Mô hình giám sát và điều khiển máy nén khí với PLC và biến tần tiết kiệm điện năng
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (10.76 MB, 76 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HỒ CHÍ MINH
VIỆN KỸ THUẬT HUTECH
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
MƠ HÌNH GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY NÉN KHÍ
VỚI PLC VÀ BIẾN TẦN TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG
Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hoá
Giảng viên hướng dẫn: TS. Lê Quang Đức
Sinh viên thực hiện:
MSSV:
Lớp:
Bùi Thanh Bình
1711050237
17DTDA2
Vũ Minh Duy
1711300204
17DTDA2
Hồ Hồng Long
1711050260
17DTDA2
TP. Hồ Chí Minh, 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HỒ CHÍ MINH
VIỆN KỸ THUẬT HUTECH
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
MƠ HÌNH GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY NÉN KHÍ
VỚI PLC VÀ BIẾN TẦN TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG
Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hoá
Giảng viên hướng dẫn: TS. Lê Quang Đức
Sinh viên thực hiện:
MSSV:
Lớp:
Bùi Thanh Bình
1711050237
17DTDA2
Vũ Minh Duy
1711300204
17DTDA2
Hồ Hồng Long
1711050260
17DTDA2
TP. Hồ Chí Minh, 2021
LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên nhóm thực hiện đề tài xin chân thành cảm ơn tới thầy Lê Quang Đức,
thầy đã tận tình hướng dẫn cho nhóm từ những vấn đề nhỏ nhặt nhất cho tới việc hoàn
thành tốt đề tài.
Bên cạnh đó nhóm cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn các thầy cô trong viện kỹ
thuật Hutech đã tạo điều kiện tốt nhất cho nhóm em hồn thành đề tài. Những kiến thức
bổ ích mà các thầy cơ đã dạy, nó được áp dụng vào đề tài Đồ Án Tốt Nghiệp rất nhiều, từ
những kiến thức nhỏ nhặt nhất tới những bài học lớn. Một lần nữa nhóm em xin được gửi
lời cảm ơn tới tất cả thầy cô, nếu khơng có thầy cơ thì chắc giờ này nhóm khó có thể
hồn thành đề tài.
Nhóm em cũng gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn lớp 17DTDA2 đã chia sẻ trao đổi
kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề tài, và cũng
là lớp học có nhiều kí ức nhất thời sinh viên chúng em.
Cuối cùng là gừi lời cảm ơn đến Cha, Mẹ nếu khơng có hai đấng sinh thành thì
ngày hơm nay cũng khơng có ai hiện diện ở đây để thực hiện những việc mình muốn, họ
đã tạo mọi điều kiện để giúp con mình hướng tới một tương lai tốt đẹp.
Tuy nhiên, trong quá trình thực hiện đề tài, do kiến thức chun ngành cịn nhiều
hạn chế nên nhóm em vẫn cịn nhiều thiếu sót khi tìm hiểu, đánh giá và trình bày đề tài.
Rất mong được sự góp ý, quan của các quý thầy cô trong bộ môn để đề tài của em được
hoàn chỉnh và đầy đủ hơn.
Xin chân thành cảm ơn.
Nhóm thực hiện đề tài:
(Ký và ghi rõ họ tên)
viii
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI ................................................................................... 1
1.
Đặt vấn đề: ............................................................................................................. 1
2.
Mục tiêu đề tài: ...................................................................................................... 1
3.
Giới hạn đề tài: ....................................................................................................... 2
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN về GIẢI PHÁP VẬN HÀNH MÁY NÉN KHÍ ................... 3
1.
Xác định vấn đề: .................................................................................................... 3
2.
Tổng quan về máy nén khí: .................................................................................... 3
3.
Cung cấp và xử lí nguồn khí nén nguồn năng lượng trong hệ thống khí nén: ...... 4
a)
Khí nén: .............................................................................................................. 4
b)
Phân phối khí nén: .............................................................................................. 5
c)
Xử lý nguồn khí nén: .......................................................................................... 6
d)
Hệ thống điều khiển máy nén khí: ...................................................................... 8
4.
Các loại tín hiệu điều khiển: .................................................................................. 9
a)
Điều khiển vịng kín: ........................................................................................ 10
b)
Điều khiển vòng hở: ......................................................................................... 11
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT ................................................................ 12
1.
Mô tả hệ thống: .................................................................................................... 12
a)
Mô tơ khởi động: .............................................................................................. 12
b)
Mô tơ vận hành: ................................................................................................ 12
c)
Hệ thống điều khiển điện tử: ............................................................................ 13
2.
Cơng nghệ điều khiển máy nén khí bằng biến tần: .............................................. 13
3.
