Báo cáo cuối kỳ đề tài thiết kế và mô phỏng hệ thống giám sát và điều khiển lò đốt rác phát điệ

Một ý tưởng điên rồ đã được nhóm em đặt ra cho đề tài là việc chuyển đổi rác thành năng điện năng.Từ ý tưởng của hệ thống trên, nhóm em đã đặt ra đề bài và tiến hành nghiêncứu và thiết k

TỔNG QUAN

Đặt vấn đề

Năng lượng luôn là một vấn đề quan trọng trong mọi mặt của đời sống, mọi thứ chỉ có thể tồn tại và vận hành được khi và chỉ khi có năng lượng Chính vì lý do này mà việc tìm ra nguồn năng lượng mới là một điều cấp thiết. Đối diện với vấn đề này, việc tìm ra một nguồn năng lượng mới đôi khi không là một điều đơn giản, tuy nhiên việc chuyển đổi nguồn năng lượng để có thể biến những thứ tưởng chừng như vứt đi trở thành năng lượng lại là một điều đơn giản hơn rất nhiều.

Cũng chính vì những điều kể trên, điện từ lâu đã trở thành trung tâm của việc chuyển đổi năng lượng Đa số các chất đều có thể chuyển đổi ra thành điện năng thông qua quá trình chuyển đổi Một ý tưởng điên rồ đã được nhóm em đặt ra cho đề tài là việc chuyển đổi rác thành năng điện năng.

Từ ý tưởng của hệ thống trên, nhóm em đã đặt ra đề bài và tiến hành nghiên cứu và thiết kế ra hệ thống: “ Giám sát và điều khiển lò đốt rác phát điện trên

Mục tiêu

Đề tài: “ Hệ thống Giám sát và điều khiển lò đốt rác phát điện trên HMI” được thực hiện với những mục tiêu cụ thể như sau:

- Thực hiện điều khiển và giám sát hệ thống lò đốt rác phát điện trên HMI bằng các thuật toán và mô phỏng giám sát trên màn hình HMI.

- Thực hiện giám sát quá trình hoạt động của hệ thống bằng giao diện HMI.

- Thiết lập cảnh báo, phân quyền điều khiển cho hệ thống.

Nội dung nghiên cứu

Nội dung còn lại của đề tài “Hệ thống Giám sát lò đốt rác phát điện trên

HMI” gồm có những nội dung sau:

Chương 2 Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày về những nguyên tắc trong hệ thống nhà máy nhiệt điện trên thế giới, khái quát về phần cứng

Chương 3 Thiết kế phần mềm

Chương này trình bày những yêu cầu khi thiết kế phần mềm, trình bày giao diện vận hành trên màn hình HMI sử dụng trong hệ thống, đưa ra lưu đồ giải thuật của hệ thống.

Chương 4 Kết quả đạt được

Chương này trình bày kết quả đạt được của mô hình hệ thống khi thực hiện đề tài.

Chương 5 Kết luận và hướng phát triển

Chương này trình bày các kết luận rút ra được từ đề tài sau khi hoàn thành và nêu hướng phát triển trong tương lai.

Phạm vi nghiên cứu

- Phạm vi không gian: Đề tài đề xuất các vấn đề nghiên cứu trên phần mềm lập trình và mô phỏng Tia portal.

- Phạm vi thời gian: Đề tài được thực hiện trong thời gian từ 26/11/2022 –19/12/2022

Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp luận: Sử dụng kiến thức chuyên ngành về điều khiển lập trình và thiết kế giao diện vận hành và giám sát để hoàn thiện đề tài.

- Phương pháp thực hành: sử dụng phần mềm lập trình Tia portal để lập trình điều khiển và thiết kế giao diện giám sát trên Wincc cho hệ thống.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Nguyên tắc hoạt động và cơ sở lý thuyết của hệ thống

