QUY TRÌNH SẢN XUẤT CỦA NHÀ MÁY NƯỚC
TỔNG QUAN QUY TRÌNH SẢN XUẤT CỦA NHÀ MÁY NƯỚC
Hiện nay, nhiều nhà máy nước đang áp dụng các bước cơ bản để xử lý nước ngầm và nước bề mặt nhằm cung cấp nguồn nước sinh hoạt cho cư dân Tuy nhiên, chất lượng nước sau xử lý vẫn thường bị ô nhiễm bởi kim loại nặng và asen Sự ô nhiễm ngày càng nghiêm trọng của các nguồn nước này đòi hỏi quy trình xử lý nước cấp phải có nhiều công đoạn hơn và đạt hiệu quả tốt hơn so với công nghệ hiện tại.
QUY TRÌNH SẢN XUẤT CỦA NHÀ MÁY NƯỚC
Hình 1.2:Quy trình sản xuất của nhà máy nước
1.2.1 Hồ chứa và lắng sơ bộ:
Tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tự làm sạch bằng cách lắng cặn lơ lửng, giảm vi trùng trong môi trường, thực hiện các phản ứng oxy hóa nhờ oxy hòa tan trong nước, và điều hòa lưu lượng giữa dòng chảy từ nguồn vào và lưu lượng tiêu thụ do trạm bơm nước thô cung cấp cho nhà máy xử lý nước.
1.2.2 Song chắn và lưới chắn rác:
Việc loại trừ các vật trôi nổi và lơ lửng trong nước là rất quan trọng để bảo vệ thiết bị và nâng cao hiệu quả làm sạch trong các công trình xử lý Những vật thể này, dù nhỏ như que tăm, có thể gây hại khi đi qua máy bơm và ảnh hưởng đến quá trình xử lý nước.
6 trình xử lý có thể bị tán nhỏ hoặc thôi rữa làm tăng độ màu, hàm lượng cặn của nước
1.2.3 Bể lắng cát: Ở các nguồn nước mặt có độ đục lớn (>250 mg/L) sau lưới chắn rác, các hạt cặn lơ lửng vô cơ, có kích thước nhỏ, tỷ trọng lớn hơn nước, cứng, có khả năng lắng nhanh được giữ lại ở bể lắng cát
Để ngăn ngừa hiện tượng bào mòn các cơ cấu chuyển động cơ khí và giảm lượng cặn nặng trong bể tạo bông và bể lắng, cần tạo điều kiện tối ưu cho việc lắng đọng các hạt có kích thước từ 0,2 mm trở lên và tỷ trọng từ 2,6 trở lên.
1.2.4 Xử lý nước tại nguồn bằng hóa chất: Để hạn chế sự phát triển của rong rêu tảo và vi sinh vật nước, loại trừ màu, mùi, vị do xác vsv chết gây ra Hóa chất thường được sử dụng là: CuSO4, liều lượng 0,12 ÷ 0,3 mg/l liều lượng và quãng thời gian giữa 2 lần xử lý phụ thuộc vào thành phần nước thô cũng như nồng độ loại vsv và rêu tảo, nhiệt độ, độ kiềm và hàm lượng CO2
Hòa tan oxy từ không khí vào nước giúp oxy hóa sắt hóa trị II và mangan hóa trị II thành sắt III và mangan IV, tạo ra các hợp chất hydroxit Fe(OH)3 và Mn(OH)4 Các hợp chất này dễ lắng đọng, cho phép loại bỏ chúng khỏi nước thông qua quá trình lắng và lọc hiệu quả.
Khử CO2 và H2S trong nước giúp tăng pH, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình oxy hóa thủy phân sắt và mangan Điều này không chỉ nâng cao hiệu suất của các công trình lắng mà còn cải thiện quá trình lọc trong xử lý sắt và mangan.
Quá trình làm thoáng hàm giúp tăng cường hàm lượng oxy hòa tan trong nước, từ đó nâng cao khả năng oxy hóa khử Điều này hỗ trợ hiệu quả cho các quá trình oxy hóa các chất hữu cơ, góp phần khử mùi và màu của nước.
Có 2 phương pháp làm thoáng là: đưa nước vào không khí và đưa khí vào nước (chủ yếu là đưa nước vào không khí)
Hiệu quả của quá trình làm thoáng phụ thuộc vào:
Chênh lệch nồng độ của khí cần trao đổi trong 2 pha khí và nước
Diện tích tiếp xúc giữa 2 pha khí và nước, diện tích tiếp xúc càng lớn thì quá trình trao đổi khí diễn ra càng nhanh
Thời gian tiếp xúc giữa 2 pha khí và nước trong công trình, thời gian tiếp xúc càng lớn mức độ trao đổi càng triệt để
Nhiệt độ môi trường có ảnh hưởng lớn đến quá trình khử khí ra khỏi nước, khi nhiệt độ tăng, quá trình này diễn ra thuận lợi hơn Ngược lại, nhiệt độ cao lại gây khó khăn cho việc hấp thụ và hòa tan khí vào nước.
Bản chất của khí được trao đổi
Cho Clo và nước trước bể lắng và bể lọc
Kéo dài thời gian tiếp xúc để tiệt trùng khi nguồn nước bị nhiễm bẩn nặng
Oxy hóa sặt hòa tan ở dạng hợp chất hữu cơ, oxy hóa mangan hòa tan để tạo thành các kết tủa tương ứng
Oxy hóa các chất hữu cơ để khử màu
Trung hòa ammoniac thành cloramin có tính chất tiệt trùng kéo dài
Ngăn chặn sự phát triển của rong rêu trong bể phản ứng và bể lắng là rất quan trọng, vì điều này giúp phá hủy tế bào của các vi sinh vật sinh ra chất nhầy nhớt trên bề mặt bể lọc, từ đó làm giảm thời gian chu kỳ lọc.
Tiêu tốn lượng clo thường gấp 3÷5 lần lượng clo dùng để khử trùng nước sau bể lọc, làm tăng giá thành nước xử lý
Phản ứng của clo với các chất hòa tan trong nước tạo ra hợp chất trihalomethane, một chất có khả năng gây ung thư cho người sử dụng nước Do đó, việc sử dụng clo không nên áp dụng cho các nguồn nước mặt có chứa nhiều chất hữu cơ.
Để đạt hiệu quả tối ưu trong quá trình xử lý nước, cần phân tán nhanh và đều hóa chất vào toàn bộ khối lượng nước Việc trộn phèn phải được thực hiện nhanh chóng và đồng đều, vì phản ứng thủy phân tạo ra các nhân keo tụ diễn ra trong thời gian rất ngắn (thường dưới 1/10 giây) Nếu không trộn đều và kéo dài thời gian trộn, sẽ không hình thành đủ các nhân keo tụ chắc chắn và đồng đều, dẫn đến hiệu quả lắng kém và tốn kém chi phí.
8 phèn, các loại hóa chất khác đòi hỏi phải trộn đều còn thời gian trộn đòi hỏi ít nghiêm ngặt hơn phèn
1.2.8 Keo tụ và phản ứng tạo bông cặn:
Tạo ra tác nhân có khả năng kết dính các chất ô nhiễm nước ở dạng hòa tan lơ lửng thành các bông cặn có khả năng lắng trong bể lắng Tác nhân này cũng giúp dính kết nhanh chóng trên bề mặt hạt của lớp vật liệu lọc, mang lại hiệu quả kinh tế cao.
