Hệ thống điều khiển giám sát kho chứa lpg

CHƯƠNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT 1.1 TÍNH THỜI SỰ, KHOA HỌC, THỰC TIỄN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Lĩnh vực sản xuất sở, tảng vững kinh tế Một quốc gia có nhiều ngành sản xuất vững mạnh góp phần thúc đẩy phát triển nhanh ổn định kinh tế Chính vậy, hệ thống điều khiển phải ứng dụng hầu hết ngành sản xuất, đặc biệt ngành có qui mơ lớn, giữ vai trò then chốt kinh tế như: điện lực, dầu khí, ngành chế biến thực phẩm vv Tất ngành ứng dụng hệ thống điều khiển đại tất khâu trình sản xuất Các hệ thống điều khiển, cơng nghệ đại góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm, hiệu sản xuất, tăng độ tin cậy, giảm bớt chi phí sức lao động, tăng khả cạnh tranh doanh nghiệp thị trường Bên cạnh đó, thành tựu khoa học năm qua có bước phát vượt bậc Công nghệ số dần thay cho công nghệ tương tự Hầu hết tập đoàn hùng mạnh tự động hóa siemens, ABB, AB, Omron, Emerson vv cho nhiều sản phẩm sở kĩ thuật số Các sản phẩm có tính vượt trội so với sản phẩm cũ Các thiết bị đo tích hợp với vi xử lý vừa thực chức đo vừa xử lý chỗ, tự tính tốn chuẩn đốn lỗi vừa có chức truyền thơng tin Các điều khiển số ngày hồn thiện, thực nhiều chức năng, số lượng đầu vào ngày lớn, độ xác hoạt động tin cậy cao Hệ thống mạng truyền thông liên kết thiết bị ngày hoàn thiện, kĩ thuật truyền ứng dụng kĩ thuật số làm giảm suy hao tín hiệu, giảm tác động nhiễu làm tăng tốc độ độ tin cậy giao tiếp Đặc biệt hầu hết thiết bị có cấu trúc mở dễ dàng tích hợp với theo chuẩn chung giúp cho hệ thống điều khiển mang tính mềm dẻo dễ ràng mở rộng Hiện nay, máy tính cơng cụ phổ biến thị trường, hệ thống điều khiển đại phải sử dụng máy tính Máy tính khơng thực chức giám sát thu thập liệu mà cịn tích hợp thêm chức điều khiển Thuật ngữ “computer based control” sử -1- dụng phổ biến Kết hợp với máy tính phát triển mạnh ngành công nghệ thông tin, hệ thống điều khiển đại,qui mô lớn tách rời với công nghệ thông tin Đặc biệt bùng nổ internet, Các hệ thống điều khiển không ứng dụng phạm vi nhà máy mà cịn mở rộng phạm vi vùng trí quốc gia Trong tương lai, sản xuất ngày mở rộng kết hợp phát triển mạnh mẽ khoa học kĩ thuật hệ thống điều khiển giám sát ngày thay đổi với qui mô lớn đại ngày ứng dụng sâu rộng vào trình sản xuất, yếu tố quan trọng góp phần thúc đẩy phát triển ngành sản xuất Trên giới, đặc biệt nước phát triển hệ thống tự động hóa đại áp dụng sâu rộng vào sản xuất Kể ngành nông nghiệp mức độ tự động hóa khơng cao Chính vậy, hệ thống nâng cao suất lao động chất lượng sản phẩm Nước ta nước phát triển có tiến ứng dụng cơng nghệ đại, tự động hóa vào sản xuất chưa thực cao Mức độ đầu tư thiết bị, công nghệ đại chưa tương xứng với tiềm Hầu hết ngành then chốt dầu khí, chế biến, viễn thơng, điện lực ứng dụng công nghệ đại Tuy nhiên hệ thống thường đồng bộ, nhập hoàn toàn từ nước Đội ngũ kĩ sư tích hợp hệ thống vừa thiếu chưa có đủ kinh nghiệm chủ yếu phải thuê chun gia nước ngồi với mức chi phí cao Bên cạnh đó, ngành sản xuất nhỏ lẻ, làng nghề thủ công chủ yếu chưa áp dụng cơng nghệ tự động hóa Họ thường sử dụng nguồn lực người xuất thấp, chi phí cao Việc ứng dụng cơng nghệ sản xuất đại, thiết bị sản phẩm tự động hóa giúp cho ngành nghề phát triển nhanh chóng Tóm lại, nghiên cứu ứng dụng hệ thống điều khiển vào hệ thống điều khiển nhiệm vụ cấp