Lời nói đầu
Ngày nay cùng với sự phát triển nhanh chóng và mạnh mẽ của các ngành
khoa học kĩ thuật, các phát minh sáng chế đã và đang đợc áp dụng rộng rãi và phổ
biến, nhiều thành tựu khoa học kĩ thuật đã đem lại cho nền sản suất có những bớc
tiến đột phá, đặc biệt là trong lĩnh vực tự động hóa.
Các hệ thống truyền động khí nén đợc sử dụng rộng rãi bởi các u điểm mà
các hệ thống truyền động khác không có nh : Kết cấu, sử dụng và điều khiển đơn
giản, độ tin cậy làm việc cao, có thể sử dụng trong các môi trờng khắc nghiệt
(phóng xạ, hoá chất). Mặc dù vẫn còn tồn tại nhữnghạn chế nhng các hệ truyền
động khí nén vẫn đợc sử dịng rộng rãi và thành công trong nhiều lĩnh vực.
Sau quá trình tìm hiểu cùng sự giúp đỡ của thầy giáo hớng dẫn em đã hoàn
thành đợc đề tài thiết kế môn học Nghiên cứu tổng quan hệ thống giám sát trạm
nén khí .Thiết kế chơng trình điều khiển giám sát cho trạm nén khí có nhiều máy
nén đợc giao với các yêu cầu sau:
- Trình bày những vấn đề cơ bản về máy nén khí, các trang thiết bị phục vụ
cho quá trình vận hành và tự động hoá hệ thống trạm khí nén.
- Từ những yêu cầu về giám sát và bảo vệ trạm khí nén đi sâu thiết kế hệ
thống nhiều máy nén khí dựa trên thiết bị logic khả trình PLC S7- 300
Em rất mong nhận đợc sự đánh giá, góp ý của các thầy cô giáo để có thể tìm
hiểu và bổ xung cho thiết kế đợc hoan chỉnh.
Sinh viên thiết kế




Khái niệm máy nén khí
1.2. Phân loại máy nén khí
ự động khống chế máy nén khí
CHƯƠNG 2: !"#$%
2.1.Yêu cầu
2.2. Đặc tính của máy nén

thể tích dãn cách không gian làm việc , loại này có máy nén pittong, máy nén rôtor
(cánh trợt , bánh răng)
+ Máy nén động học : Trong máy này áp khí tăng do đợc cấp động năng c-
ỡng bức nhờ có cơ cấu làm việc , loại này có máy nén li tâm, máy nén hớng trục.
b. Theo áp suất có :
+ Máy nén áp suất cao
+ Máy nén áp suất trung bình
+ Máy nén áp suất thấp
+ M áy nén chân không
c. Theo năng suất
+ Loại lớn
+ Loại vừa
+ Loại nhỏ
d. Theo cách làm mát
+ Làm lạnh theo quá trình nén
+ Không làm lạnh
e. Theo số cấp nén
+ Máy nén một cấp
+ Máy nén nhiều cấp
f. Theo cấu tạo
+ Máy nén piston
+ Máy nén cánh gạt
+ Máy nén Rôto
+ Máy nén trục vít
+ Máy nén li tâm
Tất cả máy nén đều làm việc với chu trình ngợc với động cơ pittông hoặc
tuabin.Phạm vi áp suất của một số loại máy nén cho ở bảng 1-1
Loại máy nén áp suất làm việc (at) Năng suất (m
3
/h)