Khi phèn được trộn với nước, các phản ứng hóa học và lý hóa diễn ra, tạo ra hệ keo dương phân tán đều Khi được trung hòa, hệ keo dương này có khả năng kết dính với các keo âm trong nước, dẫn đến quá trình keo tụ và tạo thành các bông cặn Quá trình này bao gồm sự dính kết giữa cặn bẩn và nhân keo tụ, được gọi là phản ứng tạo bông cặn.
Thường dùng phèn nhôm và phèn sắt
Là quá trình làm giảm hàm lượng cặn lơ lửng trong nước nguồn bằng các biện pháp:
Lắng trọng lực trong các bể lắng, khi đó các hạt cặn có tỷ trọng lớn hơn nước ở chế độ thủy lực thích hợp sẽ lắng xuống
Bằng lực ly tâm tác dụng vào hạt cặn, trong các bể lắng ly tâm và xiclon thủy lực
Quá trình tuyển nổi sử dụng lực đẩy nổi từ các bọt khí để bám vào hạt cặn, giúp lắng cặn hiệu quả Phương pháp này có khả năng giảm tới 90-95% vi trùng trong nước, nhờ vào việc vi trùng bị hấp phụ và dính vào các hạt bông cặn trong quá trình lắng.
ỨNG DỤNG PLC VÀ BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT HỆ THỐNG CẤP NƯỚC DÂN DỤNG
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ÁP SUẤT
Mỗi trạm bơm thường bao gồm nhiều máy bơm cùng cung cấp nước qua một đường ống, với áp lực và lưu lượng thay đổi theo nhu cầu hàng giờ Các thiết bị như bơm, đường ống, van và đài nước được thiết kế để xử lý lưu lượng nước bơm lớn, do đó việc điều chỉnh lưu lượng nước bơm được thực hiện thông qua nhiều phương pháp khác nhau.
- 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 tốc độ quay bằng khớp nối thủy lực giúp tiết kiệm năng lượng điện tiêu thụ và giảm thiểu hỏng hóc thiết bị cũng như đường ống.
Khi đóng mở van, hiện tượng chấn động xảy ra và các máy bơm không thể duy trì chế độ tiêu thụ trên mạng lưới Để khắc phục vấn đề này, phương pháp điều khiển bằng biến tần là giải pháp hiệu quả Thiết bị biến tần điều chỉnh tốc độ quay của động cơ bằng cách thay đổi tần số dòng điện cung cấp, giúp cải thiện hiệu suất hoạt động của hệ thống.
2.1.1.Nguyên tắc điều khiển trong hệ thống Đầu ra của PLC được 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 lưu lượng và áp lực cấp vào mạng lưới theo yêu cầu tiêu thụ
Cảm biến áp lực gửi tín hiệu về PLC, cho phép PLC so sánh giá trị nhận được với giá trị đặt Từ đó, PLC điều khiển biến tần để điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số dòng điện, nhằm duy trì áp suất nước ổn định trong đường ống.
Sự điều chỉnh linh hoạt các máy bơm khi sử dụng biến tần được cụ thể như sau:
- Điều chỉnh tốc độ quay khi áp suất thay đổi
- Đa dạng trong phương thức điều khiển các máy bơm trong trạm bơm Một thiết bị biến tần có thể điều khiển tới 5 máy bơm
2.1.1.1 Phương thức điều khiển bơm
Có 3 phương thức điều khiển các máy bơm:
+ Điều khiển theo mực nước
Bộ vi xử lý PLC nhận tín hiệu mực chất lỏng từ bể hút hồi tiếp và so sánh với giá trị cài đặt Dựa vào kết quả so sánh, PLC điều khiển các máy bơm để duy trì mực chất lỏng luôn đạt giá trị cài đặt Nếu tín hiệu hồi tiếp vượt quá giá trị cài đặt, biến tần sẽ điều chỉnh hoạt động của các bơm để đảm bảo mực chất lỏng ổn định.
+ Điều khiển theo hình thức chủ động thụ động
Mỗi máy bơm được kết nối với một bộ biến tần, trong đó có một biến tần chủ động và các biến tần thụ động Khi nhận tín hiệu hồi tiếp từ biến tần chủ động, bộ vi xử lý sẽ so sánh với tín hiệu đặt trước để điều chỉnh tốc độ quay của các máy bơm, nhằm tránh hiện tượng đập thủy lực phản hồi Phương thức điều khiển này mang lại tính linh hoạt cao, giúp khắc phục các khó khăn trong quá trình vận hành bơm không đúng thiết kế, đặc biệt trong các trường hợp thay đổi lưu lượng và áp suất trên mạng lưới.
+ Điều khiển theo hình thức biến tần điều khiển một bơm
Máy bơm chính được điều khiển qua biến tần, trong khi các máy bơm khác hoạt động bằng khởi động mềm Khi tín hiệu áp lực và lưu lượng được gửi về PLC, bộ vi xử lý sẽ so sánh với giá trị cài đặt để điều chỉnh tốc độ máy bơm chính Nếu áp suất trong ống chưa đạt yêu cầu, PLC sẽ khởi động các máy bơm khởi động mềm để duy trì áp suất mong muốn Khi áp suất đủ, PLC sẽ từ từ ngắt các máy bơm phụ để tránh áp suất cao gây nguy hiểm Nếu áp suất vẫn cao sau khi ngắt tất cả các bơm, PLC sẽ ra lệnh cho biến tần giảm tần số động cơ nhằm đưa áp suất về giá trị cài đặt nhanh nhất có thể Tất cả quá trình này được giám sát qua WinCC trên màn hình máy tính hoặc điều khiển bằng tay.
2 1.1.2 Những ưu điểm khi điều khiển tốc độ bơm bằng thiết bị biến tần
- Hạn chế được dòng khởi động cao
- Điều khiển linh hoạt các máy bơm
- Dãy công suất rộng từ 1,1 – 400Kw
- Tự động ngừng khi đạt tới điểm cài đặt
- Tăng tốc nhanh giúp 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
- Bảo vệ được động cơ khi: ngắn mạch, mất pha, lệch pha, quá tải, quá dòng, quá nhiệt…
- Kết nối với máy tính chạy trên hệ điều hành Windows
- Kích thước nhỏ gọn không chiếm diện tích trong nhà trạm
- Mô-men khởỉ động cao với chế độ tiết kiệm năng lượng
- Dễ dàng lắp đặt vận hành
- Hiển thị các thông số của động cơ và biến tần
2 1.1.3.Mô tả hoạt động của hệ thống (được điều khiển theo hình thức biến tần điều khiển một bơm)
Hệ thống bao gồm hai loại máy bơm: một máy bơm 3 pha được điều khiển bởi biến tần và một máy bơm 1 pha dùng làm bơm dự phòng Khi máy bơm 3 pha hoạt động hết công suất mà áp suất chưa đạt giá trị setpoint, máy bơm 1 pha sẽ tự động hoạt động để duy trì áp suất Máy bơm dự phòng này sẽ được cung cấp năng lượng trực tiếp từ điện lưới 220V.
Khi khởi động hệ thống, máy bơm 3 pha được điều khiển bằng biến tần sẽ hoạt động cho đến khi đạt áp suất cài đặt Khi áp suất trong ống đạt mức mong muốn, biến tần sẽ duy trì tốc độ ổn định cho máy bơm Nếu áp suất thay đổi do tải thay đổi, biến tần sẽ điều chỉnh tốc độ máy bơm tăng hoặc giảm tương ứng với sự thay đổi của tải.