bách thiết yếu điều khiện kinh tế nước ta 1.2 NHỮNG ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT -2- Hệ thống điều khiển giám sát ứng dụng nhiều lĩnh vực - Ngành điện lực: Các trạm phát điện, hệ thống đường dây, trạm biến áp đặt vùng xa trung tâm Tất thông số điện áp, tần số, dịng điện, cơng suất, trạng thái hoạt động truyền trung tâm điều độ quốc gia cách tức thời liên tục Tại thực giám sát, lưu trữ liệu đưa mệnh lệnh điều khiển để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định - Các trung tâm khí tượng quốc gia: Các thông số nhiệt độ, áp suất, độ ẩm vv Sẽ truyền từ vùng cao trung tâm lưu trữ khí tượng thủy văn Tại thơng số lưu trữ xử lý - Các nhà máy sử lý chất thải, dây truyền sản xuất lắp ráp ứng dụng hệ thống điều khiển giám sát hoạt động sản xuất - Trong xây dựng: Hệ thống tích hợp tịa nhà thơng minh ( BMS) thiết bị camera, chống trộm, báo cháy, cửa thơng minh, kiểm sốt vào vv tích hợp vào hệ thống - Các dây chuyền chế biến: Các dây chuyền sản xuất hoạt động tự động theo cơng nghệ, chương trình cho trước, thơng số liên quan q trình sản xuất giám sát cách chặt chẽ 1.3 MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1.3.1 Mục tiêu đề tài - Tìm hiểu nắm vững sở lý thuyết hệ thống điều khiển giám sát, phân biệt hệ thống SCADA, DCS hệ thống PLC - Tìm hiểu nắm vững sở lý thuyết mạng truyền thông công nghiệp, hiểu chất loại giao thức, phân biệt loại mạng với -3- - Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển giám sát ứng dụng cho đối tượng bồn chứa LPG - Nắm vững làm chủ phần mềm lập trình điều khiển ( Step7), phần mềm giám sát ( WINCC) - Hoàn thành viết chương trình điều khiển theo tốn cơng nghệ chương trình mơ phần mềm giám sát ( WinCC) - Nắm vững sở lý thuyết chất mạng internet ứng dụng mạng internet sống sản xuất - Thực mô hệ thống điều khiển giám sát kho chứa LPG qua mơ hình mạng internet phần mềm giám sát qua mạng Internet ( WinCC webnavigator server, client ) 1.3.2 Nội dung đề tài Trình bày tính cấp thiết, tính khoa học thực tiễn hệ thống điều khiển giám sát trình sản xuất Phân loại hệ thống điều khiển theo cấu trúc, chức Trình bày sở lý thuyết truyền thơng gồm có chế độ truyền thơng, cấu trúc mạng truyền thông, chuẩn kết nối, giao thức mạng truyền thông phương pháp truy cập bus Từ sở lý thuyết tìm hiểu thành phần mạng truyền thơng cơng nghiệp Simatic siemens Trình bày hệ thống điều khiển giám sát kho cảng LPG Trong phần tìm hiểu tổng quan LPG bao gồm cấu trúc thành phần, đặc tính hóa lý Tiếp theo phân loại cấu trúc hệ thống tự động hóa kho chứa LPG, đưa yêu cầu công nghệ để xây dựng hệ thống điều khiển, đưa qui trình hoạt động tổng kho Tiếp theo đó, đề tài giới thiệu số hệ thống điều khiển giám sát tổng kho LPG hãng tiếng Varec, Emerson đưa đánh giá phân tích lựa chọn giải pháp -4- Sau lựa chọn giải pháp tích hợp hệ thống siemens, đề tài sâu xây dựng thành phần hệ thống, giới thiệu lựa chọn thiết bị hệ thống Và sau dùng phần mềm siemens để thiết lập cấu hình hệ thống, viết chương trình điều khiển trình vận hành, thiết lập giao diện giám sát kho cảng LPG Cuối đề tài phát triển hệ thống thông qua thiết lập hệ thống điều khiển từ xa, điều khiển qua mạng internet Trên sở tìm hiểu lý thuyết điều khiển qua mạng sử dụng phần mềm điều khiển giám sát qua mạng để thiết lập giao diện hình điều khiển giám sát qua mạng internet 1.3.3 Bố cục