Bảo trì - bảo dưỡng máy nén khí: ........................................................................ 16
a)
Bảo dưỡng hàng ngày: ...................................................................................... 16
b)
Bảo dưỡng hàng tuần: ....................................................................................... 16
ix
c)
Bảo dưỡng hàng tháng: ..................................................................................... 16
4.
Tình huống cụ thể và cách xử lý đối với từng sự cố máy nén khí: ...................... 17
5.
Mục tiêu mong muốn: .......................................................................................... 18
1.
Hệ thống điều khiển máy nén khí hồn chỉnh: .................................................... 19
a)
Các cơ cấu chấp hành trong hệ thống: .............................................................. 19
b)
Thiết kế hệ thống của nhóm: ............................................................................ 20
c)
Mơ tả hệ thống: ................................................................................................. 23
2.
Sơ đồ khối của hệ thống:...................................................................................... 26
3.
Sơ đồ mạch: ......................................................................................................... 28
4.
Lưu đồ giải thuật: ................................................................................................. 31
5.
Danh sách vật liệu và linh kiện: ........................................................................... 32
a)
PLC Siemens S7-1200: ..................................................................................... 32
b)
Biến tần Mitsubishi E700: ................................................................................ 34
c)
Cảm biến áp suất: ............................................................................................. 37
d)
Nguồn 24V-5A: ................................................................................................ 39
e)
Máy nén khí Ribbin 1HP: ................................................................................. 41
f)
CB MPE MP6-C206: ........................................................................................ 43
g)
Màn hình HMI: ................................................................................................. 44
h)
Tủ điện: ............................................................................................................. 46
i)
Đèn báo: ............................................................................................................ 47
j)
Nút nhấn: .......................................................................................................... 48
k)
Cáp kết nối PLC Siemens với màn hình HMI: ................................................. 50
l)
Module In/Out Analog Siemens: ...................................................................... 51
CHƯƠNG 5: THI CÔNG MƠ PHỎNG ........................................................................... 52
1.
Mơ phỏng trên LabView: ..................................................................................... 52
x
2.
Thiết kế mô phỏng đề tài trên TIA Portal V15.1: ................................................ 52
3.
Thiết kế màn hình HMI giám sát: ........................................................................ 60
CHƯƠNG 6: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ............................................................................... 62
1.
Phân tích, đánh giá kết quả: ................................................................................. 62
a)
Những kết quả đã đạt được:.............................................................................. 62
b)
So sánh lượng kết quả điện năng tiêu thụ của máy nén khí sử dụng biến tần so
với máy nén khí thường chạy chế độ Load - Unload (tải - không tải): ..................... 63
c)
2.
Những mặt hạn chế: .......................................................................................... 63
Kết luận: ............................................................................................................... 64
xi
DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG
Hình 1: Máy nén khí trục vít và máy nén khí piston (nguồn: Internet) ............................... 4
Hình 2: Máy nén khí kiểu piston (nguồn: Internet) ............................................................. 5
Hình 3: Máy nén khí kiểu cánh gạt (nguồn: Internet) ......................................................... 5
Hình 4: Hệ thống phân phối khí nén (nguồn: Internet) ...................................................... 6
Hình 5: Cấu tạo và kí hiệu bộ lọc khí (nguồn: Internet) ..................................................... 7
Hình 6: Cấu tạo và van lọc khí nén (nguồn: Internet) ........................................................ 7
Hình 7: Van điều chỉnh áp suất (nguồn: Internet) .............................................................. 8
Hình 8: Cấu tạo và kí hiệu van tra dầu (nguồn: Internet) .................................................. 8
Hình 9: Hệ thống điều khiển khí nén (nguồn: Internet) ...................................................... 9
Hình 10: Tín hiệu tương tự (nguồn: Internet) ................................................................... 10
Hình 11: Tín hiệu rời rạc (nguồn: Internet) ...................................................................... 10
Hình 12: Hệ thống điều khiển vịng kín vị trí xi-lanh (nguồn: Internet) ........................... 10
Hình 13: Hệ thống điều khiển vịng hở tốc độ động cơ (nguồn: Internet) ........................ 11
Hình 14: Một hệ thống điều khiển máy nén khí (nguồn: Internet) .................................... 12
Hình 15: Điều khiển hệ thống máy nén khí bằng biến tần (nguồn: Internet) ................... 14
Hình 16: Chuyển đổi cơng suất tiết kiệm điện năng (nguồn: Internet)............................. 15
Hình 17: Màn hình HMI thể hiện thơng số của động cơ (nguồn: Internet) ...................... 15
Hình 18: Bảng tình huống cụ thể và cách xử lý đối với từng sự cố máy nén khí (nguồn:
Internet) ............................................................................................................................. 18