Khi tải tăng, áp suất giảm, và để ổn định áp suất, biến tần sẽ điều khiển máy bơm chạy nhanh hơn bằng cách tăng tần số của máy bơm 3 pha cho đến khi đạt được áp suất đặt.
Ngược lại, khi tải giảm thì biến tần sẽ giảm tần số của máy bơm xuống cho tới khi đạt được áp suất đặt
Khi áp suất trong hệ thống tăng cao do tải giảm mạnh, bơm dự phòng sẽ tự động ngừng hoạt động, chỉ còn bơm biến tần tiếp tục vận hành Nhờ đó, áp suất trong đường ống luôn được duy trì ổn định, giúp ngăn ngừa tình trạng áp suất quá cao có thể dẫn đến vỡ đường ống cấp nước.
2.1.2.Hệ thống điều khiển áp suất
Sử dụng biến tần điều khiển cho động cơ bơm giúp điều chỉnh công suất tiêu thụ theo nhu cầu phụ tải, trong khi động cơ thứ hai có thể hoạt động chạy nền khi phụ tải tăng Để đảm bảo hiệu quả, một sensor áp suất được lắp đặt ở đầu ra cấp nước của Nhà máy nhằm đo áp lực nước và gửi dữ liệu về hệ thống điều khiển.
Hệ thống điều khiển PLC tự động hóa quá trình bơm cấp nước của Nhà máy, với khả năng vận hành qua WinCC Hệ thống hoạt động ở hai chế độ: bằng tay và tự động, cho phép chuyển đổi linh hoạt giữa hai chế độ thông qua các công tắc chuyển đổi Việc đấu nối giữa hệ thống mới và cũ được thực hiện chính xác, đảm bảo an toàn trong mọi tình huống, nhằm nâng cao tính an toàn tổng thể của hệ thống.
Hình 2.1.2.1: Biểu đồ minh họa hoạt động điều khiển bơm
Việc tích hợp biến tần vào hệ thống giúp điều chỉnh hoạt động phù hợp với lưu lượng phụ tải thực tế, từ đó giảm thiểu đáng kể năng lượng tiêu hao không cần thiết trong các giờ thấp điểm.
MỘT SỐ ỨNG DỤNG BIẾN TẦN TRONG CÁC HỆ THỐNG CẤP NƯỚC SẠCH
2.2.1 Giải pháp của công ty A2S
*Phương án 1: Điều khiển tầng (Master/Slave)
Hình 2.2.1.1: Dùng 01 biến tần điều khiển 3 bơm theo kiểu Master/Slave
Khi tín hiệu áp suất được đưa vào biến tần, người lắp đặt cần cài đặt các thông số cho biến tần tích hợp bộ điều khiển PID (tích hợp – vi phân – khuếch đại) nhằm ổn định giá trị áp suất theo yêu cầu của người vận hành.
- Hình ảnh trạm bơm Càng Long – Trà Vinh
Hình 2.2.1.2: Ttrạm bơm cấp nước sạch 100 m3/h thị trấn Càng Long - Trà
+ Ưu điểm o Giá thành đầu tư thấp nhất
Hệ thống hiện tại gặp một số nhược điểm như không thể luân phiên thời gian sử dụng đều cho các bơm, chưa tiết kiệm điện hiệu quả, thiếu phương án điều khiển tương đương khi xảy ra sự cố về biến tần, và không lưu trữ được các thông số, sự kiện cũng như thời gian trong quá trình hoạt động.
*Phương án 2: Điều khiển bình đẳng
Hình 2.2.1.3:Dùng 01 biến tần điều khiển 3 bơm theo kiểu Master/Slave, luân phiên biến tần cho Master
Khi áp suất được đưa vào biến tần, bộ điều khiển PID sẽ điều chỉnh để duy trì giá trị áp suất mong muốn Thiết kế này cho phép các bơm hoạt động luân phiên như bơm chính, giúp phân bố đều thời gian hoạt động của các bơm trong hệ thống.
- Hình ảnh trạm bơm Phước Sơn – Bình Định
Hình 2.2.1.4: Trạm bơm 3000 m3/ngày – nhà máy nước Phước Sơn tỉnh Bình Định
Hệ thống luân phiên bơm mang lại ưu điểm là tạo thời gian hoạt động bình đẳng cho các bơm Tuy nhiên, nó cũng có một số nhược điểm như yêu cầu các bơm phải có công suất và hãng sản xuất giống nhau để sử dụng chung biến tần, chi phí lắp đặt cao, chưa tiết kiệm điện năng hiệu quả và việc lắp đặt cũng như sửa chữa khá phức tạp.
*Phương án 3: Tổ hợp cả phương án 1 và phương án
Sơ đồ tổng hợp và tối ưu nhất về điều khiển trạm bơm nước sạch
Hình 2.2.1.5: Dùng 03 biến tần điều khiển 3 bơm theo kiểu Master/Slave trong đó luân phiên Master được để bình đẳng về vai trò cũng như thời gian hoạt động
Với phương pháp lắp đặt này, áp suất được đo và truyền về bộ điều khiển PLC, cho phép PLC điều chỉnh tần số của từng bơm nhằm duy trì giá trị áp suất mong muốn Nguyên lý ổn định áp suất sử dụng cơ chế Master/Slaves, trong đó có thể linh hoạt chọn bơm nào làm master Điều này giúp các bơm phụ không cần hoạt động với 100% công suất như trong các phương án trước, mà thay vào đó có thể hoạt động theo tần số do chương trình điều khiển yêu cầu.
- Hình ảnh thực tế của trạm bơm nước sạch sử dụng phương án 3:
Hình 2.2.1.6: Hình ảnh trạm bơm Xuân Trường – Nam Định
Hình 2.2.1.7: Hình ảnh trạm bơm Giao Thủy – Nam Định
Hình 2.2.1.8: Hình ảnh mành hình HMI điều khiển cho trạm bơm
Để đảm bảo hiệu suất tối ưu, các bơm cần được luân phiên hoạt động đều đặn, đồng thời phải có phương án dự phòng khi một trong các biến tần gặp sự cố Ngoài ra, các bơm không nhất thiết phải có cùng công suất hoặc cùng thương hiệu.
Tiết kiệm điện năng nhiều nhất
Chi phí đầu tư cao
2.2.2.Giải pháp dùng biến tần Delta
Hình 2.2.2.1: Sơ đồ khối điều khiển áp suất đường nước dùng biến tần Dalta
Bài toán 01: Sử dụng biến tần điều khiển ổn định áp suất cho hệ thống sử dụng 01 bơm
+ 01 Biến tần dòng VFD-EL
+ 01 Cảm biến áp suất DC Box
⇒ Sơ đồ đấu nối cảm biến áp suất
Bài toán 02: Sử dụng biến tần điều khiển luân phiên 04 bơm (Tối đa
+ 01 Biến tần dòng VFD-CP2000
+ 01 Cảm biến áp suất DC Box
+ Phụ kiện: Tủ điện, nút nhấn
Biến tần hoạt động bằng cách điều khiển luân phiên từng bơm từ M1 đến M4 Thời gian trễ và thời gian hoạt động của mỗi bơm được cài đặt thông qua biến tần, đảm bảo hiệu suất tối ưu trong quá trình vận hành.
Hình 2.2.2.2: Dùng biến tần điều khiển luân phiên 4 bơm
Bài toán 03: Sử dụng biến tần điều khiển ổn định áp suất cho hệ thống sử dụng 04 bơm (Tối đa 08 bơm)
+ 01 Biến tần dòng VFD-CP2000
+ 01 Cảm biến áp suất DC Box
+ Phụ kiện: Tủ điện, nút nhấn
Nguyên lý hoạt động của biến tần là điều khiển PID cho bơm M0 dựa trên nhu cầu sử dụng nước đầu ra Khi biến tần điều khiển bơm M0 hoạt động với 100% công suất, nó đảm bảo cung cấp nước ổn định và hiệu quả.
