Đồ án chuyên môn tự động hóa

GVHD : TH.S Nguyễn Đăng Toàn

Bộ công thương
Trường đại học công nghiệp Hà Nội

Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

ĐỒ ÁN
CHUYÊN MÔN TỰ ĐỘNG HÓA

Báo cáo đề tài số 9 :
“Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát trạm bơm tưới tiêu ”

Lớp

: Điện 4 – K7

Nhóm thực hiện đề tài : Nhóm 9
Các thành viên trong nhóm :
1 . Phạm Công Dương
2 . Ngô Thế Dương

Giảng viên hướng dẫn : Th.S Nguyễn Đăng Toàn

Điện 4 – K7 – Nhóm 9

1



2


Đồ án chuyên môn tự động hóa

GVHD : TH.S Nguyễn Đăng Toàn

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, con người cùng với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến
của thế giới, chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại
hơn.Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các
đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ…là những yếu tố
rất cần thiết góp phần cho hoạt động của con người đạt hiệu quả ngày càng cao
hơn. Việc áp dụng khoa học công nghệ vào trong thực tế sản xuất đang được
phát triển rộng rãi cả về quy mô lẫn chất lượng. Trong đó ngành tự động hóa
chiếm một vai trò rất quan trọng không những làm giảm nhẹ sức lao động cho
con người mà còn góp phần rất lớn trong việc nâng cao năng xuất lao động, cải
thiện chất lượng sản phẩm, chính vì thế tự động hóa ngày càng khẳng định được
vị trí cũng như vai trò của mình trong các ngành công nghiệp và đang được phổ
biến rộng rãi trong các hệ thống công nghiệp trên thế giới nói chung và ở Việt
Nam nói riêng. Chiếm một vị trí khá quan trọng trong ngành tự động hóa đó là
kỹ thuật điều khiển logic khả lập trình viết tắt là PLC.Nó đã và đang phát triển
mạnh mẽ và ngày càng chiếm vị trí quan trọng trong các ngành kinh tế quốc
dân. Không những thay thế cho kỹ thuật điều khiển bằng cơ cấu cam hoặc kỹ
thuật rơle trước kia mà còn chiếm lĩnh nhiều chức năng phụ khác nữa. Bên cạnh
đó việc sử dụng Biến Tần đem lại cho chúng ta rất nhiều lợi ích
Xuất phát từ thực tế trên trong quá trình học tập tại trường em đã được giao đề
tài “ xây dựng hệ thống điều khiển giám sát trạm bơm tưới tiêu”
Đồ án bao gồm những nội dung sau:

Hình 1.1 Sơ đồ bố trí các hệ thống các công trình trạm bơm
Công trình cửa lấy nước 1 lấy nước từ nguồn (lấy từ song hồ kênh dẫn …).
Công trình dẫn nước 2 có nhiệm vụ đưa nước từ cửa lấy nước về bể tập trung
nước trước nhà máy bơm.Công trình dẫn nước có thể là kênh dẫn, đường ống
dẫn.Trên công trình có thể có bể lắng cát.Công trình 3 là kênh đãn nước vào bể
tập trung nước. Bể tập trung nước 4 nằm trước nhà máy bơm, nó có nhiệm vụ
nối tiếp đường dẫn với công trình nhận nước (bể hút)
Của nhà máy sao cho thuận dòng.Công trình nhận nước 9 (bể hút) lấy nước từ
bể tập trung và cung cấp nước cho ống hút hoặc ống tự chảy vào máy bơm.
Nhà máy bơm 5, đây là nơi đặt các tổ máy bơm và các thiết bị phụ cơ điện.
Đường ống áp lực (ống đẩy) 6, đưa nước từ máy bơm lên công trình tháo 7.
Công trình tháo 7 (bể tháo) nhận nước từ ống đẩy, làm ổn định mực nước phân
phối nước cho kênh dẫn 8 hoặc các công trình nhận nước.
Điện 4 – K7 – Nhóm 9

4


Đồ án chuyên môn tự động hóa
1.1.3

GVHD : TH.S Nguyễn Đăng Toàn

Cấu trúc trạm bơm

Các thiết bị chính trong trạm bơm gồm có : các thiết bị cơ khí thủy lực chính và
các thiết bị về năng lượng chính:
Các thiết bị cơ khí thủy lực chính của trạm bơm đảm bảo cung cấp đủ nước
(hoặc tiêu nước) tương ứng với biểu đồ lưu lượng yêu cầu. Thành phần của thiết
bị này gồm có: các tổ máy hoặc các cụm thiết bị tham gia trực tiếp vào qúa trình

