Đề tài Nghiên cứu nâng cấp hệ thống đo lường và điều khiển máy nén khí UK135/8T nhà máy xi măng Bỉm Sơn

1 Với đề tài "Nâng cấp hệ thống đo lường và điều khiển máy nén khí UK135/8T nhà máy xi măng Bỉm Sơn" Phần I: TÌM HIỂU HỆ ĐO LƯỜNG ĐIỀU KHIỂN MÁY NÉN KHÍ UK135/8T CHƯƠNG 1 Tìm hiểu tổng quan về máy nén khí 1.1. Vai trò và chức năng của máy nén khí trong nhà máy Nhiệm vụ của máy nén là nâng áp suất cho một chất khí nào đó và cấp đủ lưu lượng cho các quá trình công nghệ khác, tạo ra sự tuần hoàn của lưu thể trong chu trình hoặc duy trì áp suất chân không ( cô chân không, sấy thăng hoa) cho các thiết bị khác. Trong nhà máy xi măng nó có nhiệm vụ cụ thể là: -Ổn định dòng chuyển động của liệu. -Xử lý trường hợp liệu bị ùn tắc trong các ống dẫn. -Trộn hay đồng nhất liệu trong quá trình cuối giữa Clanhke và các phụ gia. 1.2. Phân loại máy nén khí Máy nén có thể phân loại như sau: 9 Máy nén làm việc theo nguyên lý thể tích gồm có máy nén pitông, máy nén rôto cánh trượt, máy nén trục vít… 9 Máy nén ly tâm. 2 9 Máy nén làm việc theo nguyên lý cánh nâng. 9 Máy nén tuye. 9 Máy nén một hoặc nhiều cấp. 9 Theo đối tượng nén: máy nén không khí, máy nén khí CO 2 , máy nén hơi NH 3 , máy nén hơi Freon… Theo đặc điểm cấu tạo: máy nén kín, nửa kín và nưa hở (đối với động cơ ). 1.3. Tổng quan về nguyên lý hoạt động của máy nén khí Nguyên lý hoạt động: Máy nén là nhóm máy công tác trong các loại máy thuỷ lực.Khi đi qua máy công tác, lưu thể thu nhận năng lượng. Ngược lại khi đi qua máy động lực thì lưu thể cho năng lượng. Trong quá trình nhận hay cho năng lượng của lưu thể đều tuân theo định luật Becnuli. Các máy công tác làm việc theo nguyên lý chính sau đây : 9 Nguyên lý thể tích. 9 Nguyên lý cánh nâng. 9 Nguyên lý ly tâm. 9 Nguyên lý phun tia. 1.3.1 Nguyên lý thể tích Nguyên lý thể tích được ứng dụng và thiết kế để chế tạo máy nén. Ở các máy nén thì lưu thể là các chất khí hay hơi. Nguyên lý chính của máy là tạo ra một dung tích thay đổi từ nhỏ đến lớn và ngược lại, khi dung tích của máy tăng từ giá trị bằng không đến giá trị lớn nhất được gọi là quá trình hút lưu thể, khi dung tích giảm về không được gọi là quá trình nén và đẩy lưu thể. Cứ mỗi lần hút và đẩy máy vận chuyển một lượng lưu thể nhất định, 3 dung tích này phụ thuộc vào cấu tạo và vòng quay của máy cũng như tính chất và áp lực của lưu thể. Trong quá trình máy hoạt động sự thay đổi trạng thái của lưu thể luôn tuân theo định luật sau đây: PV = const và PV K = const. Trong đó: P-là áp suất lưu thể; V-là thể tích lưu thể; k- hệ số ; k = 1,4; Khi máy làm việc với lưu thể không co dãn ( V = const ) cần tránh tăng hay giảm quá nhanh thể tích làm việc của máy để không làm hư hỏng máy hoặc cháy động cơ do quá tải. Muốn thế cần chú ý: - Trước khi cho máy chạy cần mở van phía cửa đẩy. - Lắp van an toàn để xả nhanh lưu thể từ không gian nén sang không gian hút của máy. 1.3.2 Nguyên lý ly tâm Nguyên lý này giúp ta ngiên cứu chuyển động của chất lỏng chứa đầy trong kênh. 1.3.3 Nguyên lý cánh nâng Đây là nguyên lý thể hiện chiều chuyển động của lưu thể cùng các lực tác dụng lên cánh, nguyên lý này được ứng dụng trong các máy nén hướng trục. 1.3.4 Nguyên lý phun tia Nguyên lý này dựa trên định luật bảo toàn năng lượng của dòng lưu thể, khi áp suất tăng lên thì vận tốc giảm đi hoặc ngược lại, năng suất và áp suất của máy tuỳ thuộc vào vận tốc chất lưu. 4 1.4. Vai trò chức năng của hệ thống đo lường, điều khiển máy nén Để đảm bảo hoạt động của máy nén cũng như năng suất hoạt động của máy cần phải có hệ thống đo giám sát các thông số chất lưu, các thông số đó là: nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, từ các thông số đo được gửi về người vận hành sẽ dựa vào đó để điều chỉnh sao cho máy luôn hoạt động ở chế độ an toàn, đúng các thông số kỹ thuật cho phép, hoặc các thông số đo sẽ được chuyển thành các tín hiệu điện áp hoặc dòng điện bằng các bộ chuyển đổi để đưa vào các đầu vào của PLC. Hệ thống điều khiển máy nén khí nhằm thay đổi các thông số chất lưu ở giới hạn cho phép, ổn định hoạt động của máy, giúp cho việc khởi động và dừng máy. Mạch điều khiển là các mạch điện gồm các rơle, rơle thời gian, các công tắc tơ, áptômát, khởi động từ, các khoá điều khiển tạo thành các mạch dừng, mạch khởi động, mạch bảo vệ lắp trên các tủ điều khiển. 5 CHƯƠNG 2 Tìm hiểu cấu tạo và vận hành của máy nén khí UK135/8T do Nga chế tạo 2.1. Cấu tạo của máy nén khí UK135/8T -Gồm các động cơ bơm dầu phụ, bơm hút, đẩy, nguồn cung cấp cho động cơ là nguồn 380/220v, tần số công nghiệp f = 50hz. -Hệ thống bao gồm các ống hút và ống xả, các tuabin. -Hệ thống van bao gồm: 9 Van tiết lưu. 9 Van nhánh. 9 Van dầu đẩy. 9 Van cấp nước. 9 Van thoát nước. Xét cấu tạo của các van: Van có ảnh hưởng rất lớn đến hệ số cấp của máy nén khí. Nhiệm vụ của chúng là phải đóng mở đúng lúc, khi đóng phải kín, khi mở phải ít gây tổn thất trở lực, tuổi thọ cao, dễ chế tạo, dễ thay thế, không tạo ra nhiều không gian chết. Các bộ phận chính trong mỗi van là: đĩa van, lá van, lò xo, chụp dẫn hướng. 6 Đĩa van được khoan và tạo ra các lỗ van. Kích thước đĩa van, kích thước lỗ van phụ thuộc vào độ lớn máy nén khí. Vật liệu chế tạo đĩa van là: gang thép 45 hay thép 40X. Lợi tì cho lá van phải có độ bóng ▼9 hoặc ▼10, các bề mặt còn lại của đĩa van chỉ cần có độ bóng ▼7 là được. Lá van làm việc ở chế độ nặng tải, tần số chu kỳ của nó đúng bằng số vòng quay của trục máy. Vì vậy vật liệu chế tạo lá van phải là thép lò xo như 70C 2 XA, hoặc Y10A, hoặc 30XГCA. Độ cứng của lá van là HRC48-54. Lá van hình tròn hoặc vành khăn có chiều dày từ 1,5÷2mm. -Thùng dầu. -Máy lọc không khí. -Cơ cấu truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ. -Hệ thống bảo vệ bao gồm: 9 Các đèn báo khi xảy ra sự cố. 9 Các chuông báo tín hiệu âm thanh khi có sự cố. -Hệ thống đo và giám sát các thông số bao gồm: nhiệt độ, áp suất, lưu lượng các thông số trên được đo và kiểm tra bằng các thiết bị đo Dòng điện trong các động cơ máy nén được đo bằng Ampemet. -Hệ thống khởi động và dừng động cơ được điều khiển tại tủ điều khiển bao gồm các công tắc tơ, rơle, aptomat, khởi động từ và các khoá điều khiển tạo thành các mạch dừng và các mạch khởi động. 2.2. Đặc tính kỹ thuật của máy nén khí UK135/8T -Nguồn năng lượng cấp cho hệ thống tự động là nguồn 380/220v,tần số f=50hz. - Công suất định mức của mạng điều khiển va dòng không quá 4kw. - Điều chỉnh áp suất được thực hiện bằng cách thay đổi năng suất của máy nén khí từ 100% đến 0%. 7 Giới hạn điều chỉnh áp suất tuyệt đối : UK-100/6,5 2.5 – 6.5 Kg/cm 2 UK- 135/8 3.0 – 7.8 Kg/cm 2 - Dừng sự cố máy nén khí đồng thời phát ra tín hiệu âm thanh, ánh sáng theo các thông số sau đây : 9 Khi nhiệt độ ổ đỡ và nhiệt độ dầu ra khỏi ổ đỡ lên đến 80 0 C 9 Khi nhiệt độ khí trên đường ống chính lên đến 40 0 C . 9 Khi áp suất dầu trong ống chính giảm đến 0,5 Kg/cm 2 . 9 Khi lưu lượng nước giảm đến 60 m 3 / h. Kiểm tra trực quan : 9 Áp suất khí trên đường ống xả. 9 Áp suất khí trên đường ống hút. 9 Áp suất dầu trong ống góp. 9 Lưu lượng khí cần thiết so với nguồn cấp. 9 Dòng điện của động cơ điện của máy nén khí. - Bộ phận điều chỉnh có thể thực hiện điều khiển tự động từ xa hoặc bằng tay. - Kích thước tủ điều khiển 2.200 x 1.200 x 600 mm. Tủ phân phối 1.920 x 900 x 435 mm. 2.3. Sơ đồ nguyên lý điện 2.3.1. Sơ đồ nguyên lý điện đo lường và điều khiển, bảo vệ máy nén khí UK135/8T (hệ thống điều khiển) 8 2.3.2. Hệ thống rơle mạch điều khiển • 1P và 2P là cặp rơle trung gian tự duy trì cùng với công tắc cuối KBO-III: sẵn sàng, chuẩn bị khởi động ở chế độ tự động. • 3P: là rơle trung gian cho phép khởi động. • 4P: báo hiệu động cơ đã được đóng điện qua cặp tiếp điểm БKC. • 6P: rơle điều khiển bơm dầu khởi động. • 7P: rơle bảo vệ áp lực dầu. • 8P: rơle chuẩn bị khởi động van nhánh. • 9P: rơle chuẩn bị khởi động van tiết lưu. • 10P: rơle bảo vệ áp lực nước qua cặp tiếp điểm PKC. • 11P: rơle bảo vệ lưu lượng khí. Tác động khi lưu lượng khí giảm dưới 60 m 3 /p. • 12P: rơle bảo vệ nhiệt độ dầu. • 13P: rơle bảo vệ nhiệt độ khí. • 14P: rơle trung gian. • 15P: rơle sự cố máy nén khí. • 16P: rơle kiểm tra tín hiệu đèn. • 20P: rơle bảo vệ nhiệt độ gối đỡ. • PB: rơle thời gian, • TC1: đèn báo tủ đã được đóng điện. 9 • TC2: đèn báo cho phép khởi động. • TC3: đèn báo động cơ đã đóng điện. • TC4: đèn báo áp lực dầu thấp hơn định mức. • TC5: đèn báo áp lực nước thấp hơn định mức. • TC6: đèn báo bơm dầu phụ đã được đóng điện. • TC7: đèn báo nhiệt độ dầu tăng quá định mức. • TC8: đèn báo nhiệt độ khí tăng quá định mức. • TC12: đèn báo nhiệt độ gối đỡ tăng quá định mức. • TC13: đèn báo rơle bảo vệ động cơ điện tác động, • K1: nút ấn đưa máy làm việc ở chế độ tự động. • K2: nút ấn dừng sự cố. • K3: nút ấn thử tín hiệu đèn. • A1: aptomat đóng điện van tiết lưu. • A2: aptomat đóng điện van nhánh. • A3: aptomat đóng điện van đẩy. • A4: aptomat đóng điện van nước vào. • A5: aptomat đóng điện van nước ra. • A6: aptomat đóng điện bơm dầu khởi động. • A7: aptomat tổng. • A8: aptomat tủ điều khiển. • MП1: khởi động từ van tiết lưu. • MП2: khởi động từ van nhánh. • MП3: khởi động từ van dầu đẩy. • MП4: khởi động từ van nước vào. • MП5: khởi động từ van nước ra. • MП6: khởi động từ bơm dầu khởi động. 10 • MПO: Mở. • MПZ: Đóng. • K4: nút ấn đóng van tiết lưu. • K5: nút ấn mở van tiết lưu. • K6-K7: điều khiển van nhánh. • K8-K9,…. • БKC: tiếp điểm máy cắt dầu. • PД1: tiếp điểm rơle áp lực dầu. • TP1, TP2: đạt trích nhiệt độ dầu, nhiệt độ khí. • CC: còi. • KB3,KBO: công tắc cực hạn của van tiết lưu, van nhánh, van dầu đẩy, van nước vào, van nước ra. 2.4. Vận hành máy nén khí 2.4.1. Chuẩn bị khởi động Chuẩn bị khởi động máy cần tiến hành đưa các bộ phận điều chỉnh ở vị trí mà nó thoả mãn cho khởi động máy nén khí một cách bình thường và đóng bơm dầu khởi động từ tủ của máy. Để chuẩn bị cho khởi động có thể tiến hành tự động hoặc từ xa. Ban đầu nhấn nút K1, sau đó tiến hành các bước : - Khởi động bơm dầu phụ. - Mở van nhánh. - Sau khi mở hoàn toàn van nhánh, đóng van tiết lưu trên đường ống hút. - Mở van nước vào và nước ra. - Đóng van trên đường ống đẩy. 11 Sau khi thực hiện tất cả các thao tác ở trên với giá trị bình thường của các thông số thì đèn báo của bảng taplô bật sáng “cho phép khởi động” và chuẩn bị mạng khởi động của động cơ. Vị trí biên của các van được kiểm tra bằng các đèn của bảng taplô Mở - Đóng. Trạng thái làm việc của các động cơ điện được kiểm tra bằng các đèn tín hiệu. Các vị trí của van tiết lưu và van nén được kiểm tra bằng vị trí của các kim đồng hồ (%). Công việc chuẩn bị khởi động động cơ được kiểm tra bằng đèn tín hiệu ánh sáng màu xanh lá cây với hiệu lệnh “mạch khởi động”. Trong trường hợp khởi động từ xa tất cả các bộ phận kiểm soát và điều chỉnh được điều khiển bằng các nút bấm của điều khiển từ xa, khởi động bơm dầu được đóng khi quay khoá sang vị trí điều khiển tù xa. 2.4.2. Khởi động máy nén khí Khi khởi động máy nén khí cần phải quay khóa KY sang bên phải,sau đó : - Đóng điện động cơ máy nén khí và đèn “động cơ đã đóng điện” sáng lên. - Vì cùng đồng thời làm việc nên áp suất dầu của máy bơm dầu cơ học (bơm dầu chính) tăng lên, do vậy rơle áp lực dầu sẽ ngắt bơm dầu khởi động, tín hiệu “bơm dầu phụ làm việc” bị tắt. - Sau 3 phút khi động cơ điện máy nén khí làm việc rơle thời gian mở đường ống đẩy vào ống hút. - Sau khi mở van trên đường ống đẩy, van tiết lưu và van nhánh được chuyển sang hệ thống tự động điều chỉnh. Tín hiệu ánh sáng “cho phép khởi động” bị tắt. 2.4.3. Điều chỉnh tự động 12 Hệ thống điều chỉnh tự động chế độ công nghệ của máy nén tuabin dùng để giữ áp suất định trước của đường ống chính không phụ thuộc vào sự thay đổi khí nén. Hệ thống tự động điều chỉnh bao gồm : - Chỉ số áp suất, cột áp suất điện từ xa. - Cơ cấu thực hiện – van tiết lưu trên đường ống hút và van nhánh. - Công cụ thứ hai nối với các cơ cấu tín hiệu, thể hiện lưu lượng trên đường ống chính của bộ tiêu thụ khí. - Áp kế vi sai kiểu дM. Tiến hành điều chỉnh áp suất khí như sau : Khi có sự thay đổi áp suất so với mức đã định, bộ phận điều chỉnh điện tử phát tín hiệu cho các cơ cấu cơ khí thực hiện. Bộ chỉnh điện sẽ đóng, mở van tiết lưu trên đường ống hút và van nhánh. Việc đóng mở các van điều chỉnh được thực hiện bằng cơ cấu tín hiêu của đồng hồ đo lưu lượng, phụ thuộc vào lưu lượng khí trên thang đo trước của dụng cụ đo. Khi lưu lượng khí thấp hơn so với giá trị cho trước theo thang chia của dụng cụ đo thứ hai thì việc điều chỉnh được tiến hành bằng van nhánh. 2.4.4. Dừng máy nén khí Dừng máy nén khí bình thường bằng cách quay khoá điều khiển KY sang bên trái và tiến hành theo trình tự sau: - Van nhánh và van tiết lưu được chuyển sang mạng 220V - Van nhánh được mở ra. - Rơle trung gian mở hoàn toàn van nhánh, đóng van tiết lưu và van chặn trên ống đẩy. 13 - Sau khi đóng van tiết lưu thì dừng động cơ điện của máy nén khí. - Theo áp suất dầu trong ống chính, đóng khởi động bơm dầu. - Trong quá trình máy nén khí làm việc theo quán tính, rơle thời gian đóng van dẫn nước vào, thoát nước ra ngắt bom dầu và khởi động. Chuẩn bị dừng động cơ điện được kiểm tra bằng đèn đỏ và ám hiệu “mạch dừng”. Dừng sự cố máy nén khí tuabin khác với việc dừng máy nén khí ở chế độ bình thường ở chỗ động cơ điện được ngắt ngay lập tức khi bất cứ một thông số nào làm việc bất bình thường mà đã được tính trước bằng thiết bị bảo vệ sự cố. Tiếp theo việc dừng cũng giống như việc dừng bình thường trên tủ điều hành trường hợp bất khả kháng được tính trước bằng nút dừng sự cố của máy nén khí tuabin. Khi ấn nút dừng sự cố, máy nén khí tuabin dừng trong bất kì trạng thái sự cố nào nghĩa là động cơ điện được ngắt ngay lập tức. 2.4.5. Hệ thống bảo vệ và hệ thống kiểm tra Bảo vệ máy nén khí khi nhiệt độ tăng cao ở ổ đỡ bằng dụng cụ KCM đồng bộ với nhiệt kế điện trở. Bảo vệ tăng nhiệt độ dầu bôi trơn và nhiệt độ khí trong ống đẩy bằng rơle nhiệt PT – 200. Bảo vệ áp suất dầu bằng rơle áp lực kiểu Pд-R-01. Khi áp suất dầu hạ thấp đến 97 Kg/cm 2 thì rơle tác động đóng bơm dầu khởi động. Tín hiệu sự cố báo cho rơle áp đã được tính toán có giá trị 0,5 Kg/cm 2 . 14 Bảo vệ máy nén khí khỏi việc giảm lưu lượng nước làm mát bằng rơle áp vi sai. Khi có bất kỳ trạng thái sự cố nào đã được đề cập thì rơle sự cố sẽ tác động. Nhờ đó mà máy nén khí dừng hoạt động theo chương trình sự cố. Dừng sự cố phát các tín hiệu ánh sáng và âm thanh. Tín hiệu ánh sáng chỉ cho ta thấy thông số nào dẫn đến dừng sự cố và được duy trì cho đến khi cắt nguồn điện từ bảng điều khiển. Để quan sát sự làm việc của máy nén khí các thiết bị để kiểm tra các thông số sau: -Áp suất khí trên đường ống hút bằng áp kế chân không MBOIII-160. -Áp suất khí trên đường ống đẩy bằng áp kế loại MOIII-160. -Áp suất dầu trong ống chính loại MOIII-160. Kiểm tra trực quan và ghi nhận trên biểu đồ bằng giấy mô tả lưu lượng khí thực hiện bằng thiết bị cấp 2 (đồng hồ đo KCд2 ) Kiểm tra dòng điện động cơ máy nén khí bằng Ampemet 2.5. Hoạt động của mạch điều khiển 2.5.1. Chuẩn bị khởi động Nút ấn K1 “chuẩn bị khởi động”. Đóng mạch rơle 1P và 2P. Hai rơle này sẽ tự duy trì qua tiếp điểm thường mở 2P và đóng công tắc cuối KBO- III tiếp điểm thường đóng H3K 2P ngắt mạch khởi động van tiết lưu và van nhánh khỏi bộ điều điện. Rơle 1P và 2P bằng tiếp điểm thường mở của mình mở van cấp nước và thoát nước, đóng van trên đường ống đẩy. Đồng thời chuẩn bị đóng mạch rơ le thời gian PB và đóng khởi động bơm dầu phụ. Sau khi hoàn thành các thao tác trên rơle chuẩn bị khởi động 3P bắt đầu làm việc, mà nhờ có các tiếp điểm thường mở đóng mạch đèn trên bảng táplô “cho phép khởi động” và chuẩn bị mạch khởi động cho động cơ máy nén khí. 15 2.5.2. Khởi động máy nén khí bằng cách quay khoá KY sang bên phải Sự tiếp xúc tức thời của khóa KY sẽ đóng mạch khởi động động cơ máy nén khí, các tiếp điểm rơle còn lại ngắt mạch rơle 14P và các tiếp điểm thường mở 14P trong các mạch rơle 7P,10P,13P được tách ra đảm bảo bảo vệ thông tin khi có sự quay trở lại bất kỳ một thông số nào đó từ trạng thái sự cố sang trạng thái bình thường. Khi động cơ vừa khởi động tiếp điểm máy mát dầu БKC từ trạm PП1 đóng lại trên rơle 4P có điện và đèn TC3 sáng trên bảng táplô báo hiệu “động cơ đã đóng điện”. Rơle trung gian 5P và rơle thời gian PB có điện. Sau khi máy nén khí khởi động xong , các tiếp điểm rơle thời gian đóng làm mở van tiết lưu và mở van khí trên ống đẩy. Các công tắc cuối ngắt mạch rơle 1P, 2P, 3P đèn báo trên bảng táplô TC2 “cho phép khởi động ” tắt tiếp điểm thường đóng 2P chuyển khởi động van tiết lưu và van nhánh từ nguồn 220v sang chế độ làm việc của bộ phận điều chỉnh điện. Tiếp điểm thường mở 1P ngắt nguồn điện của rơle thời gian PB. Cùng lúc động cơ khởi động, bộ tăng tốc của máy nén khí làm cho bơm dầu chính làm việc khi áp lực dầu lớn hơn 0.7kg/cm 2 thì tiếp điểm thường đóng của rơle 6P ngắt khởi động bơm dầu. 2.5.3 Dừng máy nén khí bằng cách quay khoá KY về bên trái Qua tiếp điểm tức thời KY đóng điện cho rơle 1P và 2P, qua tiếp điểm còn lại đóng điện cho rơle 14P. Các tiếp điểm thường mở của rơle 14P chuẩn bị mạch đóng các rơle 7P,10P,12P,13P và mạch dừng động cơ máy nén khí . Tiếp điểm còn lại trong mạch CC1 và PB mở ra. Rơle 1P và 2P tự duy trì thông qua tiếp điểm thường mở 14P và 2P. Tiếp điểm 1P đóng mạch rơle thời gian PB, tiếp điểm thường đóng HξK của rơle 2P ngắt mạch làm việc của van nhánh và van tiết lưu ra khỏi đường ra của bộ điều chỉnh điện. 16 Tiếp điểm 2P mở van nhánh. Tiếp điểm công tắc cuối van nhánh KBO-II ngắt mạch rơle 8P, do đó tiếp điểm thường đóng 8P kín mạch để đóng van tiết lưu và van chặn dầu đẩy. Sau khi đóng van tiết lưu mạch dừng của động cơ máy nén khí thông mạch và dừng động cơ máy nén khí khi ngắt mạch động cơ, rơle 4P sẽ mất điện và mở tiếp điểm 4P là đèn TC3 trên bảng táplô tắt ,khi đóng rơle thời gian qua tiếp điểm thường mở 5P. Sau khi máy nén khí dừng 3 phút các tiếp điểm 5PB, 6PB của rơle thời gian PB đóng van trên đường ống dẫn nước vào và ra, 7PB của rơle thời gian cắt bơm dầu khởi động. 2.5.4 Khi có bất kỳ trạng thái sự cố nào xảy ra các thiết bị bảo vệ tương ứng bắt đầu làm việc Các tiếp điểm thường mở của rơle trung gian sẽ đóng mạch cho rơle sự cố, mà nó đưa tín hiệu và ngắt động cơ điện .Sự dừng tự động của máy nén khí được cài đặt bằng chương trình sự cố. Tiếp điểm 15P đóng mạch còi Tín hiệu âm thanh do nhân viên điều hành ngắt bằng cách quay khoá KY sang bên trái. Kiểm tra tín hiệu đèn có thể tiến hành trực tiếp ấn nút K3. 