Trong quá trình vận hành, nếu nhu cầu sử dụng nước không được đáp ứng trong khoảng thời gian đặt trước, biến tần sẽ tự động kích hoạt các bơm từ M1 đến M4 để cung cấp điện lưới cho hệ thống cho đến khi đủ lượng nước đầu ra Khi lượng nước đầu ra đã ổn định, biến tần sẽ tự động ngắt từng bơm từ M4 đến M1 để chỉ duy trì mức nước cần thiết Nếu sau khi ngắt hết các bơm mà hệ thống vẫn còn áp suất dư, biến tần sẽ giảm tốc độ bơm chính M0 xuống mức thấp và giữ ổn định tại tần số đã cài đặt Khi nhu cầu nước đầu ra tăng, hệ thống sẽ tự động kích hoạt thêm bơm khi cần thiết.
Hình 2.2.2.3: Sử dụng biến tần điều khiển ổn định áp suất cho hệ thống sử dụng
Bài toán 04: Sử dụng biến tần điều khiển ổn định áp suất kết hợp luân phiên 04 bơm (Tối đa 08 bơm)
+ 01 Biến tần dòng VFD-CP2000
+ 01 Cảm biến áp suất DC Box
+ Phụ kiện: Tủ điện, nút nhấn
- Nguyên lý hoạt động: Ứng dụng này là sự kết hợp của cả bài toán 02 và bài toán 03
Biến tần vừa điều khiển luân phiên tuần hoàn qua từng bơm, vừa ổn định áp và gọi thêm các bơm khác vào chạy điện lưới
Hình 2.2.2.4: Sử dụng biến tần điều khiển ổn định áp suất kết hợp luân phiên
ĐO ÁP SUẤT
ÁP SUẤT VÀ ĐƠN VỊ ĐO ÁP SUẤT
Khi một chất lỏng hoặc khí (chất lưu) được đưa vào bình chứa, nó tạo ra lực tác dụng lên thành bình gọi là áp suất Áp suất này phụ thuộc vào bản chất của chất lưu, thể tích trước và sau khi đưa vào bình, cũng như nhiệt độ Áp suất p của chất lưu được tính theo công thức p = dF/ds, trong đó dF là lực tác dụng vuông góc lên diện tích ds của thành bình.
Thương số áp suất không phụ thuộc vào định hướng của bề mặt, mà chỉ liên quan đến vị trí của nó trong chất lưu Để đo áp suất, người ta áp dụng nguyên tắc đo lực tác dụng lên một bề mặt xác định Áp suất được chuyển đổi thành lực, và việc đo áp suất thực chất là đo lực tác động lên một mặt phẳng cụ thể Công thức tính áp suất được biểu diễn là p = F / A.
3.1.2 Đơn vị đo áp suất
Có nhiều đơn vị đo áp suất như Pascal, bar, kg/cm², atmosphere, cm cột nước, mmHg và mbar Tuy nhiên, Uỷ ban quốc tế đã chọn Pascal (Pa) = Newton/m² làm đơn vị tiêu chuẩn cho áp suất (ISO 1000; DIN 1301) Thông thường, các thang đo của máy đo áp suất được chia theo bội số của đơn vị Pascal.
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO ÁP SUẤT NƯỚC (ĐO ÁP SUẤT CỦA CHẤT LƯU)
3.2.1 Các phương pháp đo áp suất tĩnh
Việc đo áp suất chất lưu tĩnh liên quan đến lực F tác động lên diện tích s của thành bình, phân chia hai môi trường khác nhau Trong đó, một môi trường chứa chất lưu cần đo áp suất Có ba trường hợp chính trong việc đo áp suất, bao gồm việc lấy áp suất qua lỗ có tiết diện hình tròn được khoan trên thành bình.
– – Đo trực tiếp sự biến dạng của thành bình do áp suất gây nên
Cảm biến áp suất được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu đầu vào, cụ thể là áp suất, thành tín hiệu điện đầu ra Tín hiệu này chứa thông tin về giá trị của áp suất cần đo và sự biến đổi của nó theo thời gian.
Để đo áp suất qua một lỗ nhỏ, cần sử dụng cảm biến đặt gần thành bình Độ chính xác của phép đo sẽ cao hơn nếu thể tích chết của kênh dẫn và cảm biến không đáng kể so với tổng thể tích chất lỏng cần đo.
Để đo biến dạng của thành bình trong trường hợp đo trực tiếp, người ta sử dụng cảm biến đo ứng suất gắn lên thành bình Biến dạng này phụ thuộc vào áp suất bên trong.
Có thể sử dụng ống đặc biệt biến dạng dưới áp suất làm vật trung gian để đo áp suất trong đường ống dẫn chất lưu Áp kế được kết nối với đường dẫn khảo sát, và bằng cách lựa chọn vật liệu phù hợp, ống có thể chịu biến dạng lớn và nâng cao độ nhạy của áp kế.
Khi đo áp suất bằng cảm biến, vật trung gian thường là các phần tử đo lực có thông số hình học thay đổi dưới tác dụng của lực F = p.s Cảm biến áp suất được trang bị bộ chuyển đổi điện, giúp chuyển đổi sự thay đổi kích thước của ống do áp suất tác động thành tín hiệu điện.
3.2.2 Phương pháp đo áp suất động
Khi nghiên cứu chất lưu chuyển động, cần xem xét ba dạng áp suất cùng tồn tại: áp suất tĩnh (ps) của chất lưu không chuyển động, áp suất động (pd) do chuyển động với vận tốc v gây ra, và áp suất tổng cộng (Pt) là tổng của hai áp suất này.
Áp suất tĩnh (ps) được đo bằng các phương pháp đã trình bày, trong khi áp suất động (pd) tác dụng lên mặt phẳng vuông góc với dòng chảy sẽ làm tăng áp suất tĩnh Mối quan hệ giữa áp suất động và vận tốc được thể hiện qua công thức pd = 0.5 * ρ * v², trong đó áp suất động tỷ lệ với bình phương vận tốc dòng chảy.
Trong đó là khối lượng riêng của chất lưu
Đo áp suất trong chất lưu chuyển động có thể thực hiện bằng cách kết nối hai cảm biến vào đầu ra của ống Pitot Một cảm biến đo áp suất tổng cộng và một cảm biến đo áp suất tĩnh Áp suất động được tính bằng hiệu giữa áp suất tổng cộng và áp suất tĩnh: P d = Pt - Ps.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng cảm biến áp suất để đo áp suất tĩnh thông qua một lỗ nhỏ trên ống dẫn nước Cảm biến được lắp đặt một cách cẩn thận nhằm hạn chế ảnh hưởng của áp suất động và tránh tác động trực tiếp của chất lưu, điều này giúp ổn định tín hiệu đầu ra của cảm biến Phương pháp này được áp dụng để đo áp suất nước trong hệ thống cung cấp nước và duy trì áp suất tại khách sạn Deawoo.