2.1.1 Nguyên tắc hoạt động của nhà máy nhiệt điện:

Nhà máy nhiệt điện là một nhà máy điện, trong đó hóa năng của nhiên liệu biến thành nhiệt năng cấp nhiệt cho nước để biến thành hơi Nước được đun nóng, chuyển thành hơi nước và quay một tua bin hơi nước và tua bin này làm chạy một máy phát điện Sau khi đi qua tua bin, hơi nước được ngưng tụ trong bình ngưng và tuần hoàn lại đến nơi mà nó đã được làm nóng, quá trình này được gọi là chu trình Rankine Khác biệt lớn nhất trong thiết kế của nhà máy nhiệt điện là do các nguồn nhiên liệu khác nhau Một số thiết kế thích sử dụng thuật ngữ trung tâm năng lượng hạn bởi vì các cơ sở đó chuyển đổi hình thức của năng lượng từ nhiệt năng thành điện năng Một số nhà máy nhiệt điện cũng cung cấp năng lượng nhiệt cho mục đích công nghiệp, để sưởi ấm, hoặc để khử muối trong nước cũng như cung cấp năng lượng điện Một tỷ lệ lớn khí CO2 được tạo ra từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch ở các nhà máy nhiệt điện gây ảnh huởng rất lớn đến bầu không khí sống của con người.

Hình 2.1: Nguyên tắc hoạt động của nhà máy nhiệt điện

2.1.2 Nguyên tắc hoạt động và cấu tạo hệ thống đốt rác phát điện năng

Bản thân rác thải luôn mang trong mình một lượng năng lượng đặt ở dạng hóa năng Khi được đốt, lượng hóa năng này nhanh chóng chuyển thành nhiệt năng và có thể cung cấp cho các vật tiêu thụ năng lượng khác Như vậy ta có thể chuyển đổi rác thải thành điện năng bằng cách đốt lượng rác này để cung cấp nhiệt lượng cho lò hơi Khi đó lò hơi sẽ cung cấp năng lượng cho tua bin phát điện để tạo ra điện năng tương tự như nhà máy nhiệt điện.

Tuy nhiên với một hệ thống tạo điện năng bằng rác, một điều tối quan trọng là việc giải quyết khí thải trước khi xả ra môi trường Vì thế để đảm bảo hệ thống có thể vận hành ta cần có một hệ thống xử lý khí thải đảm bảo được sự tin cậy và đạt được các tiêu chuẩn vận hành.

Các thành phần của hệ thống lò đốt rác phát điện năng

Máy nghiền rác: Máy nghiền rác là bộ phận có chức năng biến đổi cơ học rác từ khối to trở thành các mảnh nhỏ để đảm bảo nguyên liệu đầu vào là rác đạt được kích cỡ phù hợp với việc đốt rác.

Lò hơi: Lò hơi là bộ phận đốt rác để cung cấp nhiệt lượng Nhiệt lượng này sau đó sẽ đun nóng nước trong lò thành hơi và cung cấp động năng cho tua bin hơi phát điện Lò hơi bao gồm một số bộ phận nhỏ như: máy nén khí, bộ phận xử lý tro, máy bơm, hệ thống đo đạc, xử lý nhiệt,….

Bộ phận xử lý khí độc: đây là bộ phân có chức năng xử lý khí thải của hệ thống trước khi đưa ra môi trường

Lý thuyết về HMI

2.3.1 Lý thuyết thiết kế HMI

Phần mềm WinCC của Siemens là một phần mềm chuyên dụng để xây dựng giao diện điều khiển HMI (Human Machine Interface) cũng như phục vụ việc xử lý và lưu trữ dữ liệu trong một hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) thuộc chuyên ngành tự động hóa.

WinCC là một hệ thống HMI (Human Machine Interface: tức là giao diện giữa người và máy) cho phép các hoạt động và chấp hành của các quy trình chạy trong máy Truyền thông giữa WinCC và máy diễn ra thông qua một hệ thống tự động WinCC cung cấp các khả năng sau:

- WINCC cho phép quan sát quá trình Quá trình này được hiển thị đồ họa trên màn hình Màn hình hiển thị được cập nhật mỗi lần một trạng thái trong quá trình thay đổi.

- WinCC cho phép vận hành quá trình.

- WinCC cho phép giám sát quá trình Một cảnh báo sẽ báo hiệu một cách tự động trong sự kiện của một trạng thái quá trình nghiêm trọng Nếu một giá trị được định nghĩa trước bị vượt quá, một thông báo sẽ xuất hiện trên màn hình.

- WinCC cho phép lưu trữ quá trình Khi làm việc với WinCC, những giá trị quá trình có thể hoặc được in ra hoặc lưu trữ theo kiểu điện tử Điều này tạo điều kiện cho thu nhập thông tin của quy trình và cho phép truy cập tiếp theo đến dữ liệu sản sinh ra trong quá khứ.

Với WinCC, người dùng có thể trao đổi dữ liệu với PLC của nhiều hãng khác nhau như: Mitsubishi, Siemens, Omron… thông qua cổng COM với chuẩn RS232 của PC và chuẩn RS485 của PLC.