2.5.5. Quy trình vận hành máy nén khí tại tủ điều khiển Gồm các bước sau : a ) Kiểm tra lượng dầu bôi trơn trong thùng chứa, mức dầu phải ở vạch trên của thang đo. b) Kiểm tra máy lọc không khí KдM2006. c) Kiểm tra vị trí các khoá : Khoá KY phải ở vị trí STOP, nghĩa là lá cờ đỏ ở vị trí thẳng đứng còn lá cờ xanh quay sang bên trái. Các khoá đóng mở các 17 bộ phận điều chỉnh và kiểm soát cảu khởi động bơm dầu phải ở vị trí “từ xa”. d) Đóng Áptômát A8 đuă nguồn vào tủ điều khiển, ấn nút kiểm tra tín hiệu đèn của hệ thống. e) Ấn các nút, khóa để đưa các van vào vị trí được ghi trên bảng táplô, kiểm tra trạng thái đóng điện của các động cơ, đèn chỉ báo. 9 Van tiết lưu đóng 9 Van nhánh mở 9 Van dầu đẩy đóng 9 Van cấp nước mở 9 Van thoát nước mở f) Đóng điện cho bơm dầu khởi động g) Kiểm tra áp suất dầu trong hệ thống bôi trơn, áp suất phải đạt 1.2kg/cm2, nhiệt độ dầu từ 30 – 35 0 C . h) Kiểm tra phát hiện xử lý các điểm rò rỉ dầu bôi trơn, nước làm mát. i) Khi đèn tín hiệu “cho phép khởi động” bật sáng chứng tỏ hệ thống điều khiển hoạt động bình thường. j) Ghi lệnh cho trạm PII 1 đưa máy cắt vào vị trí chuẩn bị khởi động máy nén khí. k) Trước khi khởi động phải kiểm tra một lần nữa để thấy sự bình thường. m) Quay khoá KY sang bên phải để đóng điện cho động cơ chính. n) Lắng nghe máy khi tăng tốc và đến thời gian lấy đà kể từ khi khởi động đến khi dạt tốc độ định mức. o) Khi máy đạt tốc độ định mức phải theo dõi đồng hồ áp lực dầu đạt 1,5 kg/cm 2 . p) sau khi chuyển bơm dầu phụ sang chế độ tự động, chỉnh van áp lực dầu tới 1,2 kg/cm 2 18 q) Từ từ tăng tải cho máy nén khí bằng cách mở van tiết lưu và van dầu đẩy, mở hoàn toàn và được kiểm tra bằng đèn tín hiệu trên bảng táp lô. r) Điều chỉnh van tiết lưu, van nhánh để đạt áp suất 6 kg/cm 2 . s) Khi vận hành bình thường máy nén khí UK135/8T có trị số của các thông số kiểm tra là: • Áp suất khí nén 6 kg/cm 2 . • Áp suất dầu 1.2 kg/cm 2 . • Năng suất máy 8200m 3 /h. • Nhiệt độ ổ trục < 80 0 C . • Nhiệt độ khí nén 35÷50 0 C . • Nhiệt độ khí hút 20÷30 0 C . • Nhiệt độ dầu trong ống góp 40÷50 0 C . • Mức chênh lệch nhiệt độ khí làm mát động cơ là 18 0 C . t)Trình tự dừng máy nén khí: Mở toàn bộ van nhánh - Đóng van tiết lưu, van dầu đẩy. Quay khoá KY sang bên trái dừng động cơ chính. Khi áp suất dầu 0.8 đến 10 kg/cm 2 thì đóng bơm dầu khởi động. Khi động cơ dừng hẳn thì cắt bơm dầu phụ, khoá van nước vào, nước ra cắt điện tủ bảng điều khiển. Khi dừng sự cố các thao tác tiếp theo cũng như bình thường. 19 CHƯƠNG 3 Hệ thống đo lường máy nén khí, thông số đo, nguyên tắc và phương pháp đo 3.1 các thông số đo -Đo áp suất. -Đo nhiệt độ. -Đo lưu lượng. 3.2. Nguyên tắc và phương pháp đo 3.2.1. Đo nhiệt độ Các thông số nhiệt cần đo trong máy nén khí: 9 Nhiệt độ ổ đỡ. 9 Nhiệt độ dầu. 9 Nhiệt độ khí trên đường ống chính. Tổng quan chung về đo nhiệt độ. Nhiệt độ là đại lượng ảnh hưởng trực tiếp lên chất lượng của hầu hết các quá trình công nghệ. Vì vậy thiết bị đo nhiệt độ tồn tại ở mọi nơi trong đời sống và kỹ thuật. Nhiệt độ là đại lượng vật lý biểu thị mức độ nóng lạnh của vật thể và môi trường. Giá trị của nhiệt độ đặc trưng cho năng lượng động học trung bình chuyển động của các phần tử vật chất. Nó là một trong những thông số của trạng thái nhiệt. 20 Đơn vị đo nhiệt độ thường sử dụng là Kenvin ( 0 K) hoặc cũng có thể sử dụng nhiệt độ cenxi ( 0 C ). Giá trị hai nhiệt độ này bằng nhau nhưng mốc tính khác nhau T 0 K được gọi là nhiệt độ tuyệt đối, theo nhiệt độ này dưới áp suất tiêu chuẩn nước đông đặc ở 273 0 K và sôi ở 373,15 0 K. Theo nhiệt độ cenxi t 0 C dưới áp suất tiêu chuẩn nước đông đặc ở o 0 C và sôi ở 100 0 C. Vậy ta có biểu thức liên hệ giữa T 0 K và t 0 C : T 0 (K) = t 0 (C) + 273,5. Các điểm mốc chuẩn nhiệt độ thường được lấy bằng giá trị nhiệt độ biểu thị trạng thái cân bằng giữa các pha của các nguyên tố dưới điều kiện tiêu chuẩn: Điểm chuẩn nhiệt độ 0 K 0 C Điểm sôi của hydro 20,28 -252,87 Điểm sôi của oxy 90,188 -182,962 Điểm đông đặc của nước 2 73,15 0 Điểm sôi của nước 373,15 100 Điểm nóng chảy của kẽm 692,63 419,58 Điểm nóng chảy của bạc 1235,08 961,93 Điểm nóng chảy của vàng 1337,58 1064,43 Một số nước phương tây sử dụng thang nhiệt độ Pharenhait( 0 F) và Renkin( 0 Ra). Mối liên hệ giữa 0 K, 0 C , 0 F và 0 Ra như sau: t 0 (C ) = T 0 (K) – 273,15 = 9 5 (n 0 F - 32) = 9 5 m 0 Ra – 273,15. Trong mỗi khoảng nhiệt độ, sử dụng các thiết bị đo chuẩn khác nhau. Thiết bị đo chuẩn cho khoảng nhiệt độ từ 13,81 đến 903,89 0 K là nhiệt kế điện trở bạch kim còn khoảng nhiệt độ từ 630,74 đến 1064,43 0 C sử dụng thiết bị đo chuẩn là cặp nhiệt điện Platinnorodi-Platin. 21 Ở máy nén khí UK135/8T khoảng nhiệt độ cần đo nằm ở mức một cho nên dùng nhiệt kế điện trở để đo bao gồm: nhiệt độ khí nén, nhiệt độ khí hút, nhiệt độ dầu trong ống góp, nhiệt độ gối đỡ. Nguyên lý đo nhiệt độ như sau: Dùng nhiệt kế điện trở. Nhiệt kế điện trở là cảm biến đo nhiệt độ có thể sử dụng để đo nhiệt độ trong khoảng từ -260 đến 750 0 C. Nguyên lý hoạt động của nhiệt kế điện trở dựa vào sự phụ thuộc của điện trở của vật dẫn hay bán dẫn vào nhiệt độ của nó theo công thức: R t = f(R 0 ,t). Trong đó: R 0 là nhiệt độ ở 0 0 C . R t là nhiệt độ ở t 0 C . Nhiệt kế điện trở sử dụng ở máy nén khí này được chế tạo từ dây dẫn là bạch kim, trong khoảng nhiệt độ thay đổi từ 0 đến 660 0 C thì mối liên hệ giữa điện trở và nhiệt độ của bạch kim được mô tả theo công thức: R t = R 0 (1+ 3,64.10 3− t – 5,8.10 7− t 2 ). Để đo được các thông số nhiệt độ của máy nén người ta dùng can nhiệt điện trở nhúng trực tiếp vào môi trường đo. Sơ đồ cấu tạo của nó được mô tả như hình vẽ dưới: 22 Dây điện trở được quấn thành hai đường song song trên một tấm mica 1 có khứa răng cưa, Hai đầu của điện trở được hàn lên hai dây nối 4 bằng bạc hai lá mica2 được ép hai phía lá 1 để cách điện dây điện với vỏ, ống nhôm 3 bảo vệ dây điện trở và các tấm mica khỏi sự tác động cơ học. Hai dây dẫn được cách điện bằng các ống 5, còn đầu cuối của chúng được nối vào hai cốt đấu 8 để nối với mạch ngoài vỏ bảo vệ bằng kim loại 6 được gắn chặt lên đầu nối 9 của can nhiệt điện trở. Hệ thống dây điện trở, dây dẫn và cốt đấu được gắn chặt lên đầu nối qua tấm lót cách điện 7. Tấm lót này có vai trò ngăn không cho nước vào can nhiệt điện trở 10 là nắp đậy của can nhiệt điện trở. Trong một số can nhiệt điện trở người ta ghép thêm các lá đủa mỏng đàn hồi vào giữa các lá mica để giảm quán tính nhiệt và tăng khả năng truyền nhiệt từ vỏ bảo vệ vào dây điện trở. Can nhiệt điện trở dùng trong máy nén là can nhiệt điện trở bạch kim TCП100( hoặc PT-100) có điện trở R 0 = 100Ω. 3.2.2. Đo áp suất chất lưu Các thông số áp suất cần đo trong máy nén khí: 9 Áp suất dầu trong ống chính. 9 Áp suất khí trên đường ống xả, ống hút. 23 9 Áp suất dầu trong ống góp. Áp suất là một trong các thông số quan trọng nhất của chất lưu. Đo áp suất chất lưu chuyển động: Khi chất lưu chuyển động cần phải tính đến 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 của chất lưu gây nên và áp suất tổng cộng Pt là tổng của hai áp suất trên: Pt = Ps + Pd. Áp suất động tác dụng lên mặt phẳng đặt vuông góc với dòng chảy sẽ làm tăng áp suất tĩnh và có giá trị tỷ lệ với bình phương vận tốc. Nghĩa là: Pd = 2 2vρ . Trong đó ρ là khối lượng riêng của chất lưu. Đo các áp suất chất lưu chuyển động được thực hiện bằng cách nối hai đầu ra của ống Pitot hai cảm biến, một cảm biến đo áp suất tổng cộng và một cảm biến đo áp suất tĩnh, trang bị trực tiếp một ăngten là ống Pitot với hai cảm biến áp suất kích thước nhỏ để đo áp suất động. Các màng của cảm biến này được đặt sao cho một màng vuông góc với dòng chảy và màng thứ hai song song với trục ống. Phương pháp chuyển đổi tín hiệu: Bộ chuyển đổi áp điện. 24 Khi sử dụng vật trung gian là một cấu trúc áp điện, ta có thể chuyển đổi trực tiếp ứng lực dưới tác dụng của lực F (do áp suất chất lưu gây nên) thành tín hiệu điện Q. Thí dụ, nếu tạo điện cực kim loại trên một phiến mỏng cắt từ tinh thể thạch anh theo hướng vuông góc với một trong ba trục điện rồi tác dụng lên nó một lực cơ học thì sẽ xảy ra hiện tượng phân cực điện: Trên các bản cực kim loại xuất hiện các điện tích Q. Điện tích này tỷ lệ với lực tác dụng: Q = kF Trong đó k là hằng số áp điện và F là lực tác động. Trường hợp thạch anh, k = 2,32 .10 12− culong/newton. Cấu trúc của phần tử áp điện dạng ống cho phép tăng diện tích bằng cách đơn giản hoá kiểu kết hợp các phần tử. Đối với cấu trúc loại này, điện tích trên các bản cực được tính từ biểu thức: Q = kF 22D 4 d dh − . Trong đó D và d là đường kính trong và đường kính ngoài của ống, h là chiều cao của phần phủ kim loại. Ống được làm bằng cách kết hợp hai phần tử phân cực ngược với mặt đối