB (04 – 3B), 11MCB
Các tiếp điểm chính của Contactor bao gồm 5MC (04 – 2B), 6MC (04 – 3B), 7MC (04 – 5B), và 8MC1 (04 – 7B), được kết nối với 12MCB (03 – 7B) và 04 – 5B Sau khi đi qua Rơ le nhiệt bảo vệ quá tải động cơ RT5 (04 – 2C), RT6 (04 – 3C), RT7 (04 – 5C), và RT8 (04 – 7C), nguồn điện sẽ được cấp cho động cơ bơm nước làm mát M5 (04 – 1E) và M6.
(04 – 3E) và động cơ bơm dầu bôi trơn M7 (04 – 5E), M8 (04 – 7E)
Các động cơ bơm dầu bôi trơn và bơm nước làm mát do công suất nhỏ lên ta khởi động trực tiếp
Xây dựng mạch điều khiển cho trạm khí nén có nhiều máy nén
3.2.1 Thiết kế mạch rơ le trung gian
Nguồn 1 pha 220V – 50Hz được lấy từ bản vẽ (02 – 2F) cấp nguồn cho mạch điều khiển
Mạch cấp điện cho cuộn hút MC (05 – 2D) được kích hoạt khi rơ le PMR44 (01 – 3B) đóng lại, đảm bảo đủ điều kiện về pha tiếp điểm Khi nhấn nút Start, nguồn điện được cung cấp cho cuộn hút MC (05 – 2D), dẫn đến việc đóng tiếp điểm MC (02 – 3A) và cấp nguồn cho mạch động lực phía sau.
Nguồn điều khiển cung cấp điện cho các cuộn hút của contactor thông qua các tiếp điểm thường mở của rơ le trung gian Khi nhận tín hiệu từ PLC, các tiếp điểm này sẽ đóng lại, cấp điện cho cuộn hút contactor, từ đó đóng các tiếp điểm chính và điều khiển động cơ hoạt động.
Nguồn điện 24VDC từ bản vẽ (02 – 4F) được cấp qua các tiếp điểm thường mở để kích hoạt cuộn hút của rơ le trung gian Khi cảm biến hoạt động, tiếp điểm sẽ đóng lại, cung cấp điện cho cuộn hút, từ đó làm thay đổi trạng thái của các tiếp điểm phụ.
Các tiếp điểm phụ của rơ le trung gian này sẽ được đưa đến PLC và tủ điện động lực
3.2.2 Thiết kế mạch ghép nối PLC
Nguồn điều khiển 24VDC được lấy từ bản vẽ (02 – 4F) để cấp nguồn cho PLC Đầu vào của PLC được kết nối lần lượt với các công tắc chuyển mạch, nút khởi động, nút dừng, tiếp điểm rơ le trung gian và cảm biến, cũng như các tiếp điểm của rơ le nhiệt Các thiết bị này được nối từ chân có địa chỉ I0.0 đến I3.7.
Các chân 17, 18, 35, 36, 55, 56 của PLC được nối với nguồn âm
Nguồn điều khiển 24VDC được lấy từ bản vẽ (02 – 4F) để cấp nguồn cho PLC Đầu ra của PLC được kết nối với cuộn hút của các rơ le trung gian, điều khiển việc đóng cắt Contactor từ chân Q4.0 đến Q5.7 Khi PLC nhận tín hiệu điều khiển, nó sẽ cung cấp điện áp cho cuộn hút của các rơ le, từ đó thay đổi trạng thái tiếp điểm phụ và cấp điện cho cuộn hút Contactor.
Các chân 20 và chân 10 đầu ra của PLC được nối với nguồn âm Còn các chân số 1 và chân số 11 đầu ra PLC đấu với nguồn dương
3.2.3 Thiết kế tủ điện điều khiển cho trạm khí nén có nhiều máy nén
Mặt tủ điện gồm 4 đèn báo nguồn cho 4 máy nén khí, 2 đèn báo nguồn cho 2 bơm dầu và 2 đèn báo nguồn cho bơm nước làm mát
Tủ còn có các nút ấn Start, Stop, và công tác chuyển mạch
3.3 Xây dựng chương trình điều khiển
3.3.1 Xây dựng lưu đồ thuật toán
Chương trình điều khiển được xây dựng dựa trên các yêu cầu sau:
Các động cơ khi khởi động hoặc dừng một cách tuần tự cách nhau khoảng 20s
Khi hệ thống găp sự cố sẽ dừng hoạt động ngay lập tức tránh gây cháy nổ hỏng hóc cho thiết bị
Trước khi khởi động các máy nén cần được bơm dầu và nước làm mát
Hình 3 22: Sơ đồ thuật toán trạm khí nén có nhiều máy nén khí
3.3.2 Xây dựng chương trình điều khiển
Hình 3 23: Cấu trúc trạm PLC
2 Khai báo các tín hiệu vào ra
Hình 3 24: Khai báo các biến vào ra
Hình 3 25: Khai báo các biến vào rồi
Đầu tiên, hãy chọn chế độ Auto và nhấn Start để khởi động hệ thống Sau đó, khởi động máy bơm dầu trước, và sau 10 giây, khởi động máy bơm nước Việc này giúp đảm bảo rằng các máy nén hoạt động một cách trơn tru và ổn định.
Và khi bơm dầu 1 và bơm nước 1 bị hòng thì hệ thống tự động điều chỉnh sang bơm phụ nhằm đảm bảo hệ thống không bị gián đoạn
Máy nén được khởi động theo phương pháp sao-tam giác, bắt đầu với chế độ đấu sao và sau 5 giây sẽ chuyển sang đấu tam giác Quá trình khởi động các máy nén diễn ra tuần tự, với thời gian trễ 10 giây giữa mỗi máy.
Máy nén được lập trình sao cho khi gặp sự cố sẽ tự động ngắt máy ra khỏi hệ thống
Máy nén hoạt động dựa trên 3 mức khí nén
Với mức 0.8Pdm: Máy nén 1 và 2 hoạt động
Với mức 0.6Pdm: Máy nén 1,2 và 3 hoạt động
Với mức 0.4 Pđm các máy nén hoạt động
Khi tắt hệ thống ta bấm nút Stop Hệ thống sẽ được tắt lần lượt một cách tuần tự với thời gian trễ là 10s