3
/h) khí mà
máy nén cung cấp trong một đơn vị thời gian.
+ Công suất của máy nén (N) : là công suất tiêu hao để nén và truyền khí.
Ngoài ra máy nén còn có các thông số về hiệu suất máy nén, về khí nén
(nhiệt độ, áp suất khí vào ra, lí tính và hoá tính của khí với các thông số khí đặc tr-
ng).
ự động khống chế máy nén khí
Để đảm bảo cấp khí nén hợp lí cho các thiết bị tiêu dùng máy nén phải đợc
tự động khống chế nhằm thoả mãn 2 điều kiện chính :
- Đảm bảo lu động tiêu thụ
- Đảm bảo áp suất khí yêu cầu, thờng giới hạn ( 8-10 %) áp suất yêu cầu. Ngoài ra
khí nén còn phải đợc đảm bảo về chất lợng nh độ ẩm, sạch theo yêu cầu riêng.
Máy nén khí thờng kèm theo các bộ lọc và bình chứa khí với mục đích :
- Điều hoà lu lợng, áp suất, khử các xung áp trong kênh tiêu thụ đối với máy nén
piston.
- Làm việc dễ dàng việc điều chỉnh giới hạn cực đại hoặc cực tiểu của áp suất, hạn
chế tới giá trị có thể của tần suất mở máy động cơ lai.
- Tránh các sụt áp đột ngột của khí khi có tiêu thụ đột ngột trong một thời gian ngắn
( nh phanh khí nén, chuyển động của kích khí có piston lớn )
- Làm mát khí nén và ngng tụ hơi nớc, tạp chất
Đối với thiết bị dới 10KW ngời ta thờng dùng tiếp điểm áp khí đảm bảo
dừng động cơ khi bình chứa áp suất (đặt) cực đại và chạy lại động cơ khi áp suất
đặt cực tiểu.
Tiếp điểm áp khí sẽ đóng cắt công tắc tơ cấp điện cho động cơ kéo máy nén.
Một bình trung gian đợc lắp trên dờng ống dẫn khí và có thể tích đợc tính toán sao
cho 5-6s đầu động cơ đạt tốc độ bình thờng mà không có áp suất, tránh mở máy có
áp suất. Một đầu xả gắn với tếp điểm áp khí sẽ đảm bảo xả khí trong bình phụ vào
khí quyển khi động cơ dừng, van bi một chiều khi đó sẽ đóng kín do vậy khi động
cơ chạy lại thì không có áp suất đặt vào máy nén khi mới mở máy. Khi công tắc tơ

đm
.Động cơ đồng bộ kéo máy nén pittong thờng đóng trực
tiếp vào lới.
Máy nén tua bin (turbocompressor)cũng dùng động cơ đồng bộ để truyền
động .Nếu công suất lớn (vài ngàn kW)thì mở máy qua cuộn kháng hoặc biến áp tự
ngẫu .Điện áp mở máy ban đầu đặt vào động cơ khoảng 0,64U
đm
.
Tính công suất động cơ truyền động máy nén có thể theo công thức

2102600
ai
t dk
LL
Q
kP
+
ì
ì
=

[kW]
Trong đó: Q-năng suất máy nén [m
3
/ph]

k

-hiệu suất máy nén ,
k

L
i
11.000 13.90
0
16.10
0
17.90
0
19.50
0
20.80
0
22.00
0
23000
L
a
12.90
0
17.10
0
20.50
0
23.50
0
26.10
0
28.60
0
30.70

V
1
-Công nén khí (dơng) biểu thị bởi diện tích 2-3-3

-2

-2
W
nén
=-

3
2
pdV
dấu (-) là do thể tích giảm khi nén
-Công đẩy khí (dơng) biểu thị bởi diện tích 3-4-0-3

-3
W
đẩy
=p
r
V
2
Do đó W
ch.t
=-p
v
V
1

-

3
2
pdV
=

3
2
Vdp
(1-2)
Công nén 1kg khí là


===
3
2
3
2
.
.
vdpdp
M
V
M
W
W
tch
tch
,

R
vdpW ln
1
3
2
.

==
à
[J/kg] (1-4)
trong đó :R-hằng số khí (lí tởng),R=8,31.10
3
J/kmol.
0
K

à
-trọng lợng phân tử khí
-chu trình đoạn nhiệt:
pv
k
=const









T
R
k
k
vdpW
à
[J/kg] (1-5)
Trong đó :k-chỉ số đoạn nhiệt khí (lí tởng),là tỉ số giữa nhiệt dung đẳng áp và đẳng
tích của khí.

v
p
C
C
k =
với khí 1 nguyên tử,k=1,66 -1,67
khí 2 nguyên tử,k=1,40 -1,41
khí 3 nguyên tử,k=1,30 -1,33
-chu trình đa biến:

constpv
n
=








p
T
R
n
n
vdpW
à
[J/kg] (1-6)
Trong đó: n-chỉ số đa biến
Hình 1-2:Đồ thị chu trình (lí thuyết)máy nén với các chỉ số
đa biến khác nhau
Khi giá trị n=1 hay n=k ,ta có quá trình đẳng nhiệt hay đoạn nhiệt.Với các giá trị
khác nhau của n,công và đồ thị chu trình cũng khác nhau.
Các máy nén đều thực hiện chu trình nén khí thực nên công thực cũng lớn hơn công
tính cho chu trình lí tởng.
Hình (1-3) cho đồ thị của một chu trình thực .Trong chu trình thực ,khi pittong
đổi chiều bắt đầu chu kì mới thì giai đoạn hút không xảy ra ngay mà có giai đoạn
giãn (da),đờng hút và đờng đẩy không thẳng (không đẳng áp)và có đờng cực tiểu
(đờng hút) và cực đại (đờng đẩy),các điểm bắt đầu và kết thúc giai đoạn hút và đảy
không nằm trên đờng áp suất trong ống hút và đẩy
Có sự khác nhau gia chu trình thực và lí tởng là do:
-Xi lanh có một phần thể tích vô ích V
H
giữa pittong (ở vị trí chết cuối quá trình
đẩy) và xi lanh (gọi là khoảng hại V
H
) nên giai đoạn hút chỉ bắt đầu khi áp suất khí
nén còn lại trong V
H
giảm xuống bằng áp suất hút .Do vậy,thể tích khí hút đợc