xứng. Các cảm biến áp điện có thể được giảm thiểu kích thước một cách dễ dàng. Trong trường hợp ống dạng hình trụ có thể giảm đường kính xuống vài mm. 25 Dải áp suất đo được của cảm biến áp điện nằm trong khoảng từ vài mbar đến hàng ngàn bar. Độ nhạy của cảm biến thay đổi trong khoảng từ 0,05 pC/bar đến 1 pC/bar phụ thuộc vào hình dạng phần tử áp điện và dải đo. Độ tuyến tính thay đổi trong phạm vi từ ±0,01 đến ±1% của dải đo với độ trễ nhỏ hơn 0,0001% và độ phân giải 0,001%. Độ lớn của tín hiệu đầu ra thay đổi từ 5 đến 100mV. 3.2.3. Đo lưu lượng Các thông số lưu lượng cần đo trong máy nén khí: 9 Lưu lượng nước. 9 Lưu lượng khí. Đo lưu lượng bằng Rôtamét công nghiệp. Nguyên lý đo lưu lượng bằng Rôtamét công nghiệp: Lưu lượng của dòng chảy khi đi qua bộ phận thu hẹp của dòng chảy tỷ lệ với căn bậc hai của hiệu áp suất hai bên bộ phận thu hẹp và tỷ lệ bậc nhất với diện tích thoát của dòng chảy tại vị trí thu hẹp. Nghĩa là: q = C.F. PΔ với C- hệ số tỷ lệ. Như vậy nếu tạo ra được một thiết bị thay đổi được F khi q thay đổi và bảo đảm ΔP = const thì sẽ có mối liên hệ gần như tuyến tính giữa q và. Lưu 26 lượng của dòng chảy được xác định thông qua giá trị diện tích F. Thiết bị này được gọi là Rôtamét và phương pháp đo lưu lượng bằng Rôtamét được gọi là phương pháp đo lưu lượng theo độ giảm áp không đổi. Nguyên tắc làm việc của Rôtamét công nghiệp: Rôtamét công nghiệp là cảm biến đo lưu lượng theo độ giảm áp không đổi có trang bị các bộ chuyển đổi sang tín hiệu điện hoặc tín hiệu khí nén để truyền đi xa. Các Rôtamét này được chế tạo với thân bằng kim loại, còn phao gắn liên động với chuyển đổi đo. Các Rôtamét công nghiệp sử dụng chuyển đổi đo là biến áp vi sai.Phao của Rôtamét được lồng trong tấm lỗ 2 (hình vẽ dưới), tiết diện của dòng chảy là khe hở giữa thành phao và miệng lỗ. Đồng thời phao cũng được gắn cố định với lõi ferit3 của biến áp vi sai, phao có thể có hai loại: Phao hình côn hoặc phao hình nấm.. Khi trong đường ống có lưu lượng chảy qua thì dưới tác động của áp lực dòng chảy phao sẽ được đẩy lên, tiết diện thoát của dòng chảy tăng lên, áp lực của dòng chảy lên phao giảm xuống. Cho đến khi áp lực của dòng chảy lên phao cân bằng với trọng lượng hệ thống phao thì phao ngừng chuyển động và lõi ferit sẽ có một vị trí xác định trong biến áp vi sai. Điện áp Ur là đại lượng biểu thị lưu lượng của dòng chảy trong đường ống. Cấp chính xác của Rôtamét là 1,5 và 2,5. 27 28 CHƯƠNG 4 Những hạn chế trong đo lường và điều khiển máy nén khí UK135/8T và phương hướng nâng cấp hệ thống. 4.1. Những hạn chế Về mặt điều khiển toàn bộ hệ thống hoạt động là các thiết bị rất cũ của nga, vận hành đều bằng tay, tác động trực tiếp lên thiết bị điều khiển, độ chính xác điều chỉnh không cao vì tất cả các thao tác đều là do trực quan quan sát sau đó điều khiển, độ linh hoạt hệ thống chưa cao, chủ yếu dựa vào chủ quan của người vận hành máy. Do điều chỉnh thủ công nên hiệu suất làm việc của máy chưa cao, đảm bảo máy hoạt động cần có công nhân kỹ sư nhiều kinh nghiệm nên rất khó, vì điều chỉnh thủ công bằng các tiếp điểm cơ khí rất cồng kềnh. Về hệ thống đo chưa được số hoá, các đầu ra của thiết bị đo là các tín hiệu chưa được chuẩn hoá để đưa đi điều khiển chỉ dừng lại ở mức độ đo để kiểm tra các thông số và sau đó điều khiển hoàn toàn bằng cơ khí, chưa tự động hoá được quá trình đo và điều khiển hệ thống. 4.2. Ý tưởng nâng cấp hệ thống và các phuơng án nâng cấp 4.2.1 Các phương án nâng cấp hệ thống Dựa vào yêu cầu điều khiển của bài toán và các yêu cầu kỹ thuật đặt ra, dựa vào số đầu vào điều khiển và số đầu ra điều khiển em xin đưa ra các phương án có thể thực hiện nhiệm vụ đặt ra như sau: 1.Phương án 1: Sử dụng LOGO230RLC để viết chương trình và điều khiển máy nén khí đảm bảo đúng yêu cầu kỹ thuật của hệ thống, sử dụng một Screen để theo dõi hoạt động hệ thống bằng chương trình riêng. 29 +)Ưu điểm của phương án : -Giá thành nâng cấp rẻ. -Ngôn ngữ lập trình khá đơn giản. +)Nhược điểm của phương án: -Độ tin cậy hoạt động không cao, không linh hoạt trong việc viết chương trình điều khiển. -Hoạt động của hệ thống chưa được tối ưu hoá. -Không thể tiến hành điều khiển trực tiếp trên một màn hình máy tính vì không có phần mềm tích hợp các chương trình điều khiển giám sát hệ thống. 2.Phương án 2: Sử dụng PLCS7-200 để viết chương trình và điều khiển hệ thống theo đúng yêu cầu đặt ra vì số đầu vào và đầu ra của hệ thống không quá lớn và chương trình điều khiển cũng không quá phức tạp. +)Ưu điểm của phương án: -Giá thành nâng cấp khá rẻ. -Chương trình điều khiển linh hoạt khắc phục được các lỗi điều khiển và các sự cố được khắc phục và cảnh báo hoàn toàn. -Có phần mềm theo dõi và giám sát hoạt động hệ thống trực tiếp được trên một máy tính trung tâm. +)Nhược điểm của hệ thống: -Chỉ ứng dụng được trong các hệ thống điều khiển nhỏ không đáp ứng được cho các hệ thống lớn. 3.Phương án 3: Sử dụng PLCS7-300 để viết chương trình điều khiển cho máy nén, toàn bộ quá trình giám sát và điều khiển có thể được tiến hành trên máy tính trung tâm bằng phần mềm công nghiệp tích hợp cho hệ thống PCS7. 30 +)Ưu điểm của phương án: -Thoả mãn hoàn toàn yêu cầu của bài toán. -Linh hoạt trong điều khiển. -Có thể ứng dụng cho một hệ thống lớn cho nhiều máy nén. -PLCS7-300 được ứng dụng rộng rãi và phổ biến trong các nhà máy hiện nay nên việc học tập và sử dụng nó cho người điều khiển dễ dàng. +)Nhược điểm hệ thống: -Giá thành đắt hơn các phương án trên. 4.2.2 Lựa chọn phương án nâng cấp Dựa vào các phân tích và yêu cầu đặt ra em chọn phương án 3 để nâng cấp hệ thống bởi các lý do sau: -Bài toán được giải quyết một cách tối ưu. -Tiện lợi trong sử dụng vì các lệnh lập trình không phức tạp, hệ thống đơn giản. -Sử dụng cho một máy nén khí thì giá thành nâng cấp đắt nhưng cho nhiều máy nén thì giá thành lại rẻ. -Để giúp cho việc nghiên cứu và sử dụng nó trong điều khiển bởi nó rất phổ biến hiện nay. -Và mục đích chính là cho việc học tập và tìm hiểu nó trong đề tài tốt nghiệp của em. 4.3. Tổng hợp lại yêu cầu bài toán và các công việc nâng cấp Số đầu vào điều khiển là 22 đầu vào, số đầu ra điều khiển là 31 đầu ra, các công việc cần làm: Thứ nhất: sử dụng hệ lại thống cảm biến cũ nhưng chuẩn hoá các đầu ra cho phù hợp đầu vào PLC, giữ lại mạch điều khiển rơ le, thay bộ chỉnh điện điều chỉnh áp suất bằng chương trình viết sẵn. 31 Thứ hai: thay thế các tiếp điểm cơ khí bằng các tiếp điểm mềm, bằng cách sử dụng PLCS7-300, tự động hoá quá trình vận hành và điều khiển bằng các chương trình phần mềm được viết sẵn. Thứ ba: ngoài chương trình điều khiển viết cho PLC cần phải có một chương trình giúp ta theo dõi hoạt động của máy đồng thời có thể điều khiển máy tại một trung tâm điều khiển xa hiện trường ,bao quát toàn bộ hoạt động của máy tại một máy tính trung tâm. 32 Phần II NÂNG CẤP HỆ THỐNG DÙNG PLCS7-300 CHƯƠNG 1 Xây dựng mô hình hệ thống 1.1. Mô hình hệ thống Hoạt động của hệ thống được mô tả như sau: Tín hiệu đầu vào của PLC được lấy từ thiết bị hiện trường là máy nén khí: bao gồm tín hiệu của các cảm biến, tín hiệu các khoá đóng mở khởi động và dừng máy, các tín hiệu này phải được đưa qua các bộ chuẩn hoá chuẩn điện áp để phù hợp với chuẩn đầu vào của PLC là 24V. Tín hiệu đầu ra của PLC đưa đi điều khiển các quá trình khởi động, dừng máy nén khí, điều chỉnh lưu lượng, đóng mở các van, bảo vệ hay đưa ra các tín hiệu cảnh báo khi có sự cố, khắc phục sự cố bằng chương trình sự cố. Các tín hiệu này được đưa tới mạch điện điều khiển là các mạch rơle. Như vậy hoạt động của máy nén khí được viết sẵn bằng chương trình điều khiển lưu trong bộ nhớ của PLC. Phần giao tiếp giữa PLC và máy tính giám sát (MT) giúp ta theo dõi trạng thái hoạt động của máy nén khí một cách trực tiếp trên màn hình giám sát, phần mềm sử dụng mô phỏng hệ thống được dùng là WCC. 33 CHƯƠNG 2 Giới thiệu tổng quan về họ PLCS7- 300 cùng với ngôn ngữ lập trình của nó Điều khiển dùng PLC nó tạo ra một khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng và linh hoạt dựa vào việc lập trình trên các lệnh logic cơ bản. Hoạt động của PLC là kiểm tra tất cả trạng thái tín hiệu ngõ vào, được đưa về từ quá trình điều khiển, thực hiện logic được lập trong chương trình và kích ra tín hiệu điều khiển cho thiết bị bên ngoài tương ứng. Với các mạch giao tiếp chuẩn ở khối vào và khối ra của PLC cho phép nó kết nối trực tiếp đến những cơ cấu tác động có công suất nhỏ ở ngõ ra và những mạch chuyển đổi tín hiệu ở ngõ vào, mà không cần có mạch giao tiếp hay rơle trung gian. Tuy nhiên cần phải có mạch điện tử công suất trung gian khi PLC điều khiển những thiết bị có công suất lớn. Việc sử dụng PLC cho phép hiệu chỉnh hệ thống điều khiển mà không cần sự thay đổi nào về mặt kết nối dây, sự thay đổi chỉ là thay đổi chương trình điều khiển trong bộ nhớ thông qua lập trình chuyên dùng. Hơn nữa chúng còn có ưu điểm là thời gian lắp đặt và đưa vào sử dụng nhanh hơn so với những hệ thống điều khiển mà đòi hỏi cần phải thực hiện việc nối dây phức tạp giữa các thiết bị rời. 2.1.Giới thiệu thiết bị logic khả trình (PLCS7- 300) Thiết bị điều khiển logic khả trình viết tắt PLC, là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình, thay cho việc phải thực hiện thuật toán đó bằng mạch số. Như vậy với chương trình điều khiển trong mình, PLC trở thành bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh (với các PLC khác hoặc với máy tính). Toàn bộ chương 34 trình điều khiển được lưu trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình (khối OB, FC hoặc FB) và được thực hiện lặp theo chu trình của vòng quét (scan). Nguyên lý chung của PLC: Để có thể thực hiện được chương trình điều khiển PLC phải có tính năng như một máy tính, nghĩa là phải có một bộ vi xử lý, một hệ điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển, dữ liệu và tất nhiên là phải có các cổng vào/ra để giao tiếp với các đối tượng điều khiển và để giao tiếp với môi trường xung quanh… 2.1.1. Các module của PLCS7- 300 Để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế, PLC được thiết kế sao cho không bị cứng hoá về cấu hình. Chúng được chia nhỏ thành các module, số các module được sử dụng nhiều hay ít tuỳ theo từng bài toán, song bao giờ cũng phải có một module chính là module CPU. Các module còn lại là 35 các module truyền/ nhận tín hiệu với đối tượng điều khiển, các module chuyên dụng như PID, điều khiển động cơ…Chúng được gọi chung là các module mở rộng. Tất cả các module được gá trên những thanh ray (Rack). Module CPU: Module CPU là loại module có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ thời gian, bộ đếm, cổng truyền thông (RS485)…và có thể có một vài cổng vào ra số được gọi là cổng vào ra onboard. Có rất nhiều loại module khác nhau chúng được đặt theo tên như CPU312, CPU314,… Những module cùng sử dụng một loại bộ vi xử lý nhưng khác nhau về cổng vào/ra onboard cũng như khối hàm đặc biệt được tích hợp sẵn trong thư viện 36 của hệ điều hành phục vụ việc sử dụng các cổng vào onboard này sẽ được phân biệt với nhau trong tên gọi bằng thêm cụm chữ cái IFM (Intergrated Funtion Module) ví dụ CPU312IFM… Ngoài ra còn có các loại module CPU với hai cổng truyền thông, trong đó cổng truyền thông thứ hai có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng phân tán. Các loại module CPU được phân biệt với những module CPU khác bằng thêm cụm từ DP (Distributed Port) trong tên gọi ví dụ CPU315-DP… Các module mở rộng: Các module mở rộng chúng thường được chia làm 5 loại chính: +) Module PS (Power Supply): Module nguồn nuôi. Có 3 loại 2A, 5A, và 10A. +) Module SM (Signal Module): Module mở rộng cổng tín hiệu vào/ra, bao gồm: -DI (Digital Input) Module mở rộng các cổng vào số, tuỳ vào từng loại module số các cổng có thể là 8, 16, hoặc 32. -DO (Digital Output) Module mở rộng các cổng ra số. -DI/DO: Module mở rộng các cổng vào/ra số, số các cổng vào/ra số mở rộng có thể là 8/8 hoặc 16/16 tuỳ vào từng loại module. -AI (Analog Input) module mở rộng các cổng vào tương tự, về bản chất chúng chính là những bộ chuyển đổi tương tự/số 12 bits (AD), tức là mỗi tín hiệu được chuyển thành một tín hiệu số có độ dài 12 bits. Số các cổng vào tương tự có thể là 2, 4 hoặc 8 tuỳ từng loại module. -AO (Analog Output) module mở rộng các cổng ra tương tự, chúng chính là các bộ chuyển đổi số tương tự . -AI/AO module mở rộng các cổng vào/ra tương tự. +) Module IM (Interface Module): Module ghép nối. Đây là module chuyên dụng có nhiệm vụ nối từng nhóm các module mở rộng với nhau thành một 37 khối và được quản lý chung bởi một module CPU. Thông thường các module mở rộng được gá liền nhau trên một thanh đỡ gọi là Rack. Trên mỗi rack có thể gá được nhiều nhất 8 module mở rộng (không kể module CPU và module nguồn nuôi). Một module CPU S7-300 có thể làm việc trực tiếp được nhiều nhất với 4 racks và các rack này phải được nối với nhau bằng module IM. 2.1.2 Cấu trúc bộ nhớ của CPU S7- 300 +) Vùng chứa chương trình ứng dụng .Vùng nhớ chương trình được chia thành 3 miền : (Load memory). • OB (Organiation block): Miền chứa chương trình tổ chức. • FC (Function): Miền chứa chương trình con được tổ chứa thành hàm có biến hình thức để trao đổi dữ liệu với chương trình đã gọi nó. • FB (Function block): Miền chứa chương trình con, được tổ chức thành hàm và có khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ một chương trình nào khác .Các dữ liệu này phải được xây dựng thành một khối dữ liệu riêng (gọi là DB-data block). +) Vùng chứa tham số của hệ điều hành và chương trình ứng dụng, được phân chia thành 7 miền khác nhau bao gồm: (System memmory) 38 • I (Process image input):Miền bộ đệm các dữ liệu cổng vào số.Trước khi bắt đầu thực hiện chương trình, PLC sẽ đọc giá trị logic của tất cả các cổng đầu vào và cất giữ chúng trong vùng nhớ I • Q (Proces image output):Miền bộ đệm các dữ liệu cổng ra số.kết thúc giai đoạn thực hiện chương trình , PLC sẽ chuyển giá trị logic của bộ đệm Q tới các cổng ra số .thông thường chương trình không trực tiếp gán giá trị tới tận cổng rầm chỉ chuyển chúng vào bộ đệm Q • M: Miền các biến cờ .Chương trình ứng dụng sử dụng vùng nhớ này để lưu giữ các tham số cần thiết và có thể truy nhập nhóm theo bit (M),byte (MB),từ (MW) hay từ kép (MD). • T: Miền nhớ phục vụ bộ thời gian (Timer )bao gồm việc lưu giữ giá trị thời gian đặt trước (PV-Preset value) , giá trị đếm thời gian tức thời (CV-current value) cũng như giá trị logic đầu ra của bộ thời gian. • C: Miền nhớ phục vụ bộ đếm (Counter) bao gồm việc lưu giữ giá trị đặt trước (PV-Preset value) ,giá trị đếm tức thời (CV-Current value) và giá trị logic đầu ra của bộ đếm. • PI: Miền địa chỉ cổng vào của các module tương tự (I/O External input). Các giá trị tương tự tại cổng vào của module tương tự sẽ được module đọc và chuyển tự động theo các địa chỉ. Chương trình ứng dụng có thể truy cập miền nhớ PI theo từng byte (PIB), từng từ (PIW), từng từ kép (PID). • PQ: Miền địa chỉ cổng ra cho các module tương tự, các giá trị theo những địa chỉ này sẽ được module tương tự chuyển tới các cổng ra tương tự. Chương trình ứng dụng có thể truy cập miền nhớ PQ theo từng byte (PQB), từng từ (PQW), từng từ kép (PQD). +) Vùng chứa các khối dữ liệu, được chia thành hai loại: (Work memmory) 39 • DB (Data Block): Miền chứa các dữ liệu được tổ chức thành khối. Kích thước cũng như số lượng khối do người sử dụng quy định, phù hợp với từng bài toán điều khiển. Chương trình có thể truy cập miền này theo từng bit (DBX), byte (DBB), từ (DBW), từ kép (DBD). • L (Local data block): Miền dữ liệu địa phương, được các khối chương trình OB, FC, FB tổ chức và sử dụng cho các biến nháp tức thời và trao đổi dữ liệu của biến hình thức với những khối chương trình đã gọi nó. Nội dung của một số dữ liệu trong miền nhớ này sẽ bị xoá khi kết thúc chương trình tương ứng trong OB, FC, FB. Miền này có thể được truy cập từ chương trình theo bit (L), theo byte (LB), theo từ (LW), hoặc theo từ kép (LD). 2.2.3. Vòng quét chương trình PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp. Mỗi vòng lặp được gọi là vòng quét (scan). Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ các cổng vào số tới vùng bộ đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình. Trong từng vòng quét chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OB1 (Block end). Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo Q tới các cổng ra số. Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm lỗi. 40 Bộ đệm I và Q không liên quan đến cổng vào/ra tươngtự nên các lệnh truy nhập cổng tương tự được thực hiện trực tiếp với các cổng vật lý chứ không qua bộ đệm. Thời gian cần thiết để PLC thực hiện một vòng quét được gọi là thời gian vòng quét (scan time), thời gian vòng quét không cố định tức là không phải vòng quét nào cũng được thực hiện trong một khoảng thời gian như nhau. Có vòng quét được thực hiện lâu, có vòng quét thực hiện nhanh tuỳ thuộc vào số lệnh trong chương trình được thực hiện và khối dữ liệu được truyền thông trong vòng quét đó . Giữa việc gửi tínhiệu để đối tượng xử lý, tính toán đến việc gửi lệnh đến đối tượng điều khiển có một thời gian trễ đúng bằng thời gian vòng quét. Nếu sử dụng các khối chương trình đặc biệt ở chế độ ngắt, PLC sẽ ưu tiên chương trình ngắt được thực hiện cho dù nó đang làm bất cứ việc gì (trừ một số CPU). Tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra, thông thường lệnh không làm việc trực tiếp với cổng vào/ra mà chỉ thông qua bộ đệm ảo của cổng trong vùng nhớ tham số. Việc truyền thông giữa bộ đệm ảo với ngoại vi trong các giai đoạn 1 và 3 do hệ điều hành CPU quản lý. Ở một số module CPU, khi gặp lệnh vào ra ngay lập tức, hệ thống sẽ cho dừng mọi công việc khác, ngay cả chương trình xử lý ngắt, để thực hiện trực tiếp với cổng vào/ra. 41 2.2.4. Cấu trúc chương trình Chương trình cho S7-300 được lưu trong bộ nhớ của PLC ở vùng dành riêng cho chương trình và có thể được lập ở hai dạng khác nhau: +) Lập trình tuyến tính: Toàn bộ chương trình điều khiển nằm trong một khối trong bộ nhớ, khối được chọn là khối OB1, là khối mà PLC luôn quét và thực hiện các lệnh trong nó thường xuyên, từ lệnh