Hình 19: Sơ đồ điều khiển và giám sát của hệ thống (nguồn: Internet) ........................... 19
Hình 20: Bản vẽ bên trong tủ điện .................................................................................... 20
Hình 21: Bản vẽ bên ngồi tủ điện .................................................................................... 20
Hình 22: Phần mềm lập trình PLC Siemens (nguồn: Internet) ......................................... 21
Hình 23: Phần mềm WinCC để thiết kế giao diện SCADA (nguồn: Internet) .................. 22
xii
Hình 24: Bảng cài đặt thơng số cơ bản (nguồn: Internet) ................................................ 22
Hình 25: Bảng cài đặt các chân ngõ ra (nguồn: Internet) ................................................ 23
Hình 26: Bảng cài đặt bảo vệ biến tần (nguồn: Internet) ................................................. 23
Hình 27: Sơ đồ điều khiển PID (nguồn: Internet) ............................................................. 24
Hình 28: Biểu đồ điều khiển tín hiệu PID (nguồn: Internet) ............................................ 25
Hình 29: Sơ đồ tổng thể hệ thống ...................................................................................... 26
Hình 30: Sơ đồ mạch điều khiển ....................................................................................... 28
Hình 31: Sơ đồ mạch động lực .......................................................................................... 29
Hình 32: Sơ đồ kết nối HMI .............................................................................................. 30
Hình 33: Lưu đồ giải thuật ................................................................................................ 31
Hình 34: PLC Siemens S7-1200 (nguồn: Internet) ........................................................... 32
Hình 35:Biến tần Mitsubishi E700 (nguồn: Internet) ....................................................... 34
Hình 36: Sơ đồ chân của biến tần Mitsubishi E700 (nguồn: Internet) ............................. 34
Hình 37: Cảm biến áp suất (nguồn: Internet) ................................................................... 37
Hình 38: Cấu tạo của cảm biến áp suất (nguồn: Internet) ............................................... 37
Hình 39: Nguồn tổ ong 24VDC (nguồn: Internet) ............................................................ 39
Hình 40: Đấu dây vào nguồn tổ ong (nguồn: Internet) .................................................... 39
Hình 41: Máy nén khí Ribbin 1HP (nguồn: Internet) ....................................................... 41
Hình 42: Cấu tạo máy nén khí piston (nguồn: Internet) ................................................... 41
Hình 43: CB MPE MP6-C206 (nguồn: Internet) .............................................................. 43
Hình 44: Cấu tạo của CB (nguồn: Internet) ..................................................................... 43
Hình 45: Màn hình HMI Weintek (nguồn: Internet) ......................................................... 44
Hình 46: Tủ điện cơng nghiệp nhỏ (nguồn: Internet) ....................................................... 46
Hình 47: Đèn báo cơng nghiệp (nguồn: Internet) ............................................................. 47
Hình 48: Kích thước đèn báo công nghiệp (nguồn: Internet) ........................................... 47
xiii
Hình 49: Nút nhấn cơng nghiệp (nguồn: Internet)............................................................ 48
Hình 50: Cấu tạo nút nhấnn (nguồn: Internet) ................................................................. 48
Hình 51: Cáp kết nối PLC - Siemens với màn hình HMI (nguồn: Internet) ..................... 50
Hình 52: Module In/Out Analog Siemens (nguồn: Internet) ............................................. 51
Hình 53: Mơ phỏng trên LabView ..................................................................................... 52
Hình 54: Chọn PLC s7-1200 và modun In/Out Analog .................................................... 52
Hình 55: Chọn PC-system ................................................................................................. 53
Hình 56: Kết nối PLC-s7 1200 với PC-system .................................................................. 53
Hình 57: Add new block để lập trình PLC ........................................................................ 54
Hình 58: Thiết kế giao diện HMI ...................................................................................... 54
Hình 59: Chương trình chính ............................................................................................ 55
Hình 60: Chương trình con Analog Input ......................................................................... 56
Hình 61: Chương trình con Analog Output ...................................................................... 57
Hình 62: Chương trình con Auto Off................................................................................. 57
Hình 63: Chương trình PID .............................................................................................. 58
Hình 64: Bảng địa chỉ Data .............................................................................................. 59
Hình 65: Bảng Địa chỉ PLC tag ........................................................................................ 59
Hình 66: Màn hình giám sát .............................................................................................. 60
Hình 67: Màn hình dữ liệu đồ thị áp suất bằng PID ........................................................ 61
Hình 68: Biểu đồ so sánh điện năng tiêu thụ của máy nén khí sử dụng biến tần so với máy
nén khí thường chạy chế độ Load - Unload (tải - không tải) ............................................ 63
xiv
TĨM TẮT ĐỀ TÀI
Đề tài “Mơ hình giám sát và điều khiển máy nén khí với PLC và biến tần, tiết kiệm
điện năng” là mơ hình được tìm hiểu vận hành và điều khiển máy nén khí sao cho tối ưu
hố thơng qua SCADA (màn hình HMI theo dõi lưu lượng, áp suất, thời gian,…, điều
khiển được bằng chế độ auto hoặc manual) được lập trình trên PLC bằng ngơn ngữ ladder
và biến tần để tiết kiệm điện năng của hệ thống. Kết quả thực hiện của đề tài khi hệ thống
gặp sự cố (áp suất đầu ra không ổn định, motor quá nhiệt,…) lúc này hệ thống có thể tự
ổn định lại hoặc ngắt, đưa ra các thông số so sánh tiêu thụ điện năng khi sử dụng biến tần
và khơng sử dụng biến tần.