luận văn Luận văn gồm chương, chương chia thành nhiều mục lớn, mục lớn lại chia thành nhiều mục nhỏ Các chương trình bày luận văn bao gồm: Chương 1: Tổng quan hệ thống điều khiển giám sát Chương 2: Cơ sở lý thuyết mạng truyền thông Chương 3: Hệ thống điều khiển giám sát kho chứa LPG Chương 4: Xây dựng thiết lập hệ thống điều khiển giám sát kho chứa LPG Chương 5: Thiết lập xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển giám sát qua mạng internet 1.4 MƠ HÌNH PHÂN CẤP VÀ CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 1.4.1 Lịch sử phát triển hệ thống điều khiển Từ thời kì sơ khai phát triển loài người, người ta tìm thấy khái niệm điều khiển, tự nhiên lẫn kĩ thuật Việc điều khiển hoạt động, vật, tượng nhu cầu thực tế bắt -5- buộc sống Trước người có ý tưởng điều khiển vật tượng xung quanh Nhưng điều khiển sử dụng tín hiệu phản hồi, tảng điều khiển, để điều khiển hệ thống đời vào khoảng 300 năm trước công nguyên Ứng dụng cấu phao điều chỉnh Hi Lạp, sau đồng hồ nước Ktesibios, thiết bị đèn dầu Philon khoảng 250 năm trước công nguyên để giữ mức nguyên liệu không đổi Alexandria cho đời sách khí- Pneumatica cấu điều chỉnh mức nước sử dụng máy điều chỉnh phao vào kỉ thứ Tại châu âu, Cornelis Drebbel đưa điều chỉnh nhiệt độ, coi điều chỉnh phản hồi Tiếp theo đời điều chỉnh áp suất nồi vào năm 1861 Dennis Papin Vào năm 1769 Jame Watt đưa điều khiển phản hồi cơng nghiệp máy điều tốc, để điều khiển tốc độ động nước Nó hoạt động nguyên tắc cầu li tâm nối với trục để điều khiển độ mở van cung cấp nước cho động Khi tốc độ tăng làm cho cầu quay nhanh làm đóng van nước làm cho tốc độ giảm Năm 1765, I Polzunow đưa máy điều chỉnh mức nước cấu phao Trong năm 1768 phát triển hệ thống điều khiển nằm giai đoạn khởi đầu không ổn định hệ thống Trong chiến tranh giới thứ hai, lý thuyết điều khiển phát triển Mĩ, nước tây âu khác với nước Nga Đông âu sử dụng tín phản hồi dựa tượng điện tín dựa tín hiệu khuyếch đại điện tử Bode, Nyquist, Black Trong thời kì đòi hỏi thiết kế chế tạo hệ thống máy bay, hệ thống chỉnh súng, hệ thống quân dẫn đến phát triển mạnh mẽ hệ thống phản hồi Từ năm 40-80 lý thuyết điều khiển tự động phát triển mạnh mẽ từ kĩ thuật miền tần số, sử dụng hàm Laplace đến phương pháp quỹ đạo pha, máy tính điều khiển số, tính theo phương pháp miền thời gian Liapunow, Minosky -6- Lý thuyết điều khiển tối ưu ngày phát triển Pontryagin Bellman với đời hệ bền vững, lý thuyết điều khiển đại điều khiển thích nghi, điều khiển mờ, điều khiển thông minh Ngày hệ thống điều khiển phát triển quy mô, phức tạp mức độ tự động hoá cao, từ cấu trúc tập trung đến cấu trúc phân tán có tính phức tạp cao đáp ứng nhu cầu thực tế Sự phát triển kĩ thuật vi bán dẫn, vi điều khiển, máy tính, tảng kĩ thuật số Hệ thống điều khiển phát triển nhảy vọt Các thiết bị điều khiển, đo, cấu chấp hành thông minh tảng vi điều khiển đáp ứng thuật toán điều khiển đại phức tạp, độ tin cậy cao hơn, đa chức hơn, nhỏ gọn Các thiết bị với độ mở, linh hoạt cao dễ dàng tích hợp với tạo thành hệ thống lớn SCADA, DCS, đáp ứng yêu cầu công nghệ với mức độ tự động hoá cao Với bùng nổ mạnh mẽ mạng Internet, hệ thống điều khiển phát triển mạnh mẽ qui mô không hoạt động phạm vi nhà máy mà hoạt động phạm vi toàn cầu Nhờ mạng Internet mà vị trí vận hành giám sát tồn nhà máy Đó xu phát triển tương lai 1.4.2 Mơ hình phân cấp chức