CẢM BIẾN ÁP SUẤT
Cảm biến là phần tử cơ bản của bộ biến đổi áp suất, nó xác định đặc tính làm việc của thiết bị
Các bộ biến đổi áp suất hoạt động dựa trên cơ sở 3 loại cảm biến chính Đó là cảm biến điện trở tenxơ, điện dung và điện cảm
3.3.1 Lựa chọn loại cảm biến áp suất sử dụng trong mô hình đề tài
Dựa trên các số liệu hiện có, áp suất nước cần duy trì là 0.5 bar, và biến tần sử dụng trong mô hình là loại MM440 của Siemens, có hai đầu vào tương tự.
Cũng như căn cứ vào những thiết bị trong khoa sẵn có, ta lựa chọn loại cảm biến áp suất của Siemens có những thông số sau:
– – Dải áp suất: 0….6 bar/ Pmax 12 bar
– Đầu ra tương tự : 4….20 mA
– – Ký hiệu chân trên thân cảm biến: 1(+) 2(-) chân còn lại ký hiệu mass
– 1( +) là dây có màu nâu ta nối với nguồn cấp cho cảm biến
– – 2( -) là chân có màu xanh sẫm ta nối với đầu vào tương tự của biến tần
– – Và đầu còn lại có màu vàng sọc xanh nhạt nối mass bảo vệ
Cảm biến này có đầu ra là dòng điện, tỷ lệ thuận với sự gia tăng áp suất chất lỏng, như thể hiện trong sơ đồ chân của cảm biến (Hình 3.3.1).
3.3.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Cảm biến áp suất sử dụng mạch tổ hợp điện trở áp điện bán dẫn được sản xuất phổ biến để đo áp suất và hiệu áp Kỹ thuật bán dẫn cho phép chế tạo màng đo áp suất hoàn toàn từ vật liệu silic, giúp toàn bộ quy trình sản xuất cảm biến áp suất diễn ra trên cùng một chip silic.
Hình 3.3.2.1: Sơ đồ bên hoạt động bên trong của cảm biến
Cầu điện trở của cảm biến gồm 4 điện trở giống nhau, trong đó khi màng silic bị uốn cong, giá trị R1 và R3 tăng lên, trong khi R2 và R4 giảm xuống, dẫn đến độ nhạy của cầu được cải thiện Điện áp ra UA của cầu được tính theo công thức cụ thể.
Với công thức Ri (p) = Ri + ΔRi(p), kỹ thuật thích ứng cho phép chế tạo các điện trở Ri có giá trị đồng nhất và sự biến đổi ΔRi cũng tương đương Do đó, phương trình của UA có thể được đơn giản hóa.
: là độ uốn cơ học, K: là hệ số tỉ lệ
Hàm số (p) cho độ uốn cơ học của màng silic theo phép tính gần đúng bậc
1 có sự tuyến tính, do đó giữa điện áp ra và áp suất cũng có sự liên hệ tuyến tính:
Khi độ uốn tăng cao, tính chất tuyến tính không còn giữ được Đối với hai điện trở, do sự gia tăng độ uốn, một điện trở sẽ có trị số tăng lên trong khi điện trở còn lại giảm đi Bằng cách lựa chọn trị số Ri khác một chút, hiệu ứng này có thể được giảm thiểu phần nào.
Cầu điện trở giúp chuyển đổi sự thay đổi của lực (áp suất nước) thành tín hiệu áp của cảm biến Qua quá trình biến đổi U/I, chúng ta nhận được đầu ra dòng tương ứng, phản ánh tín hiệu ra của cảm biến.
KẾT QUẢ ĐO TRÊN THIẾT BỊ TẠO MÔI TRƯỜNG ĐO VỚI CƠ CẤU ĐO MỚI VÀ KẾT QUẢ ĐO TRÊN MÔ HÌNH
Kết quả đo trên thiết bị tạo môi trường đo với cơ cấu đo mới Kết quả đo trên mô hình
Bar mA Hz Bar mA
– – Đầu ra của cảm biến tỉ lệ với áp suất
Mặc dù mô hình này chỉ đo áp suất tối đa 1 bar, nhưng kết quả thu được tương tự như thiết bị tạo môi trường đo và gần sát với đường đặc tuyến chuẩn của cảm biến.
Kết quả đo cho thấy tín hiệu dòng ra của cảm biến tỷ lệ thuận với áp suất Khi tín hiệu này được đưa vào biến tần, biến tần sẽ nhận và dựa vào đó để điều chỉnh tần số của động cơ, từ đó duy trì áp suất ổn định.
SỬ DỤNG CẢM BIẾN ÁP SUẤT TRONG ĐỀ TÀI
Bằng việc áp dụng lý thuyết và thực nghiệm trên thiết bị đo, chúng tôi đã khảo sát hệ thống cung cấp nước và duy trì áp suất tại khách sạn Deawoo Chúng tôi đã chọn loại cảm biến phù hợp để đo và truyền tín hiệu đến biến tần và PLC, nhằm điều chỉnh tốc độ và số lượng bơm, đảm bảo áp suất trong đường ống luôn ổn định ở mức 0.5 bar Khi van xả nước được mở, nước sẽ được bơm lên, giữ cho áp suất không đổi.
Đo áp suất nước 35 là phương pháp đo áp suất tĩnh bằng cách lấy một lỗ nhỏ từ ống dẫn nước và lắp cảm biến thông qua cơ cấu lắp đặt Cách này giúp hạn chế ảnh hưởng của áp suất động và tránh tác động trực tiếp của chất lưu lên cảm biến, từ đó giảm thiểu sự bất ổn tín hiệu đầu ra của cảm biến.
BIẾN TẦN VÀ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH
TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN MM440
Ngày nay, tự động hóa trong công nghiệp và ổn định tốc độ động cơ đã trở thành xu hướng phổ biến, trong đó biến tần đóng vai trò quan trọng Biến tần MicroMaster 440 là một trong những thiết bị mạnh mẽ nhất, cung cấp khả năng điều khiển Vector cho tốc độ và mô men, cùng với khả năng điều khiển vòng kín bằng bộ PID, đảm bảo độ chính xác cho các hệ thống truyền động quan trọng như nâng chuyển và định vị Với khối logic lập trình sẵn, MicroMaster 440 mang lại sự linh hoạt tối đa trong việc tự động hóa các thao tác Thiết bị này điều khiển tốc độ động cơ 3 pha, có công suất từ 120W đến 200kW, sử dụng vi xử lý và công nghệ transistor lưỡng cực, giúp tăng độ tin cậy và linh hoạt Phương pháp điều chế độ rộng xung và chức năng bảo vệ động cơ giúp đảm bảo hoạt động êm ái và an toàn.
Hình 4.1: Biến tần MM440 của Siemen
Biến tần MICROMASTER 440, với các thông số mặc định từ nhà sản xuất, phù hợp cho nhiều ứng dụng điều khiển động cơ đơn giản Ngoài ra, thiết bị này còn được sử dụng cho các ứng dụng điều khiển động cơ cấp cao nhờ vào danh sách các thông số linh hoạt của nó.
Biến tần MICROMASTER 440 có thể dùng trong hai ứng dụng "kết hợp vμ riêng lẻ" khi tích hợp trong "hệ thống tự động hoá"
4.1.1 Cấu tạo chung và nguyên tắc hoạt động
MM 440 điều chỉnh điện áp và tốc độ cho động cơ xoay chiều bằng cách chuyển đổi nguồn điện xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều trung gian (DC Link) thông qua cầu chỉnh lưu Sau đó, điện áp một chiều này được nghịch lưu thành điện áp xoay chiều với tần số thay đổi để cung cấp cho động cơ Biến tần có thể sử dụng nguồn điện xoay chiều một pha cho công suất thấp hoặc nguồn ba pha Điện áp một chiều trung gian được lưu trữ trên các tụ điện, giúp làm phẳng điện áp sau chỉnh lưu và cung cấp cho phần nghịch lưu Điện áp trên các tụ điện không thể điều khiển và phụ thuộc vào điện áp đỉnh của nguồn xoay chiều cung cấp.