Nội dung mà nhóm đã làm được trong đề tài:
-
Hiểu được các thiết bị sử dụng, tính tốn và lựa chọn các thiết bị phù hợp cho mơ
hình.
-
Thi cơng mơ hình đảm bảo theo u cầu đề bài, chạy ổn định.
-
Lập trình PLC điều khiển chạy theo đúng yêu cầu.
-
Kết nối giữa PLC Siemens S7-1200 và biến tần thông qua Module In/Out Analog
Siemens
xv
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
1. Đặt vấn đề:
Trong ngành công nghiệp ngày nay để nâng cao năng suất lao động, cho ra sản phẩm
chất lượng cao, phù hợp và đáp ứng được với yêu cầu của khách hàng là rất quan trọng.
Một trong những hệ thống, công cụ được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy sản xuất vì
tính năng nó phù hợp với từng cơng việc cụ thể, đó là máy nén khí.
Một hệ thống điều khiển bằng khí nén (máy nén khí ) được sử dụng ở những lĩnh vực
như các thiết bị phun sơn, các loại đồ gá kẹp, các chi tiết nhựa, chất dẻo hoặc các lĩnh
vực sản xuất thiết bị điện tử,vì điều kiện vệ sinh mơi trường rất tốt và an tồn cao. Ngồi
ra, hệ thống điều khiển bằng khí nén cịn được sử dụng trong các dây truyền tự động,
trong các thiết bị vận chuyển và kiểm tra của các thiết bị lị hơi, thiết bị mạ điện, đóng
gói, bao bì và trong cơng nghiệp hóa chất. Chi phí năng lượng có thể chiếm tới 80% chi
phí vịng đời của một máy nén khí. Tuy nhiên, thực tế rất nhiều doanh nghiệp sản xuất
chưa quan tâm đến việc sử dụng hiệu quả hệ thống này. Để tối ưu hoá một hệ thống máy
nén khí, PLC (bộ điều khiển lập trình) kết hợp với biến tần (inverter) được sử dụng để
điều khiển máy nén khí vì chúng có các ưu điểm: dễ dàng thi công, lắp đặt, tiết kiệm
năng lượng điện, giúp tải làm việc ổn định,... Chính vì những ưu điểm của biến tần và
PLC, chúng em đã chọn đề tài: “Mơ hình giám sát và điều khiển máy nén khí với PLC và
biến tần, tiết kiệm điện năng” cho đồ án tốt nghiệp của mình.
2. Mục tiêu đề tài:
Vì nhiều lý do, hệ thống cung cấp khí nén trong một nhà máy đã được thiết kế dư tải,
hay sự không đồng bộ của phụ tải là nguyên nhân dẫn tới thời gian Unload của máy nén
khí là rất dài, trong chu kì Unload, động cơ vẫn chạy 100% cơng suất, đây là nguyên
nhân dẫn tới việc lãng phí năng lượng điện.
Ngồi ra, máy nén khí với phương pháp điều khiển truyền thống còn tồn tại nhiều
nhược điểm và hạn chế:
-
Động cơ của máy nén thường khởi động trực tiếp hoặc qua mạch Y-∆, điều này
làm sụt áp trong hệ thống, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng mạng điện.
-
Quá trình khởi động và dừng thường khơng êm, máy nén khí thường có hiện
tượng rung và ồn trong lúc khởi động, gây ảnh hưởng đến tuổi thọ của động cơ.
1
Để khắc phục những điểm yếu trên của hệ thông máy nén khí, nhóm em đã tiến hành
thiết kế mơ hinh:
-
Thực hiện mơ hình hồn chỉnh, phần cứng được thiết kế chắc chắn.