Tất nhiên chọn được một máy bơm đồng thời thỏa mãn các yêu cầu nêu trên
thường là khó, bởi vậy trong mỗi trường hợp cụ thể cần dựa vào những yêu cầu
quan trọng nhất cho hiệu quả tốt nhất về kinh tế - kỹ thuật cho xây dựng và vận
hành trạm
1.1.4

Trang bị điện trong trạm bơm

Trong trạm bơm, ngoài những thiết bị động lực chính trực tiếp làm nhiệm vụ
bơm nước mà chúng ta đã biết, còn có những thiết bị phụ.
Nhóm thiết bị phụ gồm có: các trang thiết bị cơ khí, hệ thống cấp nước kỹ thuật,
hệ thống tiêu nước, hệ thống cấp dầu, hệ thống cấp khí nén, thiết bị tạo chân
không, hệ thống cứu hỏa, hệ thống cấp nước uống và sản xuất, hệ thống thông
gió, các thiết bị kiểm tra - đo lường ... Các thiết bị này có nhiệm vụ đảm bảo
cho trạm bơm làm việc bình thường, tránh sự cố, kiểm tra bảo vệ công trình và
thiết bị làm việc tránh quá tải ..vv..
Các thiết bị phụ cần thỏa mãn những yêu cầu sau:
- Bảo đảm vận hành tiện lợi và an toàn, giá thành rẻ;
- Khi tiến hành sữa chữa công trình và các tổ máy chính cũng như các cụm thiết bị
của hệ thống thiết bị phụ thì việc vận hành trạm vẫn bình thường không bị trỡ ngại.
Trang thiết bị cơ khí
Các trang thiết bị cơ khí của trạm bơm gồm những loại sau:
- Các cửa van, lưới chắn cùng với phần chi tiết lắp đăt, dịch chuyển chúng
- Các thiết bị nâng hạ tĩnh tại hoặc di động với các móc, cần kéo và dầm ngang
- Các máy vớt rác và dọn rác để làm sạch lưới chắn rác
- Các xe con chuyển thiết bị và vật liệu.
Thành phần và kết cấu của các thiết bị cơ khí chủ yếu phụ thuộc vào quy mô của
trạm bơm, biên độ giao động mực nước nguồn và khả năng tồn đọng của vật nổi.
Mô hình trạm bơm có 4 tổ máy bơm


Qtc=Q1+Q2+...+Qn
Do đó khi xây dựng đường đặc tính tổng cộng chỉ cần nhân đôi hoành độ (lưu
lượng) còn tung độ (cột áp)thì giữ nguyên.
Trên đồ thị để tìm điểm C trên đường đặc tính tổng cộng
Q-H(1+2) thì lấy ac=2ab,tương tự ta tìm được đường đặc tính tổng cộng Q-H(1,2)
Giao điểm giữa 2 đường đặc tính đường ống DE và đường đặc tính tổng cộng QH(1=2) là điểm làm việc của 2 bơm ghép song song,hoành độ cho lưu lượng tổng
cộng Q(1=2) còn tung độ cho cột áp tổng cộng H(1=2).Từ điểm số 2 kẻ đường
song song với trục hoành,đường này cắt đường đặc tính của máy bơm Q-H1,2 tại
điểm số 1 cho lưu lượng Q1,cột áp H1 của từng bơm khi làm 2 việc song song
trong hệ thống
Từ đồ thị ta thấy: H(1=2)=H1=H2
Q1=Q2=Q(1=2)/2
Từ điểm 1 kẻ đường song song với trục tung được điểm 3&4 cho công suất và hiệu
suất của từng bơm khi làm việc song song trong hệ thống.
Giao điểm 5 của đường đặc tính từng bơm Q-H1,2với đường ống xác định điểm
làm việc của từng bơm trong hệ thống cho lưu lượng Q2,cột áp H.
Từ điểm số 5 kẻ đường song song với trục tung được điểm 6&7 xác định được
công suất và hiệu suất của từng bơm khi làm việc riêng rẽ.
Từ đồ thị ta thấy: 2Q1=Q(1+2)