Biến tần hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều thông qua phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) Sóng điện áp đầu ra được hình thành nhờ việc đóng cắt của các transistors Trong mạch nghịch lưu, MM440 sử dụng các IGBTs (Transistor lưỡng cực cách ly) để thực hiện quá trình này.
Điện áp xoay chiều 38 được tạo ra bằng cách điều chỉnh tần số đóng cắt của các IGBTs, với đầu ra là sự kết hợp của nhiều xung vuông có giá trị khác nhau Hình 3.3 minh họa rõ ràng quá trình này.
Hình 4.1.1.2: Pulse Width Modulation – PWM
– – Dễ dμng lắp đặt, đặt thông số vμ vận hμnh
– – Thời gian tác động lặp đến các tín hiệu điều khiển nhanh
– – Các thông số hỗn hợp cho phép thực hiện đ−ợc nhiều ứng dụng
– Đấu nối cáp đơn giản
– – Có các đầu ra rơ le
– – Có các đầu ra tương tự (0 _ 20mA)
– – 6 cổng vμo số cách ly NPN/PNP
– – 2 đầu vμo tương tự có thể dùng như cổng vμo số 7 vμ 8
– – Thiết kế các môdul với cấu hình cực kỳ linh hoạt
– – Tần số chuyển mạch cao lμm giảm độ ồn của động cơ khi lμm việc
Trong lĩnh vực truyền thông với PC, có nhiều lựa chọn như panel vận hành cơ bản (BOP), panel điều khiển cấp cao (AOP) và module kết nối mạng Profibus Những thiết bị này đều có những đặc tính làm việc riêng biệt, giúp nâng cao hiệu quả trong quản lý và điều khiển hệ thống.
– Điều khiển dòng từ thông (FCC) để cải thiện tác động vμ điều khiển động cơ động
– – Giới hạn dòng điện nhanh (FCL) để lμm việc với phần cơ khí dừng tự do – – Kết hợp hãm dùng dòng điện DC
– – Hãm kết hợp để cải thiện việc hãm động cơ
– – Với chương trình điều khiển thời gian khởi động / dừng động cơ mềm – – Sử dụng chức năng điều khiển vòng kín PI
Các đặc tính bảo vệ
– – Bảo vệ cho cả biến tần vμ động cơ
– – Bảo vệ quá áp vμ thấp áp
– – Bảo vệ quá nhiệt biến tần
– – Bảo vệ lỗi nối đất
– – Bảo vệ nhiệt động cơ theo phương thức I 2 t
4.1.3 Các thông số kỹ thuật của MM440 Điện áp vào và công suất
200V đến 240V 1 AC ± 10% 0.12 3kW 200V đến 240V 3 AC ± 10% 0.12 45kW 380V đến 480V 3 AC ± 10% 0.37 75kW 200V đến 240V 1 AC ± 10% 0.75 75kW Tần số điện vào 47 đến 63Hz
Tần số điện ra 0 đến 650Hz
Hệ suất chuyển đổi 96 đến 97%
Khả năng quá tải Quá dòng 1,5 với dòng định mức trong 60 giây ở mỗi 300 giây hay 2 dòng định mức
40 trong 3 giây ở mỗi 300 giây Dòng điện vào khởi động
Thấp hơn dòng điện vào định mức
Phương pháp điều khiển Tuyến tính V/f; bình phương V/f; đa điểm V/f; điều khiển dòng từ thông FCC Tần số điều chế xung
Tần số cố định 15, tùy đặt
Dải tần số nhảy 4, tùy đặt Độ phân giải điểm đặt 10 bit analog, 0.01Hz giao tiếp nối tiếp, 0.01Hz digital
Các đầu vào số 6 đầu vào số lập trình được, cách ly Có thể chuyển đổi PNP/NPN
Các đầu vào tương tự 2, * 0 tới 10V, 0 tới 20mA và -10 tới +10V
* 0 tới 10V, 0 tới 20mA Các đầu vào rơ le 3, tùy chon chức năng 30VDC/5A, 250VAC/2A Các đầu ra tương tự 2, tùy chọn chức năng; 0.25 – 20mA
Cổng giao tiếp nối tiếp RS-485, vận hành với USS protocol
Hãm Hãm DC, Hãm tổ hợp
Dải nhiệt độ làm việc CT - 10 0 C đến +50 0 C
VT - 10 0 C đến +40 0 C Nhiệt độ bảo quản - 40 0 C đến +70 0 C Độ ẩm 95% không đọng nước Độ cao lắp đặt 1000m trên mực nước biển
Các chức năng bảo vệ
Thấp áp, quá áp, chạm đất, ngắn mạch, chống kẹt, I 2 t quá nhiệt động cơ, quá nhiệt biến tần, khóa tham số PIN
Kích thước Cỡ vỏ (FS) Cao x Rộng x Sâu kg
4.1.4 Các đầu dây điều khiển Đầu dây Ký hiệu Chức năng
3 ADC1+ Đầu váo tương tự số 1(+)
4 ADC1- Đầu váo tương tự số 1(-)
9 - Đầu ra cách ly +24v/max 100mA
10 ADC2+ Đầu vào tương tự số 2(+)
11 ADC2- Đầu vào tương tự số 2(-)
12 DAC1+ Đầu ra tương tự số 1(+)
13 DAC1- Đầu ra tương tự số 1(-)
14 PTCA Đầu dây nối cho PTC/KYT 84
15 PTCB Đầu dây nối cho PTC/KYT 84
18 DOUT1/NC Đầu ra số 1/ tiếp điểm NC
19 DOUT1/NO Đầu ra số 1/ tiếp điểm NO
20 DOUT1/COM Đầu ra số 1/ chân chung
21 DOUT2/NO Đầu ra số 2/ tiếp điểm NO
22 DOUT2/COM Đầu ra số 2/ chân chung
23 DOUT3/NC Đầu ra số 3/ tiếp điểm NC
24 DOUT3/NO Đầu ra số 3/ tiếp điểm NO
25 DOUT3/COM Đầu ra số 3/ chân chung
26 DAC2+ Đầu ra tương tự số 2 (+)
27 DAC2- Đầu ra tương tự số 2 (-)
28 - Đầu ra cách ly 0 V/max 100 mA
GIỚI THIỆU MỘT THÔNG SỐ CỦA BIẾN TẦN MM440
4.2.1 Các thông số cài đặt nhanh
Bộ biến tần MM440 cho phép cài đặt thông số nhanh chóng và dễ dàng, đảm bảo tương thích với động cơ Nếu thông số định mức của động cơ trùng khớp với thông số ghi trên nhãn của bộ biến tần, người dùng không cần thực hiện cài đặt nhanh.
4.2.2 Các thông số cài đặt ứng dụng
Cài đặt ứng dụng giúp điều chỉnh và tối ưu hóa sự kết hợp giữa bộ biến tần và động cơ cho từng ứng dụng cụ thể Mặc dù bộ biến tần có nhiều tính năng, nhưng không phải tất cả đều cần thiết cho mọi ứng dụng, do đó có thể bỏ qua những tính năng không cần thiết trong quá trình cài đặt.