-
Hệ thống tự vận hành và ngắt khi có sự cố.
-
Sử dụng cảm biến để phản hồi, điều khiển áp suất của hệ thống.
-
So sánh năng lượng điện khi sử dụng và không sử dụng biến tần.
3. Giới hạn đề tài:
Với đề tài trên thì các giới hạn bao gồm:
-
Thiết kế mơ hình (máy nén khí, PLC, biến tần, cảm biến áp suất,…) kết nối thành
một hệ thống hồn chỉnh có thể hoạt động theo những u cầu đã đề ra bên trên.
-
Đề tài chỉ xây dựng với mơ hình vừa và gọn khơng làm thành dây chuyền sản
xuất, sử dụng PLC và biến tần kết nối với máy nén khí.
2
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP VẬN HÀNH MÁY
NÉN KHÍ
1. Xác định vấn đề:
Máy nén khí là một trong những thiết bị được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy sản
xuất. Chi phí năng lượng có thể chiếm tới 80% chi phí vịng đời của một máy nén khí.
Tuy nhiên, thực tế rất nhiều doanh nghiệp sản xuất chưa quan tâm đến việc sử dụng hiệu
quả hệ thống này.
Máy nén khí thường hoạt động dựa trên cơ sở biến động năng do động cơ điện tạo ra
thành khí nén có áp suất cao. Do đó tùy vào nhu cầu sử dụng khi hoạt động máy nén sẽ
chạy ở hai chế độ có tải - khơng tải (Load - Unload)
Thơng thường trong nhà máy, máy nén khí thường được thiết kế thừa công suất và do
sự không đồng bộ trong hoạt động của các tải tiêu thụ mà máy nén khí sẽ có chu kỳ hoạt
động khơng tải dài hay ngắn. Đây chính là nguyên nhân chính gây lãng phí năng lượng.
Ngồi ra với các máy nén khí mà động cơ được khởi động trực tiếp hoặc sao tam giác
thì khi khởi động máy sẽ bị giật, khơng êm về mặt cơ khí. Do đó địi hỏi doanh nghiệp
cần phải chi trả thêm cho chi phí bảo trì thường niên. Đồng thời khi khởi động theo
phương pháp này còn dẫn tới sụt áp hệ thống gây ảnh hưởng đến các thiết bị điện khác.
Bên cạnh đó, chế độ có tải - không tải thường xuyên làm thay đổi áp suất trong tồn
bộ đường ống. Áp suất làm việc khơng ổn định là nguyên nhân làm giảm tuổi thọ của
máy nén khí.
2. Tổng quan về máy nén khí:
Máy nén khí là một thiết bị có khả năng thay đổi áp suất của khơng khí, chuyển đổi
năng lượng điện thành động lực bằng khí nén. Cụ thể là một lượng lớn khơng khí sẽ được
đưa vào máy rồi nén lại dưới áp suất cao cho tới khi áp suất trong bình đạt tới giới hạn thì
ngừng lại. Năng lượng tạo ra từ khí nén sẽ được sử dụng cho các ngành công nghiệp như
in ấn, dệt, sản xuất thực phẩm, dược phẩm,…
Một hệ thống khí nén hồn chỉnh sẽ bao gồm: máy nén khí, bình tích áp, máy sấy khí,
bộ lọc và thiết bị tiêu thụ khí nén.
3
Các loại máy nén khí phổ biến hiện nay:
Hình 1: Máy nén khí trục vít và máy nén khí piston (nguồn: Internet)
3. Cung cấp và xử lí nguồn khí nén nguồn năng lượng trong hệ thống khí nén:
a) Khí nén:
Máy nén khí và sản xuất khí nén:
-
Hệ thống điều khiển khí nén hoạt động dựa vào nguồn cung cấp khí nén, nguồn
khí này phải được sản xuất thường xuyên với lượng thể tích đầy đủ với một áp
suất nhất định thích hợp cho năng lượng hệ thống. Máy nén khí là máy có nhiệm
vụ thu hút khơng khí, hơi ẩm, khí đốt ở một áp suất nhất định và tạo ra nguồn lưu
chất có áp suất cao hơn. Các loại máy nén khí thường sử dụng: máy nén khí kiểu
pít tơng, máy nén khí kiểu cánh gạt... Máy nén khí kiểu pít tơng như hình bên dưới
là máy dùng phổ biến nhất và có thể cung cấp năng suất đến 500m3/phút. Máy
nén khí 1 pít tơng có thể nén khí khoảng 6 bar đến 10 bar, máy nén khí kiểu pít
tơng hai cấp có thể nén đến 15 bar, 3 đến 4 cấp có thể nén đến 250 bar.