cong giãn dốc hơn .Do đó chỉ số đa biến của đờng cong nén sẽ thấp hơn và của đ-
ờng cong dãn sẽ cao hơn chỉ số đa biến khi không có rò khí.
Do trong máy nén có khoảng hại V
H
nên tỉ số nén
v
r
p
p
=

bị hạn chế .Trờng hợp
cần tỉ số nén cao ,ngời ta dùng cách nén nhiều cấp,có làm lạnh đẳng áp trung gian.
Tơng quan giữa số cấp phù hợp và tỉ số nén của các máy nén cho ở bảng 1-2:
Số cấp z 1 2 3 4 5 6 7
Tỉ số nén

7 5-30 13-150 35-400 150-1000 200-1100 450-1100
Các máy nén pittong có giảI năng suất từ vài m
3
/ph đến 100m
3
/ph, áp suất ra từ
vài át đến 300 at và công suất từ vài kw đến 2000 kw
b)Máy nén rotor :là loại máy nén thể tích .
Hình (1-4) biểu thị một loại rotor máy nén cánh trợt.Máy có vỏ hình trụ 4 và
nắp 9 có nớc làm lạnh .Rotor 7 lắp vào trục 6 đặt lệch tâm trong vỏ .Rotor có nhiều
khe trong đó có các tấm chuyển động 8 (cánh trợt) bằng thép dày 0,8
ữ
2,5 mm.

+Trục khuỷu
Nối các tay biên 2 nối với pit tông 3 chuyển dộng trong xi lanh 4.Các khớp nối
này phảI đợc bôi trơn bằng dầu nhờn .p suất bôi trơn thông thờng tạo ra bằng bơm
độc lập.
+Các-te của máy nén đồng thời là bệ máy
-áp suất nớc làm mát
P
nớc vào
:đo áp suất (đo3)
Tín hiệu đo áp suất dùng để báo động áp suất nớc làm mát máy nén
-Đầu ra của nớc làm mát :đo nhiệt độ nớc làm mát (đo2) :báo trạng thái bình thờng
hoặc báo cao.
-Ap suất dầu bôi trơn (đo1) là thông số điều khiển máy nén quan trọng nhất.Thông
thờng nó đợc thiết kế đo ở các mức:
-Cho phép hoạt động
-Dừng máy nén
Đồng thời các tín hiệu này đợc đa đến để báo động
+Các đầu ra (cửa đẩy của pittong) thờng đợc nối bởi van một chiều. Trong quá trình
hoạt động cửa đẩy của máy nén có hai thông số cần đợc bảo vệ:
- áp suất lớn nhất
- bảo vệ nhiệt độ đầu đẩy
+Đo đầu góp chung (đo6) hai thông số
- áp suất
- nhiệt độ
Đa đến mức điều khiển và báo động
+Đo 4 :đo mức và nhiệt độ dầu nhờn ở các te.Tín hiệu này dùng để chỉ báo và báo
động trạng thái của dầu trong các-te
+Trớc khi nạp khí nén vào bình khí .Khi máy nén hoạt động các van y1 và y2 lắp
song song với nhau làm hai chức năng cơ bản trong hệ thống khí nén:
- Trong thời gian khởi động ,các cuộn hút đợc cấp điện để nối đầu góp

1
= 0 : Máy nén 1 cha đợc cấp nguồn hoạt động
a
2
= 1 : Máy nén 2 đã đợc cấp nguồn hoạt động
a
2
= 0 : Máy nén 2 cha đợc cấp nguồn hoạt động
a
3
= 1 : Máy nén 3 đã đợc cấp nguồn hoạt động
a
3
= 0 : Máy nén 3 cha đợc cấp nguồn hoạt động
+ Tín hiệu ra của khối :các tín hiệu này sẽ đợc đa tới công-tắc-tơ có tiếp
điểm cấp điện cho đèn báo
b
1
= 1 : Có 1 máy đang hoạt động
b
1
= 0 : Có số máy đang hoạt động khác 1 máy
b
2
= 1 : Có 2 máy đang hoạt động
b
2
= 0 : Có số máy đang hoạt động khác 2 máy
b
3