Những ưa điểm của WinCC:

Ngoài khả năng thích ứng cho việc xây dựng các hệ thống có quy mô lớn nhỏ khác nhau, WinCC còn có thể dễ dàng tích hợp với những ứng dụng có quy mô toàn công ty như việc tích hợp với những hệ thống cấp cao như MES (Manufacturing Execution System- hệ thống quản lý việc thực hiện sản xuất) và ERP (Enterprise Resource Planning) WinCC cũng có thể sử dụng trên cơ sở quy mô toàn cầu nhờ hệ thống trợ giúp của siemens có mặt khắp nơi trên thế giới.

HMI (Human Machine Interface) đơn thuần chỉ là thiết bị trung gian giúp người vận hành giao tiếp được với máy, vì vậy nó là thiết bị được sử dụng rộng rãi trong nhiều hệ thống từ các hệ thống điện tử nhỏ như bảng điều khiển của máy giặt,bảng điều khiển của các thiết bị bếp, cho tới các màn hình điều khiển lớn của các hệ thống sử dụng trong các nhà máy sản xuất

HMI được chia làm hai loại: HMI truyền thống và HMI hiện đại.

HMI truyền thống:bao gồm các thiết bị nhập thông tin: công tắc chuyển mạch, nút nhấn… và các thiết bị xuất thông tin: đèn báo, còi, đồng hồ đo, các bộ tự ghi dùng giấy…Với ưu điểm là tính đơn giản và giá thành cực kỳ rẻ.

HMI hiện đại: chia làm 2 loại chính là HMI trên nền PC và Windows/MAC:

SCADA và HMI trên nền các máy tính nhúng (HMI chuyên dụng) Ngoài ra còn có một số loại HMI biến thể khác như Mobile HMI dùng Palm, Pocket PC.

2.3.3 Nguyên tắc thiết kế HMI

Giao diện màn hình HMI khi thiết kế phải tuân thủ chặt chẽ các nguyên tắc thiết kế đồ họa, bố cục, màu sắc và phân cấp màn hình để đảm bảo dễ dàng sử dụng nhất đối với người vận hành.

Màu sắc sử dụng khi thiết kế màn hình HMI không được quá nổi bật, không dùng quá nhiều màu sắc sáng và nên thiết kế theo 1 gam màu xám Có một số màu sắc được quy ước khi thiết kế như sau:

- Màu đỏ thể hiện hoạt động dừng lại, khẩn cấp hoặc cấm.

- Màu xanh lá thể hiện việc bắt đầu hoặc điều kiện an toàn.

- Màu vàng thể hiện cảnh báo.

- Màu xanh đậm là hoạt động bắt buộc. Đồ họa Đồ họa khi thiết kế màn hình HMI là không được sử dụng nhiều hiệu ứng, nên thiết kế đơn giản nhất có thể, chỉ hiển thị những thông tin quan trọng để người vận hành dễ nắm bắt thông tin.

Bố cục khi thiết kế màn hình HMI bao gồm các thông tin, các chữ và các nút nhấn Thông tin cần thiết cần gom lại trong nền trắng và đặt bên phải màn hình Các đèn báo được bố trí góc trên bên trái là vị trí đầu tiên mà mắt người quét qua giúp nhanh chóng nhận biết tình trạng hoạt động của hệ thống Các nút nhấn được đặt trong 1 vùng gồm các nút điều khiển được đặt bên trái màn hình, các nút điều khiển khi sử dụng chế độ manual được đặt trong một vùng ở khoảng giữa bên phải màn hình.

Lý thuyết phần cứng

2.4.1 Bộ điều khiển lập trình PLC

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều thương hiệu PLC nổi tiếng với chất lượng tốt như Siemens, Mitsubishi, Omron, ABB…Nhưng 2 hãng cung cấp PLC phổ biến được nhiều doanh nghiệp dùng nhất là Siemens và Mitsubishi. Điểm mạnh của PLC Siemens:

- PLC của Siemens mạnh về điều khiển quá trình và điều khiển qua truyền thông.

- Các Module Analog của PLC Siemens có giá thành rẻ hơn, sử dụng đơn giản (chỉ cần cắm vào PLC và cấu hình qua vài bước là có thể đọc/ghi một cách cực kỳ dễ dàng).