4
Hình 2: Máy nén khí kiểu piston (nguồn: Internet)
-
Máy nén khí kiểu cánh gạt như hình khơng khí sẽ vào buồng hút. Nhờ Rotor và
Stator đặt lệch tâm, nên khi Rotor quay chiều sang phải thì khơng khí vào buồng
nén sau đó khí nén sẽ đi ra buồng đẩy.
Hình 3: Máy nén khí kiểu cánh gạt (nguồn: Internet)
b) Phân phối khí nén:
Hệ thống phân phối khí nén có nhiệm vụ chuyển khơng khí nén từ nới sản xuất đến
nơi tiêu thụ đảm bảo áp suất, lưu lượng và chất lượng khí nén cho các thiết bị làm việc ví
dụ như: xy lanh khí nén, van khí nén, động cơ khí nén... Truyền tải khí nén được thực
hiện bằng hệ thống ống dẫn khí nén, đối với hệ thống ống dẫn có thể là mạng đường ống
5
được lắp ráp cố định (trong toàn nhà máy) và mang đường ống lắp ráp trong từng thiết bị,
từng máy như hình. Đối với hệ thống phân phối khí nén ngồi tiêu chuẩn chọn máy nén
khí hợp lí, tiêu chuẩn chọn đúng các thông số của hệ thống ống dẫn (đường kính ống, vật
liệu ống), cách lắp đặt hệ thống ống dẫn, bảo hành hệ thống phân phối cũng có vai trò
quan trọng về phương diện kinh tế cũng như u cầu kỹ thuật cho hệ thống điều khiển
khí nén.
Hình 4: Hệ thống phân phối khí nén (nguồn: Internet)
c) Xử lý nguồn khí nén:
Khí nén được tạo ra từ máy nén khí có chứa nhiều chất bẩn, độ bẩn có thể ở các mức
độ khác nhau. Chất bẩn có thể là bụi, độ ẩm của khơng khí hút vào, những cặn bã của dầu
14 bôi trơn và truyền động cơ khí. Hơn nữa trong q trình nén nhiệt độ của khí nén tăng
lên, có thể gây ra ơ xy hóa một số phần tử hệ thống. Do đó việc xử lý khí nén cần phải
thực hiện bắt buộc. Khí nén khơng đƣợc xử lý thích hợp sẽ gây hư hỏng hoặc gây trở
ngại tính làm việc của các phần tử khí nén. Đặc biệt sử dụng khí nén trong hệ thống điều
khiển địi hỏi chất lượng khí nén rất cao. Mức độ xử lý khí nén tùy thuộc vào từng
phương pháp xử lý. Trong thực tế người ta thường dùng bộ lọc để xử lý như hình.
6
Hình 5: Cấu tạo và kí hiệu bộ lọc khí (nguồn: Internet)
Bộ lọc khí có 3 phần tử: van lọc, van điều chỉnh áp suất và van tra dầu. Van lọc khí là
làm sạch các chất bẩn và ngưng tụ hơi nước trong nó.
Hình 6: Cấu tạo và van lọc khí nén (nguồn: Internet)
Van điều chỉnh áp suất: nhiệm vụ của van áp suất là ổn định áp suất điều chỉnh, mặc
dù có sự thay đổi bất thường của áp suất làm việc ở đường ra hoặc sự dao động của áp
suất ở đường vào. Áp suất ở đầu vào luôn lớn hơn áp suất ở đầu ra.
7
Hình 7: Van điều chỉnh áp suất (nguồn: Internet)
Van tra dầu: được sử dụng đảm bảo cung cấp bôi trơn cho các thiết bị trong hệ thống
điều khiển khí nén nhằm giảm ma sát, sự ăn mịn và sự gỉ.
Hình 8: Cấu tạo và kí hiệu van tra dầu (nguồn: Internet)
d) Hệ thống điều khiển máy nén khí:
Hệ thống điều khiển khí nén bao gồm các phần tử điều khiển và cơ cấu chấp hành
được kết nối với nhau thành hệ thống hoàn chỉnh để thực hiện những nhiệm vụ theo yêu
cầu đặt ra. Hệ thống được mô tả như hình:
8
Hình 9: Hệ thống điều khiển khí nén (nguồn: Internet)
-
Tín hiệu đầu vào: nút nhấn, công tắc, công tắc hành trình, cảm biến...
-
Phần tử xử lý thơng tin: Xử lý tín hiệu đầu vào theo một quy tắc logic xác định,
làm thay đổi trạng thái của phần tử điều khiển.