áp ảnh hưởng đến sự thay đổi lưu lượng ít hơn trường hợp bơm có đường đặc tính
thoải.
1.2.3. Bốn bơm cùng đặc tính làm việc song song
Từ đường đặc tính ta thấy khi số lượng bơm làm việc song song tăng lên thì lưu
lượng giảm dần theo sự tăng số máy bơm.Khi mở thêm bơm thứ 4 thì sự tăng lưu
lượng của hệ thống không đáng kể so với trường hợp 2 hoặc 3 bơm cùng làm việc.
Như vậy khi ghép song song nhiều bơm thì hiệu quả kinh tế sẽ thấp.
1.2.4. Sự làm việc song song của các bơm khác đặc tính

Hình 1.5: Đặc tính làm việc song song của 2 bơm khác nhau
Trong một số điều kiện xác định thì các bơm có đặc tính khác nhau cũng có thể
làm việc song song với nhau.
Trên đồ thị ta thấy bơm 2 tạo ra cột áp thấp hơn bơm 1
Vì 2 bơm chỉ làm việc song song khi chúng có cột áp như nhau nên từ điểm C bơm
1 và bơm 2 mới bắt đầu làm việc song song.
Từ điểm C ta dựng đường đặc tính tổng cộng của chúng bằng cách cộng hoành độ
của những điểm có cùng tung độ trên đường đặc tính của 2 bơm.
Đường đặc tính đường ống DE cắt đường đặc tính tổng cộng Q – H(1+2) tại A cho
lưu lượng Q(1+2) và cột áp H(1+2)

Điện 4 – K7 – Nhóm 9

10


Đồ án chuyên môn tự động hóa

GVHD : TH.S Nguyễn Đăng Toàn


Chế độ 1: Ấn Mode 1, thực hiện chế độ bơm dài hạn, cả 4 tổmáy bơm cùng hoạt
động bơm nước từ sông vào kênh dẫn. Khi cảm biến báo đầy trên kênh dẫn, tổ bơm
Điện 4 – K7 – Nhóm 9

12


Đồ án chuyên môn tự động hóa

GVHD : TH.S Nguyễn Đăng Toàn

tự động ngắt, khi mức nước trên kênh dẫn xuống mức cạn thì máy bơm lại tiếp tục
chạy, duy trì cho kênh dẫn luôn có nước chảy vào cánh đồng.Không giới hạn số lần
đầy kênh và cạn kênh. Khi nào muốn dừng ta ấn nút STOP trên bảng điều khiển.
Chế độ 2: Ấn Mode 2 thực hiện bơm như chế độ 1, nhưng chỉ cho phép trạm bơm
chạy trong 1 lần đầy kênh dẫn( cảm biến báo đầy) thì dừng lại.
Chế độ 3: Ấn Mode 3 thực hiện chế độ bơm như chế độ 2, nhưng sẽ có giới hạn 2
lần đầy kênh dẫn.
Khởi động hệ thống bằng nút Start, dừng hệ thống ta ấn nút Stop.
Sự khoa học của các chế độ: Khi bơm chế độ 1, thích hợp cho mùa vụ đổ ải gieo
cấy. Cần nhiều nước và lịch bơm trong nhiều ngày liên tục. Khi bơm ở chế độ 2,
thích hợp cho tưới hàng ngày khi cánh đồng trồng rau màu, cần hàng ngày tưới 1
lần vào buổi chiều tối hoặc sáng sớm. Với chế độ bơm 3thích hợp cho việc giữ
mực nước duy trì cho cây lúa trong thời kì đẻ nhánh và làm đòng.
Chế độ tiêu lụt: ngoài sông luôn có 1 cảm biến mức báo lũ lụt. khi mực nước
ngoài sông dâng cao, ảnh hưởng đe dọa đến hệ thống đê chắn, thì tổ máy bơm tự
động bơm từ sông lên kênh để giảm bớt áp lực trên sông, tiêu đi các vùng khác.
Đây chỉ là giải pháp tình thế. Tuy nhiên cũng góp phần không nhỏ trong việc
chống vỡ đê, giảm thiệt hại do lũ lụt tràn bờ.
Theo chu trình hoạt động của hệ thống như quá trình công nghệ đã nêu thì chúng ta


Nhiệt độ hoạt động: -40 ~ 80°C

-

Nguồn điện: 20÷36 Vdc

-

Đầu ra: 4÷20 mA

2.2.2 Động cơ máy bơm

Điện 4 – K7 – Nhóm 9

14


Đồ án chuyên môn tự động hóa

GVHD : TH.S Nguyễn Đăng Toàn

Hình 2.3 Động cơ máy bơm
Đặc điểm động cơ:
-

Thân bơm, khung động cơ: Sắt đúc
Động cơ cảm ứng 2 cực: 3 pha 240/400V - 50hz
Lưu lượng: max 240 m3/h
Cột áp: Max 59,6m