- Truyền thông đối với PLC Siemens cũng khá dễ dàng để thực hiện bởi vìSiemens đã lập trình tạo ra sẵn các khối hàm chức năng chuyên dụng để hỗ trợ tối đa cho người lập trình.

Hình 2.3: Bộ điều khiển lập trình PLC Cách lập trình của PLC Siemens:

- PLC Siemens có cấu trúc chương trình theo cả chiều ngang và chiều dọc Có nghĩa là chương trình vẫn thực hiện tuần tự từ trên xuống dưới.

- Tuy nhiên chương trình ở dạng khối và nhiều khối có thể được thực hiện ngang hàng.

- Bên cạnh đó các chương trình con của PLC Siemens có hỗ trợ biến Local nên có thể sử dụng đa dụng hơn trong việc lập trình.

2.4.2 Bộ thiết bị giám sát

Màn hình HMI là thiết bị giám sát và vận hành được tích hợp công nghệ phần mềm hiện đại giúp người dùng giảm thiểu công việc kỹ thuật, thời gian và chi phí trong sản xuất công nghiệp Trên thị trường hiện nay có nhiều hãng HMI như Siemens, Mitsubishi, Omron, ABB…. Đối với thương hiệu màn hình HMI của Siemens có đa dạng các loại với công suất và chức năng khác nhau nên tùy theo nhu cầu mà người dùng lựa chọn loại màn hình HMI phù hợp Trong Simatic Basic HMI bao gồm 2 dòng chính:

SIMATIC HMI Key Panels - phím nhấn Điểm nổi bật của dòng màn hình SIMATIC HMI Key Panels này là:

- Chuẩn truyền thông profinet, có thể dùng dây internet Cat 5, hay Cat 6 Với kết nối này rất tiết kiệm dây so với hệ thống cũ dùng dây nhiều lõi để kết nối.

- Có chức năng báo lỗi đứt dây, mất kết nối… có thế thiết kế mạch vòng để tăng độ tin cậy

- Màn hình nhỏ gọn, phù hợp nơi không gian chật hẹp

- Đèn nền LED với năm màu có thể lựa chọn để hiển thị trạng thái máy

Chương trình con chế độ tự động:

Hình 3.15: Đọc và chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ

Hình 3.16: Tạo tín hiệu nhiệt độ ảo

Hình 3.17: Quá trình tản nhiệt và gia nhiệt

Hình 3.18: Chạy máy phát điện

Hình 3.20: Cảnh báo quá nhiệt

Chương trình con chế độ Mannual:

3.3 Thiết kế giao diện vận hành HMI

Trong hệ thống lò đốt rác phát điện yêu cầu phải có nơi giám sát vận hành và khả năng vận hành thay thế khi các thiết bị điều khiển bằng nút nhấn trong tủ điện bị lỗi.

Màn hình HMI trong hệ thống điều khiển, giám sát hệ thống lò đốt phát điện với các yêu cầu cơ bản sau:

- Giám sát quá trình đốt rác và phát điện.

- Hiển thị được các cảnh báo cho người vận hành khi xuất hiện lỗi.

- Có thể vận hành hệ thống theo từng thiết bị khi hoạt động ở chế độ Man.

3.3.2 Thiết kế màn hình tổng quan, giao diện phân quyền cho hệ thống:

Màn hình tổng quan chứa các thông tin của hệ thống, phân quyền và đăng nhập theo đối tượng vận hành hệ thống.

- Các bước thiết kế giao diện tổng quan:

Bước 1: Vào mục Basic objects => chọn graphic view.

Bước 2: Click chuột phải vào graphic view => add graphic => add giao diện đã tạo sẵn vào.

- Các bước thiết kế giao diện phân quyền cho hệ thống Bước 1: Vào mục user administration

Bước 2: Tạo group phân quyền

Bước 3: Tạo user phân quyền trong từng group

Bước 4: Phân quyền cho hệ thống

3.3.3 Thiết kế màn hình vận hành và giám sát hệ thống Ở màn hình vận hành và giám sát hệ thống có thể vừa chứa các nút dùng để vận hành hệ thống bằng chế độ Auto và Man vừa quan sát tổng quan quá trình hoạt động của hệ thống

- Thiết kế bảng điều khiển:

Bước 1: Vào mục elements => chọn button.

Bước 2: Vào mục events => chọn press => set bit => plc tag => start

Bước 3: Làm tương tự cho các nút nhấn còn lại

- Thiết kế giao diện giám sát:

Bước 1: Vào mục graphics => chọn thiết bị mong muốn.