-
Phần tử điều khiển: điều khiển dòng năng lượng ( lưu lượng, áp suất ) theo yêu
cầu, thay đổi trạng thái cơ cấu chấp hành: van đảo chiều, van tiết lưu, van chỉnh
áp...
-
Cơ cấu chấp hành: thay đổi trạng thái của đối tượng điều khiển là đại lượng ra của
mạch điều khiển: xy lanh khí nén, xy lanh dầu, động cơ khí nén, động cơ dầu...
-
Năng lượng điều khiển gồm phần thông tin và công suất:
+ Phần thông tin: điện tử, điện cơ, khí, dầu...
+ Phần cơng suất: • Điện: cơng suất nhỏ, điều khiển hoạt động dễ, nhanh.
• Khí nén: Cơng suất vừa, qn tính, tốc độ cao.
4. Các loại tín hiệu điều khiển:
-
Trong điều khiển khí nén nói chung ta dùng hai loại tín hiệu:
-
Tín hiệu tương tự:
9
Hình 10: Tín hiệu tương tự (nguồn: Internet)
-
Tín hiệu rời rạc số:
Hình 11: Tín hiệu rời rạc (nguồn: Internet)
a) Điều khiển vịng kín:
Hệ thống mà tín hiệu đầu ra được phản hồi để so sánh với tín hiệu đầu vào. Độ chệnh
lệch của 2 tín hiệu vào ra được thơng báo cho thiết bị điều khiển, để thiết bị này tạo ra tín
hiệu điều khiển tác dụng lên đối tượng điều khiển sao cho giá trị thực luôn đạt được như
mong muốn.
Hình 12: Hệ thống điều khiển vịng kín vị trí xi-lanh (nguồn: Internet)
10
b) Điều khiển vòng hở:
Hệ thống điều khiển vòng hở là khơng có sự so sánh giữa tín hiệu đầu ra với tín hiệu
đầu vào, giá trị thực thu được và giá trị cần đạt được không được điều chỉnh, xử lý.
Hình 13: Hệ thống điều khiển vịng hở tốc độ động cơ (nguồn: Internet)
11
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT
1. Mô tả hệ thống:
Hệ thống điều khiển máy nén khí là tập hợp các thiết bị để điều khiển và vận hành
máy nén khí. Hệ thống điều khiển khí nén bao gồm: Mơ tơ khởi động, mô tơ vận hành và
hệ thống điều khiển điện tử (PLC, biến tần).
Hình 14: Một hệ thống điều khiển máy nén khí (nguồn: Internet)
a) Mơ tơ khởi động:
Mơ tơ khởi động là bộ phận quan trọng nhằm khởi động máy nén khí để máy nén khí
bắt đầu hoạt động.
Trong cơng đoạn khởi động, van hút sẽ đóng hồn tồn, van xả mở hồn tồn. Bình
nén khí ở áp lực chân không. Sử dụng dầu cho đầu nén và bạc đạn, tạo độ lệch áp giữa
khoảng chân không của đầu nén và áp lực dầu.
b) Mô tơ vận hành:
Sau khi khởi động máy nén khí xong, thì mơ tơ vận hành sẽ bắt đầu làm việc. Điều
kiện để mô tơ vận hành hoạt động như sau:
Khi hiệu điện thế đầy đủ, mô tơ vận hành hoạt động, van xả đóng, van điện tử mở ra.
Áp lực trong bình tăng dần, van hút khí mở. Khi van hút mở hồn tồn là thời điểm máy
nén khí vận hành tối đa, áp lực khí trong bình là lớn nhất.
12
c) Hệ thống điều khiển điện tử:
Khi nhấn nút dừng máy “STOP”, van xả mở ra và áp lực bình đầu nén ở mức chân
khơng. Khi đó, mơ tơ sẽ dừng khi áp suất đạt ngưỡng tối đa hoặc ngưỡng đã cài đặt.
Tình trạng dừng khẩn cấp xảy ra khi mô tơ quá tải hoặc nhiệt độ vượt quá 100 độ C.
Máy tự động dừng , van xả mở, van hút đóng lại. Khi lượng khí hút vào giảm, máy nén
chạy dưới tình trạng khơng tải q lâu sẽ tự động dừng.
2. Cơng nghệ điều khiển máy nén khí bằng biến tần:
Với những doanh nghiệp sản xuất, hệ thống máy nén khí là một trong những thiết bị
tiêu tốn nhiều điện năng nhất, chiếm từ 5% - 30% tổng điện năng tiêu thụ, tùy theo ngành
nghề. Tuy nhiên, trên thực tế, rất nhiều doanh nghiệp chưa quan tâm đến việc vận hành
hiệu quả hệ thống này.