quản lý management level cell level Điều hành Field level Điều khiển actuator-sensor level Chấp hành -7- Hình 1.1: Phân cấp chức hệ thống Một hệ thống tự động hố q trình cơng nghệ nói chung thường cấu trúc theo mơ hình phân cấp hình chóp Theo mơ hình này, chức phân thành nhiều cấp khác nhau, từ lên Càng cấp chức mang tính chất hơn, địi hỏi u cầu cao độ nhanh nhạy , thời gian phản ứng Một chức cấp thực dựa chức cấp dưới, có lượng thơng tin cần trao đổi xử lý lớn nhièu Thông thường , người ta coi cấp thuộc phạm vi hệ thống điều khiển giám sát Cấp chấp hành : Chức cấp chấp hành đo lường , dẫn động chuyển đổi tín hiệu trường hợp cần thiết Thực tế đa số thiết bị cảm biến hay chấp hành có phần điều khiển riêng cho việc thực đo lường truyền động xác nhanh nhạy Các thiết bị thơng minh (có vi xử lý riêng ) đảm nhận việc xử lý chuẩn bị thông tin trước đưa lên cấp điều khiển Cấp điều khiển : Nhiệm vụ cấp điều khiển nhận thông tin từ cảm biến , tự động xử lý thơng tin theo chương trình người cài đặt sẵn truyền đạt lại kết xuống chấp hành Những thông tin kết việc điều khiển chuyển lên cấp điều hành cấp điều khiển thường đặt điều khiển PID, controllers, PLC, transmitter/RTU số thông minh Cấp điều khiển cấp chấp hành gọi chung cấp trường (field level) điều khiển , cảm biến chấp hành cài đặt trực tiếp trường , gần kề với hệ thống kỹ thuật -8- Cấp điều hành : Khi đa số chức đo lường , điều khiển , điều chỉnh bảo toàn hệ thống cấp sở thực nhiệm vụ cấp điều hành hỗ trợ người sử dụng việc cài đặt ứng dụng, thao tác , theo dõi , giám sát , vận hành xử lý tình bất thường Khác với cấp , việc thực chức cấp điều hành thường khơng địi hỏi phương tiện ,thiết bị phần cứng đặc biệt ngồi máytính thơng thường (máy tính cá nhân , máy trạm, máy chủ ,terminal )có giao diện mạng gọi chung máy tính điều hành Việc phân cấp chức tiện lợi thiết kế hệ thống lựa chọn thiết bị Theo nhà sản xuất đưa kiến trúc tầng mạng thích hợp với đặc thù trao đổi thông tin cấp 1.4.3 Cấu trúc hệ thống điều khiển 1.4.3.1 Cu trỳc chung Máy tính ĐK I/O Ranh giới phòng điều khiển A S Phân đoạn trình A S Phân đoạn trình I/0 input/out(vào /ra) A actuator(chấp hành) S sensor(cảm biến) A Phân đoạn tr×nh Hình 1.2: Cấu trúc điều khiển tập chung -9- S Tất thiết bị kết nối với trung tâm Trung tâm não thực quyền định, phân phối huy Hệ thống có cấu trúc tập chung có nhược điểm lớn số lượng dây kết nối lớn Điều khiển tập chung làm cho điều khiển phải có nhớ lớn, tốc độ cao, xử lý tốt Vì điều khiển tập chung mà não gặp cố hệ thống ngưng hoạt động hồn tồn Hệ thống có cấu trúc tập chung phù hợp hệ thống nhỏ, số lượng đối tượng I/O q trình cơng nghệ khơng q phức tạp 1.4.3.2 Cấu trúc phân quyền Cấu trúc khắc phục phụ thuộc vào máy tính trung tâm hệ thống trở lên linh hoạt Mỗi trình điều khiển máy tính riêng đặt phòng điều khiển Do q trình có liên quan hệ , nên để điều khiển q trình tổng hợp cần có hợp tác chúng với nhau.Trong phần lớn trường hợp , máy tính trung tâm dùng để điều khiển cao cấp để phối hợp hoạt động máy phân quyền Tuy nhiên tồn nhược điểm lớn dùng số lượng lớn dây nối Các giải pháp khắc phục nhược điểm dẫn đến hệ thống điều khiển có cấu trúc phân tán hay gọi điều khiển phân tán Máy tính phối hợp bus xử lý Máy tính ĐK Máy tính ĐK Máy tính ĐK I/O I/O I/O ranh giới phòng ĐK A S A S A S - 10 - Phân đoạn trình Phân đoạn trình Phân đoạn trình