3213213212
aaaaaaaaab ++=
(2-2)
3213
aaab
=
(2-3)
3.2. Các lu đồ thuật toán cần thiết để xây dựng hệ thống
Trạm khí nén gồm 3 máy nén, trạng thái hoạt động của các máy nén này phụ
thuộc vào mức độ của các hộ sử dụng yêu cầu cung cấp. Trong một số trờng hợp,
nh tất cả các hộ sử dụng cùng lúc, hoặc hình thành thêm hộ sử dụng thì một máy
nén chạy là không đủ đòi hỏi phải có thêm các máy nén khác cùng hoạt động, them
chícả ba máy đều hoạt động cung lúc mới có thể đáp ứng đợc theo yêu cầu của hộ
sử dụng.
Ta sẽ xây dựng thuật toán khối để giải quyết bài toán trên
Ngỡng tác động quyết định chạy số máy nén cần thiết là một, hai hoặc cả ba
máy nén cùng một lúc.
P
max
0,9p
c1
c2
c3
b1
b2
b3
d1 d2 d3
0,8p
0,7p
Trong bình cao áp, nếu áp suất tụt xuống mức 0,9P thì tín hiệu tác động khởi

= 0: Không có tín hiệu tác động khi áp suất bình cao áp giảm còn 0,8P
đm
d
3
= 1: Tín hiệu tác động khi áp suất bình cao áp giảm còn 0,7 P
đm
d
3
= 0: Không có tín hiệu tác động khi áp suất bình cao áp giảm còn 0,7P
đm
b
1
, b
2
, b
3
số lợng máy nén đang hoạt động là 1,2 và 3 máy
C
1
= 1: Tín hiệu trạm nén khí cần thiết là 1 máy nén
C
1
= 0: Tín hiệu trạm nén khí cần thiết số lợng khác 1 máy nén
C
2
= 1: Tín hiệu trạm nén khí cần thiét là 2 máy nén
C
2
= 0: Tín hiệu trạm nén khí cần thiết là khác 2 máy nén
C

b
2
d
2
(3-6)
- Có hai máy nén đang hoạt động và không có hiện tợng áp suất sụt giảm
xuống còn 0,7 P
đm
thì phơng trình thuật toán chứa những thành phần sau:
33db
(3-7)
Vậy phơng trình xác định số lợng máy nén hoạt động cần thiết là 2 máy nén
nh sau:
33222 dbdbc +=
(3-8)
+ Phơng trình xác định, số lợng máy nén cần thiết là 3 máy không kể máy
nén nào
- Nếu trạm nén khí đang có hai máy nén hoạt động mà có hiện tợng áp suất
trong bình cao áp vẫn sụt giảm còn 0,7 P
đm
thì phơng trình thuật toán chứa những
thành thành phần sau:
b
3
d
3
(3-9)
Vậy phơng trình xác định số lợng máy nén cần thiết là 3 máy nh sau:
c
3

- Ap suất dầu bôi trơn máy nén 1: e1 >I0.1
- Ap suất dầu bôi trơn máy nén 2: e2 >I0.4
- Ap suất dầu bôi trơn máy nén 3: e3 >I0.7
- Nhiệt độ đầu đẩy máy nén 1 :f1 >I0.2
- Nhiệt độ đầu đẩy máy nén 2 :f2 >I0.5
- Nhiệt độ đầu đẩy máy nén 3 :f3 >I1.0
4.1.2. M¹ch c«ng suÊt
*Giíi thiÖu phÇn tö:
- AT1,AT2,AT3 :Aptomat
- M1,M2,M3 :®éng c¬ lai m¸y nÐn
- K1,K2,K3,K4,K5,K6,K7,K8,K9 :tiÕp ®iÓm c«ng-t¾c-t¬ sö dông trong khëi
®éng ®éng c¬ lai m¸y nÐn
- K10,K11,K12 ,C1,C2,C3 :tiÕp ®iÓm c«ng-t¾c-t¬ cÊp nguån cho ®Ìn b¸o
- §1 :®Ìn b¸o m¸y mét ®îc cÊp nguån
- §2 :®Ìn b¸o m¸y hai ®îc cÊp nguån
- §3 :®Ìn b¸o m¸y ba ®îc cÊp nguån
- Đ4 :đèn báo cần một máy hoạt động
- Đ5 :đèn báo cần hai máy hoạt động
- Đ6 :đèn báo cần ba máy hoạt động
4.2. Viết chơng trình giám sát hệ thống ứng dụng thiết bị logic khả trình PLC
s7-300