đầu tiên đến lệnh cuối cùng và quay trở lại lệnh đầu tiên. +) Lập trình có cấu trúc: Chương trình được chia thành những phần nhỏ với từng nhiệm vụ riêng và các phần này nằm trong những khối chương trình khác nhau. PLCS7-300 có 4 loại khối cơ bản: • Loại khối OB (Organization block): Khối tổ chức và quản lý chương trình điều khiển. Có nhiều loại khối OB mỗi khối có những chức năng khác nhau. Chúng được phân biệt bằng các số nguyên đi sau, ví dụ OB1, OB35, OB40… 42 • Loại khối FC (Program block): Khối chương trình với những chức năng riêng giống như một chương trình con hoặc một hàm. Một chương trình ứng dụng có thể có nhiều khối FC các khối này được phân biệt với nhau bằng số nguyên sau nó ví dụ FC1, FC2… • Loại khối FB (Funtion block): Là loại khối FC đặc biệt có khả năng trao đổi một lượng dữ liệu lớn với các khối chương trình khác. Các dữ liệu này phải được tổ chức thành khối dữ liệu riêng có tên là Data block. Một chương trình ứng dụng có thể có nhiều khối FB, mỗi khối này được phân biệt bằng số nguyên đứng sau nó FB1, FB2… • Loại khối DB (Data block): Khối chứa các dữ liệu cần thiết để thực hiện chương trình. Các tham số của khối do người dùng tự đặt. Một chương trình ứng dụng có thể có nhiều khối DB. Chúng được phân biệt bằng số nguyên đứng sau DB1, DB2… • UDT (User Define Data Type): Là một kiểu dữ liệu đặc biệt do người sử dụng tự định nghĩa. Chương trình trong các khối được liên kết với nhau bằng lệnh gọi khối, chuyển khối. Xem các phần trong các khối như những chương trình con thì S7-300 cho phép gọi chương trình con lồng nhau, tức là chương trình con này gọi một chương trình con khác và từ một chương trình con được gọi lại gọi tới một chương trình con thứ 3. Số các lệnh gọi lồng nhau tuỳ thuộc vào từng chủng loại module CPU mà ta sử dụng. Nếu số lần gọi lồng nhau vượt quá giới hạn cho phép PLC sẽ tự chuyển sang chế độ STOP và đặt cờ báo lỗi. 43 2.2.5. Những khối OB đặc biệt 1. OB1: Chương trình trong khối OB1 được gọi đều đặn trong một vòng quét. Các bước thực hiện khi khối OB1 được gọi: • Hệ điều hành bắt đầu một vòng quét. • CPU ghi tất cả các biến trong bộ đệm cổng ra của "Process Image" tới các module ra. • CPU đọc trạng thái của tất cả các module vào, và cập nhật giá trị các biến vào bộ đệm cổng vào của "Process Image". • CPU xử lý chương trình người sử dụng và thực thi các lệnh có trong chương trình. • Vào cuối vòng quét, hệ điều hành thực hiện những việc còn lại, chẳng hạn như download hoặc xoá các block, nhận và gửi các dữ liệu toàn cục. • Cuối cùng CPU trở lại trạng thái bắt đầu một vòng quét mới. "Process Image": Để CPU có một hình ảnh nhất quán về các tín hiệu quá trình trong vòng quét, CPU không đặt địa chỉ các đầu vào/ra một cách trực tiếp tại các module vào/ra mà sẽ kết nối tới một vùng nhớ trong của CPU có 44 chứa bản sao của tất cả các biến vào/ra. Vào đầu mỗi vòng quét, các giá trị biến ra trong "Process Image" sẽ được đưa tới các cổng ra, và trạng thái các cổng vào được đọc và cập nhật các biến trong "Process Image". 2. OB10-17 (Time of day Interrupt): Chương trình trong các khối OB loại này sẽ được thực hiện khi giá trị của đồng hồ thời gian thực nằm trong một khoảng thời gian đã được quy định. OB10 có thể được gọi một lần, nhiều lần cách đều nhau từng phút, từng giờ…Việc quy định khoảng thời gian hay số lần gọi OB10 được thực hiện nhờ chương trình hệ thống SFC28 hoặc trong bảng tham số của module CPU nhờ phần mềm STEP7. 3. OB20-23 (Time Delay Interrupt): Chương trình trong khối OB20-23 sẽ được thực hiện sau một khoảng thời gian trễ đặt trước kể từ khi gọi chương trình hệ thống SFC32 để dặt thời gian trễ. 4. OB30-38 (Cyclic Interrupt): Chương trình trong OB30-38 sẽ được thực hiện cách đều nhau một khoảng thời gian cố định. Mặc định khoảng thời gian này là 100ms, song ta có thể thay đổi khoảng thời gian này trong bảng tham số của module CPU nhờ phần mềm STEP7. 5. OB40-OB47 (Hardware Interrupt): Chương trình trong khối OB40-47 sẽ được thực hiện khi xuất hiện một tín hiệu báo ngắt từ ngoại vi đưa vào module CPU thông qua các cổng vào/ra số Onboard đặc biệt, hoặc thông qua các module SM,CP,FM. 6. OB80 (Cyle Time Fault): Chương trình trong khối OB80 sẽ được thực hiện khi thời gian vòng quét vượt quá khoảng thời gian cực đại quy định hoặc khi có một tín hiệu ngắt gọi một khối OB nào đó mà khối OB này chưa kết thúc ở lần gọi trước. Mặc 45 định thời gian quét cực đại là 150ms, nhưng có thể thay đổi nó thông qua bảng tham số của module CPU nhờ phần mềm STEP7. 7. OB81 (Power Supply Fault): Module sẽ gọi chương trình trong khối OB81 khi phát hiện thấy có lỗi về nguồn nuôi. 8. OB82 (Diagnostic Interrupt): Chương trình trong khối OB82 được gọi khi CPU phát hiện có sự cố từ các module vào/ra mở rộng. Các module mở rộng này phải là các module có khả năng tự kiểm tra. 9. OB85 (Not Load Fault): CPU sẽ gọi khối OB85 khi phát hiện thấy chương trình ứng dụng có sử dụng chế độ ngắt nhưng chương trình xử lý tín hiệu ngắt lại không có trong OB tương ứng. 10. OB87 (Communication Fault): Khối OB87 sẽ được gọi khi CPU phát hiện thấy lỗi trong truyền thông. 11. OB100 (Start UP Information): Khối OB100 sẽ được thực hiện một lần khi CPU chuyển trạng thái từ STOP sang RUN. 12. OB121 (Synchronous Error): Khối OB121 sẽ được thực hiện khi CPU phát hiện thấy lỗi logic trong chương trình như đổi sai kiểu dữ liệu hoặc lỗi truy cập khối DB,FC,FB không có trong bộ nhớ CPU. 13. OB122: Khối OB122 sẽ được thực hiện khi CPU phát hiện thấy lỗi truy nhập module trong chương trình, ví dụ chương trình có lệnh truy nhập module vào/ra mở rộng nhưng lại không tìm thấy module này. 2.2.6. Ngôn ngữ lập trình cho PLCS7- 300 46 PLCS7-300 có 3 ngôn ngữ lập trình cơ bản đó là: • Ngôn ngữ “liệt kê lệnh”, ký hiệu là STL (Statement list). Đây là dạng ngôn ngữ lập trình thông thường của máy tính. Một chương trình được ghép bởi nhiều câu lệnh theo một thuật toán nhất định, mỗi lệnh chiếm một hàng và đều có cấu trúc chung “tên lệnh”+ “toán hạng”. • Ngôn ngữ “hình thang” ký hiệu LAD (Ladder logic) đây là dạng ngôn ngữ đồ hoạ thích hợp với những người quen thiết kế mạch điều khiển logic. • Ngôn ngữ “hình khối” ký hiệu là FBD (Function block diagram). Đây cũng là kiểu ngôn ngữ đồ hoạ thích hợp với những người quen thiết kế mạch điều khiển số. Trong ngôn ngữ này sử dụng các khối logic cơ bản để lập trình chẳng hạn như: AND, OR, NOT, XOR…Việc lập trình chính là việc kết nối các khối này theo một thuật toán nào đó. 2.2.7. Các thanh ghi trong PLCS7- 300 +) Thanh ghi trạng thái: Trong PLCS7-300 có 1 thanh ghi trạng thái là Status word khi thực hiện lệnh CPU sẽ ghi nhận lại trạng thái của phép tính trung gian cũng như 47 của kết quả vào thanh ghi này. Thanh ghi có độ dài 16 bits nhưng chỉ sử dụng 9 bits. Nó có cấu trúc như sau: • FC (First check) bit kiểm tra. • RLO (Result of logic operation) bit lưu kết quả phép tính logic. • STA (Status bit) bit trạng thái. • OR bit ghi giá trị phép “và” trước khi thực hiện phép “hoặc”. • OS (Stored overflow bit) ghi lại giá trị bit tràn ra ngoài mảng nhớ. • OV (Overflow bit) bit báo tràn kết quả. • CC0 và CC1 (Condition code) hai bit báo trạng thái kết quả của phép tính với số nguyên, số thực, phép dịch chuyển hoặc phép tính logic trong ACCU. • BR (Binary result bit) bit trạng thái cho phép liên kết hai loại ngôn ngữ lập trình STL và LAD. Ngoài ra còn có các thanh ghi khác: • Accumulator gồm hai thanh ghi ACCU1 và ACCU2 giúp việc thực hiện các phép tính số học… • Address register gồm hai thanh ghi AR1 và AR2: thanh ghi định địa chỉ. • Data block register gồm 2 thanh ghi DB và DI. Trong đề tài này em xin phép không trình bày về tập lệnh trong S7- 300, vì tất cả các lệnh trong họ PLC gần giống nhau, và có rất nhiều trong các tài liệu. Chương trình điều khiển máy nén khí em sẽ viết theo kiểu LAD. 48 Như vậy việc chọn PLCS7-300 cho việc tự động hoá điều khiển máy nén khí phù hợp với yêu cầu của đề tài, và vì lý do PLCS7-300 rất phổ biến trong các nhà máy hiện nay. CHƯƠNG 3 Xây dựng sơ đồ khối hoạt động máy nén khí. 3.1. Sơ đồ khối hoạt động của máy nén khí Hoạt động của máy nén được viết dưới sơ đồ khối sau: 49 Chuẩn bị khởi động máy nén khí Khởi động máy nén khí Điều chỉnh các thông số: áp suất và lưu lượng khí cấp cho nơi tiêu Dừng máy nén khí Start Dừng sự cố Dừng sự cố End Không có sự cố Không có sự cố Sự cố Sự cố 50 3.1.1. Các bước chuẩn bị khởi động máy nén khí Chuẩn bị khởi động máy nén khí • Đóng khởi động bơm dầu phụ. • Mở van nhánh. • Đóng van tiết lưu trên đường ống hút. • Mở van nước vào và nước ra. • Đóng van trên đường ống đẩy (van khí nén) • Chuẩn bị khởi động động cơ Sang bước khởi động máy nén Start End 51 3.1.2. Các bước khởi động máy nén khí • Đóng điện động cơ máy nén khí. • Ngắt bơm dầu khởi động, đưa bơm dầu chính vào hoạt động. • Mở van khí nén trên đường ống đẩy. • Mở van tiết lưu trên đường ống hút. • Kiểm tra sự cố. • Dừng nếu có sự cố xảy ra. Start Tự động điều chỉnh áp suất và lưu lượng khí. Khởi động máy nén khí Dừng máy nén khí nếu không có nhu cầu cung cấp khí nơi tiêu