GVHD : TH.S Nguyễn Đăng Toàn

2.2.5. PLC

Hình 2.6 PLC S7-200
-PLC S7-200 là một loại PLC cỡ nhỏ của công ty Siemens. Cấu trúcS7-200
gồm1CPUvàcácmodulemởrộngchonhiềuứngdụngkhácnhau.S7-200gồm
nhiềuloại:CPU221,222,224,226….cónhiềunhất7modulemởrộngkhicónhu cầu:
tổng số ngõ vào/ra, ngõ vào/ra Analog, kết nối mạng ( AS-I, Profibus).
Sử dụng trong bài làm là PLC S7-200 CPU 224

2.3 Sơ đồ đấu dây
2.3.1 Sơ đồ mạch động lực
L1 L2 L3

Điện 4 – K7 – Nhóm 9
Pump1

17
Pum2

Pum3

Pum4


Đồ án chuyên môn tự động hóa

GVHD : TH.S Nguyễn Đăng Toàn

K4


Đồ án chuyên môn tự động hóa

GVHD : TH.S Nguyễn Đăng Toàn

STOP_

I0.1

Dừng hệ thống

S1

I0.2

Cảm biến mức báo mức nước sông lên cao

S2

I0.3

Cảm biến mức báo mức nước kênh cạn

S3

I0.4

Cảm biến mức báo mức nước kênh đầy


Q0.0

Cấp điện cho máy bơm Pump1

K3

Q0.1

Cấp điện cho máy bơm Pump2

K4

Q0.2

Cấp điện cho máy bơm Pump3

K5

Q0.3

Cấp điện cho máy bơm Pump4

Điện 4 – K7 – Nhóm 9

Chức năng

19



Q0.2
Q0.3

S7_200

Q1.0

24 VDC

K3
K4
K5

K1

220VAC

M

L

Hình 2.8 Sơ đồ đấu dây PLC

Điện 4 – K7 – Nhóm 9

20

̰~



Nhìn chung, kết quả mô phỏng trạm bơm tưới tiêu sử dụng PLC S7-200 đạt được
là khá sát với thực tế. Nó đã thế hiện dược những yêu cầu quan trọng và cơ bản của
bài toán đặt ra.Đồng thời việc ghép nối truyền thông giữa PLC và PC-simu có thể
coi là một kết quả quan trọng mà bài nghiên cứu đạt được. Cùng với mô hình phần
cứng, sự kết hợp giữa PC-simu - PLC thực sự đã khiến cho cả hệ thống trở nên
thực tế hơn, linh hoạt hơn và mang tính công nghiệp hiện đại rõ ràng.
Tuy nhiên để có thể đạt dược tới mức có thể ứng dụng vào thực tế thì vẫn cần phải
sửa đổi và cải tiến hơn nữa.Việc sửa đổi phải cải tiến không chỉ nằm ở cấu trúc
phần cứng mà quan trọng hơn là ở cấu trúc phần mềm, vì phần mềm tác động rất
lớn đến sự tối ưu, kinh tế cũng như độ linh hoạt của hệ thống.
Điện 4 – K7 – Nhóm 9

23


Đồ án chuyên môn tự động hóa

GVHD : TH.S Nguyễn Đăng Toàn

●Các kết quả đạt được:
Qua đề tài chúng em đã hiểu hơn ứng dụng của PLC không chỉ ở trong lĩnh vực
công nghiệp mà cả trong lĩnh vực nông nghiệp cũng đang phát triển rất là
mạnh.Đồng thời việc tìm hiểu và sử dụng phần mềm mô phỏng.Ngoài ra việc đấu
lắp tủ điện điện là một kinh nghiệm thực tế hết sức quan trọng cho chúng em khi
làm việc sau này.
●Hướng phát triển:
Có thể nhận thấy trong mô hình nghiên cứu này, khả năng điều khiển giám sát trạm
bơm chỉ bó hẹp trong phạm vi một trạm riêng lẻ và các chế độ bơm theo mùa, theo
chương trình cài sẵn còn ít. Trong thực tế, với việc điều khiển giám sát ta còn điều
khiển liên hoàn nhiều hơn một trạm bơm có liên kết giữa các trạm. Với các trạm