Bước 2: Vào animations => chọn add new animation => chọn appearance

Bước 3: Chọn tag cho graphic

3.3.4 Thiết kế màn hình cảnh báo lỗi

Khi hệ thống đang trong quá trình vận hành, nếu xuất hiện lỗi trong quá trình hoạt động vd: động cơ bị hỏng, nhiệt độ lò đốt quá cao,… các cảnh báo lỗi sẽ được hiển thị trên màn hình

Các bước thiết kế HMI alarm:

- Bước 1: Tạo tag mới với kiểu dữ liệu word và địa chỉ mw100.

- Bước 3: Vào Controls => Alarm view

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

Giao diện vận hành HMI được thiết kế trên phần mềm TIA portal V16, từ đó ta có thể vận hành thống ở chế độ Simulation HMI trên PC Màn hình HMI sẽ cung cấp chính xác những thông số dữ liệu và cho phép ta điều khiển hệ thống.

4.1 Thiết kế giao diện tổng quan, màn hình phân quyền cho hệ thống

Yêu cầu thiết kế một giao diện phù hợp với các chức năng của hệ thống, dữ liệu phải chính xác và trực quan Màn hình tổng quan chứa các thông tin của hệ thống, phân quyền và đăng nhập theo đối tượng vận hành hệ thống như hình 4.1

Hình 4.25 Màn hình tổng quan

Hình 4.26 Giao diện phân quyền

4.2 Thiết kế màn hình giám sát và vận hành hệ thống

Màn hình vận hành hệ thống hiển thị các thiết bị mô phỏng quá trình xử lý rác thải rồi phát điện đồng thời cho phép người vận hành xuất các thông số dữ liệu ra file PDF, hiển thị thời gian thực tế Ngoài ra giao diện còn có các đèn báo trạng thái hoạt động của hệ thống và các nút dùng để vận hành hệ thống bằng chế độ Auto và Manual, các nút khởi động và dừng hệ thống như Hình 4.4

Hình 4.28 Màn hình giám sát và vận hành hệ thống

Ngoài ra màn hình này cho phép người vận hành có thể reset số liệu nhiệt độ của lò đốt đã được đếm trong một khoảng thời gian hoạt động Đồng thời khi nhiệt độ của lò đốt lớn hơn 1100 °C thì màn hình hệ thống sẽ báo quá nhiệt, và khi nhiệt độ được xử lý ổn định lại nhỏ hơn 1100 °C thì hệ thống sẽ không còn thông báo quá nhiệt.

4.3 Thiết kế màn hình cảnh báo lỗi

Trong quá trình vận hành hệ thống không thể tránh khỏi những sai sót, hay những lỗi kỹ thuật, các tác nhân nhiễu làm hệ thống vận hành không được như dự định ban đầu Do đó thường xảy ra các lỗi hệ thống Và giao diện cảnh báo lỗi sẽ báo cho chúng ta biết được những lỗi đang xảy ra trong hệ thống để kịp thời sửa chữa và khắc phục

Hình 4.29: Màn hình cảnh báo lỗi

Hình 4.30: Đèn cảnh báo quá nhiệt

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

5.1.1 Khối lượng công việc đã thực hiện

Trong quá trình thực hiện đề tài, nhóm đã hoàn thành những nội dung sau:

- Lên ý tưởng thực hiện hệ thống.

- Thiết kế giao diện giám sát và vận hành hệ thống.

- Thiết kế chương trình điều khiển hệ thống.

5.1.2 Hạn chế của đề tài Đề tài tập trung vào các nhiệm vụ thiết kế và mô phỏng hệ thống lò đốt rác phát điện trên phần mềm Tia portal và giao diện HMI Hệ thống chưa đưa vào thiết kế mô hình trên thực tế Chưa thực nghiệm và kiểm tra sai số trong quá trình vận hành trên thực tế.

5.2 Hướng phát triển của đề tài

Dựa trên những hạn chế và sự nghiên cứu hệ thống lò đốt rác phát điện trong thời gian qua, hệ thống có thể phát triển thêm như sau:

- Đưa vào thực hiện mô hình kiểm nghiệm trên thực tế.

- Tối ưu hóa quá trình đốt rác.

- Giảm thiểu hiệu ứng nhà kính.

- Giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

THIẾT KẾ PHẦN MỀM

Thiết kế giao diện vận hành HMI