thụ. 52 3.1.3. Điều chỉnh tự động máy nén khí Start Điều chỉnh lưu lượng khí, giữ áp suất định trước trên đường ống chính. • Đóng van tiết lưu trên đường ống hút. • Mở van nhánh. Lưu lượng khí giảm, áp lực khí tăng cao • Van tiết lưu mở. • Van nhánh đóng. Lưu lượng khí tăng, áp suất giảm mạnh End Dừng máy nén khí nếu có sự cố xảy ra 53 3.1.4. Các bước dừng máy nén khí (Dừng bình thường) Start Dừng máy nén khí (Dừng bình thường). • Van nhánh mở ra hoàn toàn. • Đóng van tiết lưu, van khí nén. • Dừng động cơ máy nén khí. • Đóng bơm dầu khởi động (Theo áp suất dầu). • Đóng van dẫn nước vào, van nước ra, ngắt bơm dầu khởi động. End 54 3.1.5. Các sự cố máy nén khí dẫn đến dừng máy nén khí • Nhiệt độ ổ đỡ và nhiệt độ dầu ra khỏi ổ đỡ lên đến 80 0 C. • Nhiệt độ khí trên đường ống chính lên đến 40 0 C. • Áp suất dầu trong ống chính giảm 0.5 kg/cm 2 . • Lưu lượng nước giảm 60 m 3 /h. Dừng sự cố máy nén khí khác với việc dừng máy ở chế độ bình thường đó là động cơ điện được ngắt ngay lập tức khi có bất kỳ thông số nào ở trên làm việc bất bình thường, tiếp theo việc dừng cũng tiến hành từng bước như việc dừng bình thường. CHƯƠNG 4 Xây dựng sơ đồ khối cho mạch điều khiển máy nén khí 4.1. Sơ đồ khối mạch chuẩn bị khởi động Start • Đóng Aptomat A7 đưa khởi động từ MПVII vào làm việc. • Ấn nút K1. • Đóng mạch rơle 1P và 2P. • Đóng mạch rơle thời gian PB. End 55 4.2. Sơ đồ khối điều khiển khởi động máy nén khí Start • Quay khoá KY sang bên phải đóng mạch khởi động động cơ. • Ngắt mạch rơle 14P. • Tiếp điểm máy mát dầu БKC đóng lại trên rơle 4P có điện. • Rơle trung gian 5P và rơle thời gian PB có điện . • Công tắc cuối KBO-III ngắt mạch rơle 1P,2P,3P. • Tiếp điểm thường đóng 2P chuyển khởi động van tiết lưu và van nhánh sang chế độ làm việc của bộ chỉnh điện PПИБ. • Tiếp điểm thường mở 1P ngắt nguồn điện rơle thời gian PB, tiếp điểm thường đóng 6P ngắt khởi động bơm dầu. End 56 4.3. Sơ đồ khối điều khiển dừng máy nén khí Start • Quay khoá KY sang bên trái đóng điện cho rơle 1P và 2P, qua tiếp điểm còn lại đóng điện cho rơle 14P. • Tiếp điểm thường mở rơle 14P đóng các mạch rơle 7P, 10P, 12P, 13P và mạch dừng động cơ máy nén khí. • Tiếp điểm còn lại của khoá KY trong mạch CC1 và PB mở ra. • Tiếp điểm 1P đóng mạch rơle thời gian PB. • Tiếp điểm thường đóng HζK của rơle 2P ngắt mạch làm việc của van nhánh và van tiết lưu ra khỏi bộ chỉnh điện PПИБ. • Tiếp điểm thường mở 2P mở van nhánh. • Tiếp điểm công tắc cuối van nhánh KBO-II ngắt mạch rơle 8P do đó tiếp điểm thường đóng 8P kín mạch để đóng van tiết lưu và van chặn dầu đẩy. • Các tiếp điểm 5PB, 6PB đóng van dẫn nước vào và ra, 7PB cắt bơm dầu khởi động. End 57 CHƯƠNG 4 Liệt kê các đầu vào/ra cho PLC 4.1. Các đầu vào cho PLC Gồm có 22 đầu vào cho PLC: • I0.0 = K1 khi ấn nút K1. • I0.1 = KY khi quay KY về bên phải (khởi động máy nén). • I0.2 = K2 khi ấn nút dừng khẩn cấp. • I0.3 = KY khi quay KY về bên trái (dừng máy nén). • I0.4 = Tín hiệu cực hạn KBOIII. • I0.5 = Tín hiệu cực hạn KBOIV. • I0.6 = Tín hiệu cực hạn KBOV. • I0.7 = Tín hiệu cực hạn KB3III. • I1.0 = Tín hiệu БKC đưa vào PLC (tiếp điểm máy cắt dầu). • I1.1 = Tín hiệu áp lực dầu từ PД1 (cảm biến áp lực dầu) • I1.2 = Tín hiệu từ PД2. • I1.3 = Tín hiệu cực hạn KBOII. • I1.4 = Tín hiệu cực hạn KB3I. • I1.5 = Tín hiệu áp lực nước từ PKC (cảm biến áp lực nước). • I1.6 = Tín hiệu lưu lượng khí từ KCД (cảm biến đo lưu lượng khí). • I1.7 = Tín hiệu nhiệt độ dầu làm mát (lấy từ PT1). • I2.0 = Tín hiệu nhiệt độ khí (lấy từ PT2). • I2.1 = Tín hiệu nhiệt độ gối đỡ (KCM). • I2.2 = KB3IV. Tín hiệu cực hạn van nước vào. • I2.3 = KB3V. Tín hiệu cực hạn van nước ra. • I2.4 = KB3II. • I2.5 = KB3I. 58 Các biến nhớ trung gian sử dụng: • M0.0 = Nhớ trung gian (1P). • M0.1 = Nhớ trung gian (3P). • M0.2 = Nhớ trung gian (4P). • M0.3 = Nhớ trung gian (5P). • M0.4 = Nhớ trung gian (6P). • M0.5 = Nhớ trung gian (7P). • M0.6 = Nhớ trung gian (8P). • M0.7 = Nhớ trung gian (9P). • M1.0 = Nhớ trung gian (10P). • M1.1 = Nhớ trung gian (11P). • M1.2 = Nhớ trung gian (12P). • M1.3 = Nhớ trung gian (13P). • M1.4 = Nhớ trung gian (14P). • M1.5 = Nhớ trung gian (15P). • M1.6 = Nhớ trung gian (20P). • M1.7 = Nhớ trung gian. 4.2. Các tín hiệu đầu ra của PLC gồm. Đầu ra của PLC có 31 đầu ra: • Q0.0 = Đầu ra PLC của K1. • Q0.1 = Ra khởi động (nút Start). • Q0.2 = Ra dừng máy (nút Stop). • Q0.3 = Ra còi. • Q0.4 = Ra đèn TC2. • Q0.5 = Ra đèn TC3. • Q0.6 = Ra đèn TC4. 59 • Q0.7 = Ra đèn TC5. • Q1.0 =.Bơm dầu chính. • Q1.1 = Ra đèn TC7. • Q1.2 = Ra đèn TC12. • Q1.3 = Ra đèn TC8. • Q1.4 = Ra đèn TC6. • Q1.5 = Ra đèn TC13. • Q1.6 = Ra đèn TC14. • Q1.7 = Ra đèn TC15. • Q2.0 = Ra đèn TC16. • Q2.1 = Ra đèn TC17. • Q2.2 = Ra đèn TC18. • Q2.3 = Ra đèn TC19. • Q2.4 = Mở van nhánh. • Q2.5 = Đóng van nhánh. • Q2.6 = Đóng van tiết lưu. • Q2.7 = Mở van tiết lưu. • Q3.0 = Mở van khí. • Q3.1 = Đóng van khí. • Q3.2 = Mở van nước vào. • Q3.3 = Đóng van nước vào. • Q3.4 = Mở van nước ra. • Q3.5 = Đóng van nước ra. • Q3.6 = Ra bơm dầu phụ. 60 CHƯƠNG 5 Giới thiệu công cụ lập trình Step7 và Lựa chọn cấu hình phần cứng cho PLC 5.1. Giới thiệu công cụ lập trình Step7 Step7 là một phần mềm hỗ trợ: -Khai báo cấu hình cứng cho một trạm PLC thuộc họ Simatic S7-300/400. -Xây dựng cấu hình mạng gồm nhiều trạm PLC S7-300/400 cũng như thủ tục truyền thông giữa chúng. -Soạn thảo và cài đặt chương trình điều khiển cho một hoặc nhiều trạm. -Quan sát việc thực hiện chương trình điều khiển trong một trạm PLC và gỡ rối chương trình. Ngoài ra Step7 còn có cả một thư viện với đầy đủ các hàm chuẩn hữu ích, phần trợ giúp online rất mạnh có khả năng trả lời mọi câu hỏi của người sử dụng về cách sử dụng Step7, về cú pháp lệnh trong lập trình, về xây dựng cấu hình cứng của một trạm cũng như của một mạng gồm nhiều PLC… 5.2. Soạn thảo một Project trong Step7 Khái niệm Project trong Simatic không đơn thuần chỉ là chương trình ứng dụng mà mở rộng hơn bao gồm tất cả những gì liên quan đến việc thiết kế phần mềm ứng dụng để điều khiển, giám sát một hay nhiều trạm PLC. Theo khái niệm như vậy, trong một Project sẽ có: • Bảng cấu hình cứng cho tất cả các module của từng trạm PLC. • Bảng tham số xác định chế độ làm việc cho từng module của mỗi trạm PLC. • Các logic block chứa chương trình ứng dụng của từng trạm PLC. • Cấu hình ghép nối và truyền thông giữa các trạm PLC. 61 • Các màn hình giao diện phục vụ việc giám sát toàn bộ mạng hoặc từng trạm PLC của mạng. 5.2.1. Khai báo và mở một Project Để khai báo một Project, từ màn hình chính của Step7 sta chọn File → New, hoặc kích chuột tại biểu tượng "New project /Library". Khi đó trên màn hình sẽ xuất hiện hộp hội thoại như hình dưới. Gõ tên Project rồi ấn phím OK và như vậy đã khai báo xong một Project mới. Ngoài ra ta còn có thể chọn nơi Project sẽ cất lên đĩa. Mặc định nơi cất sẽ là thư mục đã được quy định khi cài đặt Step7 đó là thư mục : C:\siemens\step7\s7proj 62 Trong trường hợp muốn mở một Project đã có, ta chọn File→open hoặc kích chuột tại biểu tượng "Open Project\Library" từ cửa sổ chính của Step7 rồi chọn tên Project muốn mở như hình bên. 5.3. Xây dựng cấu hình phần cứng cho PLC Để đáp ứng cho yêu cầu nâng cấp hệ thống cũng như đảm bảo cho hệ thống hoạt động theo đúng yêu cầu đề ra, ta sẽ lựa chọn cấu hình phần cứng 63 sao cho đảm bảo đủ các đầu vào/đầu ra, các yêu cầu giao tiếp với máy tính bằng các giao thức công nghiệp, sao cho đạt được mục đích tối ưu trong xử lý và tiết kiệm được chi phí nhiều nhất. Theo số đầu vào/đầu ra và yêu cầu xử lý công việc ta sẽ chọn PLC có cấu hình như sau: Cấu hình phần cứng cho PLCS7-300: • Một module nguồn nuôi 5A. • Một module CPU314. • Một module DI 32 bits. • Một module DO 32 bits. • Một module DI/DO 8 vào/8 ra Dùng Step7 xây dựng cấu hình phần cứng cho PLC: Project ta xây dựng sẽ có tên "Trạm PLC máy nén". Khai báo cấu hình phần cứng cho PLCS7-300 bằng cách vào "Insert →Station →Simatic 300 Station": 64 Sau khi đã khai báo một trạm (chèn một station) ta có tên trạm SIMATIC300(1). Thư mục SIMATIC300(1) chứa tệp thông tin về cấu hình cứng của trạm. Nháy chuột vào biểu tượng Hardware ta sẽ khai báo cấu hình phần cứng của trạm trong đó bao gồm: -Khai báo các thanh ray (Rack). -Các module nguồn nuôi. -Module CPU. -Các module mở rộng trên rack.. Các giao thức truyền thông cũng được lựa chọn. 65 Hình trên mô tả việc chon cấu hình phần cứng cho một trạm PLC với bảng cấu hình phần cứng, trên phần mềm Step7 cũng xác định luôn cho ta địa chỉ từng module theo một quy tắc đánh địa chỉ đúng yêu cầu. Ta hoàn toàn có thể đặt các tham số làm việc cho các module CPU và cho các module mở rộng trong Step7 ta hoàn toàn có thể thực hiện được điều này. 66 Chương 6: Viết chương trình điều khiển cho máy nén khí bằng phần mềm Step7 //Chương trình điều khiển hoạt động máy nén khí UK135/8T. 67 68 69 70 71 72 73 74 75 CHƯƠNG 7 Giới thiệu vê phần mềm điều khiển giám sát WinCC 7.1. Giới thiệu về WinCC WinCC là một hệ thống giao diện người và máy xây dựng trên nền hệ điều hành WindowNT và Window2000, giao diện người và máy ở đây có nghĩa là giao diện giữa người vận hành và quá trình kỹ thuật. Một mặt hệ thống quản lý việc giao tiếp giữa WinCC và người vận hành, đồng thời quản lý giao tiếp giữa WinCC và hệ thống điều khiển tự động. WinCC được sử dụng để minh hoạ hình ảnh quá trình và phát triển giao diện đồ hoạ người sử dụng tới người vận hành: -WinCC cho phép người vận hành quan sát được quá trình .Quá trình được hiển thị bằng các hình ảnh đồ hoạ trên màn hình Và sự hiển thị được cập nhật thường xuyên mỗi khi các biến quá trình thay đổi . 