Các ứng dụng của MM440:
– – Các thông số cài đặt nối tiếp
– – Các đầu ra số (DOUT)
– – Chọn giá trị điểm đặt tần số
– – Đầu vào tương tự (ADC)
– – Tần số cố định (FF), tạo các tần số cố định để động cơ làm việc
– – Chạy nhấp, tạo ra tần số cố định để chạy nhấp thử động cơ
– – Các thông số về bảo vệ bộ biến tần, như bảo vệ quá tải cho biến tần, cảnh báo nhiệt độ cho biến tần
– – Bảo vệ nhiệt cho động cơ
– Encoder, sử dụng môdun encoder để phản hồi tốc độ động cơ trong các hệ thống vòng kín ổn định tốc độ
– – Điều khiển V/f, chế độ điều khiển “đặc tính V/f” – tỷ số giữa điện áp ra của biến tần với tần số ra của biến tần
– Điều khiển định hướng từ trường (FCC)Điều khiển vectơ không sensor (SLVC)
– – Điều khiển vectơ có encoder (VC)
– – Khởi động bám (Flying start - FS)
– – Các khối chức năng tự do (FFB)
– Tập dữ liệu lệnh và truyền động
ỨNG DỤNG BIẾN TẦN MM440 VÀO NỘI DUNG ĐỀ TÀI
Biến tần đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điều khiển, không chỉ giao tiếp nối tiếp với PLC S7-200 mà còn tạo ra mạch phản hồi kín từ cảm biến áp suất Nó nhận tín hiệu phản hồi từ cảm biến qua bộ PID để điều chỉnh tốc độ động cơ, nhằm duy trì áp suất mong muốn Do đó, việc cài đặt đầy đủ các tham số cho biến tần là cần thiết để đáp ứng yêu cầu này.
Trước khi đặt thông số cho biến tần ta phải thực hiện việc cài đặt lại mặc định cho biến tần theo các bước sau:
P0003 = 1: Truy cập mức cơ bản
P0004 = 0: Lọc tất cả các thông số
P0010 = 30: Cài đặt thông số ở chế độ cài đặt khi xuất xưởng (mặc định) P0970 = 1: Cài đặt lại thông số ở chế độ mặc định
4.3.1 Các tham số về động cơ
P0300 = 1: Động cơ sử dụng là loại động cơ không đồng bộ
P0304 = 230: Giá trị điện áp định mức của động cơ là 230V
P0305 = 1: Giá trị dòng điện định mức của động cơ là 1A
P0307 = 0.2: Giá trị công suất định mức của động cơ là 0.2 kW
P0308 = 0: Giá trị hệ số công suất định động cơ sẽ tự động được tính toán
P0309 = 0: Giá trị hiệu suất định mức của động cơ sẽ tự động được tính toán P0310 = 50: Giá trị tần số định mức của động cơ là 50 Hz
Giá trị tốc độ định mức của động cơ là 1400 vòng/phút (P0311 = 1400) Dòng từ hóa của động cơ sẽ được tự động tính toán (P0320 = 0) Chế độ làm mát động cơ sử dụng chế độ làm mát tự nhiên (P0335 = 0).
P1080 = 0: Giá trị tần số nhỏ nhất cho động cơ là 0 Hz
P1082 = 50: Giá trị tần số lớn nhất cho động cơ là 50 Hz
P1120 = 2: Thời gian tăng tốc là 2s
P1121 = 2: Thời gian giảm tốc là 2s
4.3.2 Các tham số về giao tiếp nối tiếp USS
P2010 = 7: Đặt tốc độ Baud cho truyền thông USS là 19200 Baud P2011 = 1: Đặt địa chỉ duy nhất cho biến tần MM440 là 1
P2012 = 2: Đặt chiều dài của PZD trong một lần truyền dữ liệu theo khiểu USS là 2 từ
P2013 = 127: Đặt chiều dài của PKW trong một lần truyền dữ liệu theo khiểu USS có thể thay đổi
4.3.3 Các tham số về điều khiển vòng kín PID
P2200 = 1: Cho phép kích hoạt bộ điều khiển PID
P2253 = 755.0: Chọn điểm đặt cho đầu vào bộ PID (PID setpoint) thông qua đầu vào tương tự số 1 (ADC1) P2257 = 1: Đặt thời gian tăng tốc cho điểm đặt PID là 1s
P2258 = 1: Đặt thời gian giảm tốc cho điểm đặt PID là 1s
P2264 = 755.1: Chọn nguồn tín hiệu phản hồi PID (PID feedback) thông qua đầu vào tương tự số 2 (ADC2)
P2267 = 100: Đặt giá trị tín hiệu phản hồi PID lớn nhất là 100%
P2268 = 0: Đặt giá trị tín hiệu phản hồi PID lớn nhất là 0%
P2280 = 0.500: Đặt hệ số tỷ lệ cho bộ PID là 0.5
P2285 = 0.050: Đặt hằng số thời gian tích phân cho bộ điều khiển PID là
0.05 (hệ số này tùy thuộc vào hệ thống)
P2291 = 100: Đặt giới hạn trên cho đầu ra bộ điều khiển PID là 100% P2292 = 0: Đặt giới hạn dưới cho đầu ra bộ điều khiển PID là 0%
4.3.4 Các tham số về các đầu vào ADC
P0756.0 = 3: Chọn đầu vào tương tự số 1 là đầu vào dòng điện
P0756.1 = 3: Chọn đầu vào tương tự số 2 là đầu vào dòng điện
P0757.0 = 0: Đặt giá trị x1 của thang ADC1 bằng 0 mA
P0757.1 = 3.7: Đặt giá trị x1 của thang ADC2 bằng 3.7 mA
P0759.0 = 20: Đặt giá trị x2 của thang ADC1 bằng 20 mA
P0759.1 = 7: Đặt giá trị x2 của thang ADC2 bằng 7 mA
P0761.0 = 0: Đặt chiều rộng của dải chết ADC1 là 0 mA
P0761.1 = 3.7: Đặt chiều rộng của dải chết ADC2 là 3.7 mA
4.3.5 Các tham số liên quan khác
P0700 = 5: Chọn nguồn lệnh từ USS trên đường truyền COM
Mã lỗi P0719 = 52 chỉ ra rằng nguồn lệnh được lựa chọn từ USS trên đường truyền COM với điểm đặt tần số là đầu vào tương tự Mã P1000 = 2 xác định rằng điểm đặt tần số được chọn là đầu vào tương tự 1 (ADC1) Cuối cùng, mã P1070 = 755.0 cho biết kênh đặt chính được chọn là đầu vào tương tự 1 (ADC1).
CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN
– – Mạch điều khiển dùng Rơle
– – Mạch dùng kỹ thuật vi xử lý
– – Với mạch dùng Vi điều khiển (Micro Controller)
– – Điều khiển bằng PLC (Programable Logic control)
Kết luận, phương pháp sử dụng PLC là lựa chọn tối ưu nhất do giảm thiểu số lượng rơle điều khiển và đơn giản hóa mạch điện tử PLC tích hợp chuẩn truyền RS 485 để giao tiếp với biến tần, đồng thời có khả năng chẩn đoán giúp dễ dàng trong công tác sửa chữa Ngoài ra, PLC còn có các thư viện chuyên dụng cho việc giao tiếp với biến tần, làm cho quá trình lập trình trở nên đơn giản hơn Mặc dù giá thành cao hơn so với các giải pháp khác, nhưng tính ổn định của PLC vượt trội Vì những lý do này, chúng tôi đã quyết định chọn giải pháp điều khiển bằng PLC cho đề tài này.