Máy nén khí hiện nay có hai loại máy nén khí trục vít-và máy nén khí piston hầu hết
đều theo cơng nghệ cũ thường được khởi động bằng hệ thống Sao-Tam giác, cách khởi
động như trên dịng khởi động vơ cùng lớn 3-4 lần dịng định mức thường gây ra tình
trạng sụt áp trên lưới điện gây tổn thất điện năng và hao mòn cơ khí của máy nén khí.
Giải pháp mới đang được ứng dụng rộng rãi hiện nay đó là gắn thêm Biến tần cho máy
nén khí để tiết kiệm điện.
Khi lắp đặt biến tần có các ưu điểm:
– Dịng khởi động và dịng khơng tải giảm nhiều nên ít ảnh hưởng tới các thiết bị
khác xung quanh, chất lượng mạng điện ổn định, tổn hao nhiệt trên dây dẫn giảm.
– Nếu vận hành máy chạy ở chế độ: có tài và khơng tải (Load - Unload): Biến tần sẽ
tự động thay đổi tốc độ phù hợp, lúc không tải tần số sẽ tự động giảm xuống mức
thấp nhất mà vẫn đảm bảo hệ số phát nóng cho động cơ, lúc có tải tùy vào lưu
lượng khí sử dụng trong Nhà máy và cách vận hành của máy sẽ giảm tần số xuống
một mức độ nào đó thay vì phải chạy hết cơng suất của Motor như hệ thống hiện
hữu.
– Nếu vận hành máy ở chế độ PID: Dùng biến tần kết hợp với một Sensor áp suất
khí gắn trên đường ống. Điều này sẽ giúp hệ thống luôn chạy ổn định và áp lực
trên đường ống ln duy trì ở mức độ mong muốn.
– Quá trình khởi động và dừng tải êm, tiếng ồn giảm. Tăng tuổi thọ vận hành máy.
13
– Ngồi những lợi ích trên, nếu Máy Nén Khí hoạt động 12h / 312 ngày / 1năm thì
hiệu quả từ việc tiết kiệm năng lượng ước tính trên 20%.
Hình 15: Điều khiển hệ thống máy nén khí bằng biến tần (nguồn: Internet)
Ngun lí hoạt động của biến tần:
Những thơng số sau đây được biết dựa trên đặc tính hoạt động của máy nén khí.
Q1 / Q2 = n1 / n2
H1 / H2 = (n1 / n2)2
P1 / P2 = (n1 / n2)3
Ở đây:
Q: là lưu lượng khí cung cấp cho đường ống bởi máy nén khí.
H: là áp suất của hệ thống đường ống
P: công suất tiêu thụ của motor
n: tốc độ quay của máy nén khí
Nó có thể thấy được từ biểu thức trên, khi tốc độ quay của motor giảm 80% so với
tốc độ quay định mức, lưu lượng khí cung cấp cho hệ thống đường ống bởi máy nén khí
cũng giảm 80%, áp suất đường ống giảm tới (80%) và công suất tiêu thụ của motor giảm
tới (80%), tức là 51,2%. Loại trừ tổn hao sắt và tổn hao đồng củ motor thì hiệu suất tiết
kiệm điện đạt tới 40%. Đây là nguyên lý tiết kiệm điện bằng phương pháp thay đổi tần
số.
14
Điều này đã được chứng minh bằng thực tế trong thời gian dài, việc ứng dụng biến
tần vào hệ thống cung cấp khí và dùng cơng nghệ thay đổi tần số thay đổi tốc độ quay
của máy nén khí điều chỉnh lưu lượng để thay thế cho việc dùng valve có thể đạt được
hiệu quả trong việc tiết kiệm điện. Bình thường, lượng điện tiết kiệm là hơn 30%. Ngồi
ra, chức năng khởi động mềm và đặc tính điều chỉnh tốc độ mịn của biến tần có thể thực
hiện điều chỉnh lưu lượng ổn định và giảm rung khi khởi động kéo dài tuổi thọ cho toàn
bộ máy và đường ống.
Hình 16: Chuyển đổi cơng suất tiết kiệm điện năng (nguồn: Internet)
Để giám sát và điều khiển máy nén khí làm tăng thêm độ chuyên nghiệp cho hệ
thống, 1 bộ lập trình PLC kết nối với biến tần để truyền dữ liệu lên màn hình HMI hiển
thị các thơng số của động cơ, áp suất, nhiệt độ…, được thiết kế dựa trên SCADA.
Hình 17: Màn hình HMI thể hiện thơng số của động cơ (nguồn: Internet)
15