76 -WinCC cho phép người vận hành điều khiển quá trình. Họ có thể :Đặt trước các Setpoint hoặc mở van, chạy động cơ …. từ giao diện đồ hoạ người sử dụng. -Các cảnh báo sẽ tự động hiển thị mỗi khi có một sự kiện về một trạng thái giớihạn nào đó của quá trình . -Khi lam việc với WinCC ,các biến quá trình có thể được tự động thu thập và lưu trữ, in ấn. Các đặc điểm nổi bật của WinCC: -WinCC là một thành phần hệ thống tích hợp tổng thể TIA(Totally Intergrated Automation), WinCC làm việc rất hiệu quả với các hệ thông làm việc tự động hoá thuộc dòng SIMATIC. Các hệ thống từ các nhà sản xuất khác cũng được hỗ trợ . -Dữ liệu của WinCC có thể trao đổi với các giải pháp công nghệ thông tin khác thông qua giao diện chuẩn , ví dụ tầng ứng dụng MES và ERP hoặc các ứng dụng như Excel . -Giao diện lập trình mở cho phép ta có thể kết nối chương trình và khi đó có thể điều khiển quá trình và dữ liệu quá trình . -WinCC có thể có nhiều loại cấu hình khác nhau phù hợp với nhiều phạm vi ứng dụng khác nhau : từ hệ thống ột nhười sử dụng ,client- server cho tới lựa chọn dự phòng ,hệ phân tán với nhiều máy chủ . -Việc cấu hình WinCC có thể chỉnh sửa bất cứ lúc nào mà không ảnh hưởng tới dự án. -WinCC là hệ thống có hỗ trợ kết nối Internet, thuận tiện cho việc xây dựng các trạm tới trên nền Web. 77 7.1.1 Các phần tử hệ thống Cấu trúc hệ thống : WinCC được xây dựng theo kiểu module . Nó có chứa hệ thống các phần tử WinCC cơ bản và có thể thêm vào các lựa chọn: WinCC Option và WinCC add-ons. 7.1.2. Các đối tượng cơ bản -Hệ thống đồ hoạ. -Hệ thống cảnh báo, báo động (Alarm Logging). -Logging System. -Hệ thống truyền thông. -Hệ thống quản lý truy cập. Các đối tượng cơ bản của WinCC được xây dựng từ hai thành phần :Phần mềm cấu hình (Configuration) và phần mềm vận hành (Runtime). -Ta sử dụng phần mềm cấu hình để xây dựng Project. -Phần mềm vận hành dùng để thực hiện Project. 78 7.1.3. Các lựa chọn của WinCC Các lựa chọn của WCC cho phép chúng ta mở rộng chức năng của hệ thống WCC cơ bản . Có các lựa chọn sau : WinCC Option Ứng dụng (Application) WinCC/Web Navigator Cho phép vận hành và quan sát quá trình thông qua Internet và Itranet. WinCC/Server Cho phép một hoặc nhiều trạm tớ liên kết tới một trạm chủ. WinCC/User Archive Cho phép tạo khung dữ liệu với bất cứ cấu trúc dữ liệu nào. Dữ liệu lưu trữ trong WinCC có thể trao đổi với các hệ thống khác liên kết với nó. Do đó người sử dụng có thể nhập một công thức dữ liệu, lưu trữ nó và truyền xuống cho hệ điều khiển tự động. WinCC/Redundancy Cho phép lựa chọn dự phòng Server hay không. WinCC/ProAgent Hỗ trợ chuẩn đoán quá trình cho hệ điều khiển tự động S7. WinCC/Messenger Cho phép gửi email với âm thanh, hình ảnh, hình động cả tự động và do người vận hành điều khiển. Cho phép forward các bản tin, thông báo, cảnh báo bằng email tới bất cứ vị trí nào của hệ thống. Việc này giúp cho việc chuẩn đoán dễ dàng hơn. WinCC/Guardian Cho phép theo dõi bằng hình ảnh một cách cẩn thận với những vùng nhạy cảm khó kết nối tới. Khi có sự kiện thay đổi trạng thái, màu sắc hay di chuyển, một bản tin sẽ tạo ra. Quá trình được ghi lại bằng camera 79 và lưu giữ trong cơ sở dữ liệu hình ảnh. WinCC/Industrial X Cung cấp các hỗ trợ khi tạo ra các màn hình riêng hoặc các phần tử điều khiển (ActiveX) với Visual Basic. Các điều khiển ActiveX trên có thể tích hợp với màn hình của WinCC WinCC/ODK Cung cấp các hỗ trợ khi phát triển các ứng dụng riêng kết nối với dữ liệu cấu hình và dữ liệu vận hành của WinCC. Lưu trữ dữ liệu giao diện lập trình giữa WinCC và C. WinCC/CDK Cung cấp các hỗ trợ khi phát triển các kênh riêng. Lưu trữ dữ liệu giao diện lập trình giữa WinCC với hệ điều khiển. WinCC/Basic Process Control Cung cấp hỗ trợ cho dự án điều khiển quá trình và trong trường hợp các hệ thống lớn bao gồm có nhiều màn hình. Khi đó có thể xây dựng hệ thống màn hình vận hành phân cấp WinCC/Storage Lưu trữ dữ liệu với WinCC. 7.1.4.WinCC Add-Ons WinCC add-ons là các sản phẩm và giải pháp cho các ứng dụng đặc biệt. 7.2.Hệ thống đồ hoạ trong WinCC Các nhiệm vụ của hệ thống đồ hoạ: Trong quá trình cấu hình, hệ thống đồ hoạ sử dụng để xây dựng các màn hình vận hành sẽ hiển thị khi vận hành. Hệ thống vận hành quản lý các nhiệm vụ sau: 80 -Hiển thị các phần tử đồ hoạ trên màn hình vận hành, chẳng hạn như ký tự, hình ảnh hoặc nút bấm -Cập nhật các phần tử của màn hình theo chu kỳ, tuỳ thuộc theo các tag liên kết động với nó. -Phản ứng với dữ liệu nhập vào bởi người vận hành, chẳng hạn như bấm nút, nhập dữ liệu vào… Các phần tử của hệ thống đồ hoạ: -Graphic Designer: Là thành phần cấu hình hệ thống của hệ thống đồ hoạ. Graphic Designer là công cụ để soạn thảo các màn hình vận hành. -Graphic Runtime: Là thành phần vận hành của hệ thống đồ hoạ, nó hiển thị các hình ảnh trên màn hình trong quá trình vận hành và quản lý tất cả các đầu vào/ra của giao diện vận hành. Thư viện: Thư viện các module giúp ta có thể xây dựng các màn hình một cách hiệu quả, nó có chứa hầu hết các đối tượng đồ hoạ cần thiết cho việc xây dựng màn hình vận hành, để sử dụng các phần tử trong thư viện ta chỉ cần sử dụng phương pháp kéo thả. -Thư viện module: có chứa các phần tử đồ hoạ, được xây dựng sẵn cung cấp bởi hệ thống chẳng hạn như motor, valve, cable… -Thư viện do người sử dụng xây dựng: Ta có thể tạo các đối tượng đồ hoạ riêng và lưu trữ trong thư viện. Ngoài ra WinCC còn rất nhiều các thành phần khác như: Alarm Logging, Report Designer…. 81 Các thành phần trong WinCC 7.3. Xây dựng màn hình vận hành điều khiển máy nén khí trên WinCC 82 CHƯƠNG 8 lựa chọn giao thức truyền thông cho hệ thống 8.1. Industrial Ethernet Industrial Ethernet xây dựng dựa theo chuẩn 802.3 với đường truyền dữ liệu là 10Mbps, có khả năng kết nối với rất nhiều trạm. Dùng để kết nối các PLC với các trạm ES hoặc OS. Phương tiện truyền thông: -Triaxial cable (shielded coaxial cable). -ITP (Industrial Twisted Pair). -Fiber-optic cable. 8.2.PROFIBUS-DP PROFIBUS-DP nhằm đáp ứng các yêu cầu cao về tính năng thời gian trong trao đổi dữ liệu dưới cấp trường, giữa các PLC với các thiết bị trường phân tán như các thiết bị đo, truyền động và các van…Việc trao đổi dữ liệu ở đây được thực hiện chủ yếu theo cơ chế chủ/tớ. Các dịch vụ truyền thông cần thiết được định nghĩa qua các hàm DP cơ sở theo tiêu chuẩn EN50170. Phương tiện truyền thông: PROFIBUS-DP có thể sử dụng hai loại cáp -Industrial Twisted Pair (ITP). -Cáp quang. 83 8.3.Mô hình 84 KẾT LUẬN Với các nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp đã đặt ra: "Nâng cấp hệ thống đo lường ,điều khiển máy nén khí UK135/8T". Em đã hoàn thành được các công việc sau: Phần I: Nhiệm vụ : Tìm hiểu tổng quan về hệ đo lường điều khiển máy nén khí UK135/8T. -Tìm hiểu tổng quan về máy nén khí. -Tìm hiểu cấu tạo và vai trò máy nén khí UK135/8T trong nhà máy. -Tìm hiểu hệ đo lường và điều khiển máy nén khí UK135/8T. -Tìm hiểu những hạn chế về mặt đo lường và điều khiển máy nén khí. -Đề xuất các phương án nâng cấp việc điều khiển máy nén. Phần II: Nâng cấp hệ thống đo lường và điều khiển máy nén khí UK135/8T. -Lựa chọn phương án nâng cấp dùng PLCS7-300. -Thay thế một số thiết bị trong hệ thống đo lường điều khiển cũ. -Tìm hiểu về bộ điều khiển logic khả trình PLCS7-300. -Tìm hiểu công cụ lập trình Step7 cho PLC. -Xây dựng cấu hình phần cứng cho PLC, -Viết chương trình điều khiển máy nén khí. -Tìm hiểu về phần mềm điều khiển giám sát WinCC. -Xây dựng mô hình theo dõi, giám sát hệ thống bằng WinCC. -Tìm hiểu về các giao thức truyền thông công nghiệp: Industrial Ethernet, Profibus-DP. -Ứng dụng các giao thức truyền thông trong hệ thống. Những hạn chế: -Chỉ xây dựng được mô hình cho một máy nén khí. -Chưa xây dựng được giao thức truyền thông trong hệ thống. 85 -Chưa tìm hiểu hết các công cụ trong Step7. -Chương trình điều khiển và mô hình theo dõi giám sát chưa được thực hiện trong thực tế mà chỉ kiểm tra và mô phỏng trên máy tính. Hướng phát triển của đồ án: -Ngiên cứu hết các công cụ trong Step7. -Xây dựng mô hình cho tất cả các máy nén trong nhà máy. -Nếu có điều kiện có thể thực hiện ứng dụng thực tế trong nhà máy xi măng Bỉm Sơn. 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO -Giáo trình cảm biến - Phan Quốc Phô và Nguyễn Đức Chiến. -Cơ sở tự động hoá - TS.Nguyễn Văn Hoà. -Khí cụ điện - Phạm Văn Chới-Bùi Tín Hữu-Nguyễn Tiến Tôn. -Mạng truyền thông công nghiệp - Hoàng Minh Sơn. -Tự động hoá với SIMATICS7-300 - Nguyễn Doãn Phước - Phan Xuân Minh. -Bơm quạt máy nén - Nguyễn Văn May. -Siemens Mannual - Siemens.