GIỚI THIỆU VỀ PLC
Thiết bị điều khiển logic khả trình (PLC) là một thiết bị linh hoạt cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển số thông qua ngôn ngữ lập trình Thay vì sử dụng mạch số, PLC cung cấp một bộ điều khiển nhỏ gọn, dễ dàng thay đổi thuật toán và giao tiếp hiệu quả với môi trường xung quanh, bao gồm các PLC khác và máy tính Toàn bộ chương trình điều khiển được lưu trữ trong bộ nhớ của PLC và thực hiện theo chu kỳ vòng quét PLC hoạt động như một máy tính với bộ vi xử lý, hệ điều hành và cổng đầu vào/ra để giao tiếp với đối tượng điều khiển Ngoài ra, PLC còn tích hợp các khối chức năng đặc biệt như bộ đếm và bộ thời gian, hỗ trợ cho các ứng dụng điều khiển phức tạp.
CÁC GIAO THỨC GIAO TIẾP MẠNG TRONG S7 – 200
Để sử dụng các giao thức giao tiếp mạng trong S7 - 200 trước tiên ta phải tìm hiểu về chuẩn truyền RS485
– Freeport (giao thức người dùng tự định nghĩa)
Kết luận: Do không có card truyền thông, ba phương pháp đầu tiên yêu cầu xây dựng giao thức riêng, đòi hỏi hiểu biết về cấu trúc truyền nhận giữa PLC và biến tần Lưu ý rằng biến tần chỉ có hai cổng giao tiếp.
RS 485 và RS 232 là hai chuẩn giao tiếp phổ biến, nhưng trong PLC chỉ tích hợp cổng RS 485, khiến việc truyền thông trở nên phức tạp và cần thiết phải sử dụng thiết bị chuyển đổi Tuy nhiên, giao thức USS cho phép truyền thông dễ dàng qua cổng RS, giúp đơn giản hóa quá trình lập trình và kết nối.
Giao tiếp với biến tần thông qua USS Toolbox cho phép truyền trực tiếp tham số điều khiển xuống biến tần và nhận tham số mong muốn một cách dễ dàng, nhờ vào các khối lệnh có sẵn trong thư viện USS Điều này giúp đơn giản hóa quá trình điều khiển trong tương lai.
4.6.1 Điều kiện để sử dụng giao thức USS
Thư viện lệnh STEP7 – Micro/Win cung cấp 14 thủ tục con 3 thủ tục ngắt và
8 lệnh được tích hợp trong giao thức USS Các lệnh USS sử dụng phương thức sau trong S7 – 200
– – Giao thức USS được thiết lập trên Port 0 cho giao tiếp USS
– – Lệnh USS_INIT cho phép lựa chọn giao tiếp kiểu USS hoặc PPI trên port
0 Sau khi lựa chọn giao thức USS để giao tiếp với biến tần nói riêng ta không thể sử dụng port 0 cho bất kỳ mục đích nào khác, kể cả giao tiếp với phần mềm STEP7 – Micro/Win
Các lệnh USS có kích thước khoảng 3600 byte và tùy thuộc vào các lệnh sử dụng, cần dành riêng cho giao thức USS một vùng nhớ khoảng 400 byte.
– – Các lệnh USS không được dùng trong thủ tục ngắt
4.6.2 Trình tự lập trình sử dụng các lệnh USS
Đặt lệnh USS_INIT trong chương trình chỉ nên thực hiện trong một chu kỳ quét để thiết lập hoặc điều chỉnh các thông số giao tiếp của giao thức USS.
Chỉ cần đặt một lệnh DRV_CTRL cho mỗi biến tần tích cực trong chương trình Bạn có thể thêm nhiều lệnh USS_RPM_x và USS_WPM_x nếu cần, nhưng chỉ một biến tần được kích hoạt tại một thời điểm.
– – Thiết lập các thông số biến tần để phù hợp với tốc độ baud và địa chỉ của biến tần được dùng trong chương trình
– – Nối cáp giao tiếp giữa CPU và các biến tần.
VÒNG ĐIỀU KHIỂN TÍN HIỆU ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT
Với hai phương án điều khiển như trên ta thấy rằng:
Phương án thứ 1 yêu cầu PLC phải có modul tương tự, dẫn đến chi phí cao hơn, và khi tín hiệu cảm biến đưa về PLC, biến tần gần như không còn tác dụng Biến tần chỉ có vai trò cung cấp dòng 3 pha cho động cơ và giúp động cơ khởi động mượt mà hơn Do đó, nếu áp dụng phương án này, chỉ cần sử dụng PLC là đủ.
Phương án thứ 2 sử dụng tín hiệu cảm biến gửi về biến tần, nơi bộ PID xử lý tín hiệu để tự động ổn định hệ thống trong giới hạn cho phép PLC đảm nhiệm việc đóng cắt rơle điều khiển động cơ, giao tiếp với biến tần để hỗ trợ khi biến tần vượt quá khả năng điều chỉnh Phương án này giúp các thiết bị điều khiển thực hiện hầu hết vai trò của mình và đồng thời giảm chi phí do không cần sử dụng modul tương tự.
KẾT NỐI GIỮA PLC VÀ BIẾN TẦN
Cách thức kết nối PLC với biến tần được thực hiện như hình vẽ sau:
Bước 1: Xác định ý nghĩa của các chân đầu ra cổng truyền thông PLC
Chân 3 nối với P+ (chân 29) của MM440
Chân 8 nối với P- (chân 30) của M440
Hình 4.6 : Sơ đồ chân của cổng truyền thông trên PLC
Bước 2: Nối điện trơ phụ để chống nhiễu
Hình 4.8.1: Điện trở nối chống nhiễu cho chuẩn truyền RS485
Bước 3: Kết nối PLC và biến tần
Hình 4.8.2: Hình vẽ kết nối giữa PLC với biến tần
THIẾT LẬP CÁC THAM SỐ CHO BIẾN TẦN
Trước khi kết nối PLC với biến tần, cần đảm bảo rằng chúng đã được kết nối đúng cách và các tham số cần thiết đã được thiết lập trên biến tần.
1 Xóa các yếu tố đã thiết lập (không bắt buộc):
Để đảm bảo hoạt động chính xác, cần thiết lập các tham số sau: Độ dài USS PZD phải được đặt ở P2012 index 0 với giá trị là 2, và độ dài USS PKW phải được thiết lập ở P2013 index 0 với giá trị là 127.
2 Cho phép đọc/ghi truy cập tất cả các tham số:
3 Kiểm tra động cơ thiết lập các tham số cho động cơ:
P0304 = Dải điện áp động cơ (V)
P0305 = Dải dòng điện động cơ (A)
P0307 = Dải công suất của động cơ (W)
P0310 = Dải tần số của động cơ (Hz)
P0311 = Dải tốc độ của động cơ (RPM)
Các thiết lập này sẽ thay đổi tuỳ thuộc vào động cơ mà ta sử dụng
4 Thiết lập kiểu điều khiển:
5 Thiết lập tần số đặt USS on COM link:
6 Thời gian tăng tốc (không bắt buộc)
P1121 = 0 đến 65000 Thời gian này được tính bằng giây
8 Thiết lập tần số liên kết nối tiếp
9 Thiết lập thông thường USS
10 Thiết lập tốc độ baud của chuẩn truyền RS485
11 Địa chỉ của trạm tớ
12 Thiết lập thời gian kết thúc quá trình truyền và nhận
13 Chuyển đổi dữ liệu từ bộ nhớ RAM đến EEPROM:
(bắt đầu chuyển đổi) các tham số thiết lập được lưu trong EEPROM