Hệ điều khiển DCS cho nhà máy sản xuất điện năng sách giáo trình dùng cho sinh viên các trường đại học kỹ thuật bùi quốc khánh pdf

BÙI QUỐC KHÁNH - NGUYỀN DUY BÌNH PHẠM QUANG ĐĂNG - PHẠM HồNG SƠN ■ ■ CHO NHÀ MÁY NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT BÙI Q l ỏ c KHẢNH - NGUYỄN DUY BÌNH PHẠM QUANG ĐĂNG - PHẠM HÒNG SƠN HỆ ĐIỀU KHIẺN DCS CHO NHÀ MÁY SẢN XUẤT ĐỈỆN NĂNG (Sách giáo trình dùng cho sinh viên trường đại học kỹ thuật) (Tái ban lần thứ - có sưa chữa ) NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỢC VÀ KỶ THUẬT HÀ NỘI 2013 ■ X ■ r ■ HI A Lời nói đâu Sàn xuất diện trình phức tạp liên quan tới nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ khác M ỗi nhà máy điện có nhiều tơ máy, nhà máy điện găn kêt với lưới điện thành hệ thống điện quốc gia Vì hệ thống điều khiển nhà máy điện hệ thống lớn, sở liệu phải thống nhất, đảm bào tính ổn định bền vững, độ tin cậy cao Trong năm gần đây, hệ thống tự động hóa nhà máy điện thừa hường thành tựu khoa học công nghệ điện tử, tin học kỹ thuật điều khiên, có phát triên vưọt bậc Hệ tự động hóa nhà máy điện đại ứng dụng gần phần lớn sử dụng hệ điều khiên phân tán (DCS - Distributed Control System) Hệ xây dựng môi trường số, có sờ dừ liệu tồn cục (Global) cho giám sát vận hành điều khiển Những chức điều khiên phân bô cho điêu khiên với khả điều khiển lớn có đầu vào/ra phân tán đê kết nôi với thiết bị chấp hành đo lường thông minh (Smart Sensor) Tất hệ tích hợp kết nối với bời mạng truyền thông chuẩn công nghiệp V iệt Nam năm gần có hàng loạt nhà máy điện xây dựng đưa vào vận hành với mức độ tự động hóa cao trang bị hệ điều khiên DCS đại hãng nôi tiếng giới như: Yokogawa, A B B , Siemens, Honeywell, Emerson Chính lưọ*ng kỹ sư tự động hóa làm việc nhà máy điện dự báo ngày tăng Đẻ đáp ứng nhu cầu thực tiễn sản xuất, Bộ mơn Tự động hóa - Trường Đ H B K Hà nội cho giảng dạy môn học Hệ điều khiên DCS tự động hóa nhà máy nhiệt điện cho sinh viên Bộ môn giao cho PGS Bùi Quốc Khánh chủ biên phối họp với cán phịng Hệ thống Tự động hóa phịng Cơng nghệ Năng lượng - Trung tâm N C T K Công nghệ cao (nay Viện K ỹ thuật Điều khiển Tự động hóa - Trưcrng Đ H B K Hà nội) biên soạn giáo trình ';Hệ điều khiên DCS cho nhà máy sản xuất điện năng'\ Nội dung giáo trình đà Hội đồng xét duyệt giáo trình Truông Đại học Bách khoa Hà nội thông qua N ội dung giáo trình chia làm phần: ■ Phần I: Tổng quan Điều khiển phân tán (DCS) ■ Phan II: Phân tích cấu trúc mạch vịng điều khiển điển hình nhà máy nhiệt điện đốt than ■ Phan III: Hệ DCS cho nhà máy điện đốt than PGS Bùi Quốc Khánh, TS Phạm Quang Đăng, ThS Phạm Hồng Son tham gia biên soạn phần I PGS Bùi Quốc Khánh biên soạn phần II, PGS Bùi Quốc Khánh, Ks Nguyễn Duy Binh, Ths Phạm Hồng Son’, tham gia biên soạn phần III Giáo trình biên soạn phục vụ cho sinh viên ngành Tự động hóa đồng thời dùng làm tài liệu tham khảo cho kỹ sư ngành có liên quan Tập thê tác già xin cảm on thầy giáo Bộ mơn Tự động hóa, cán nghiên cứu Trung tâm N C T K Công nghệ cao (nay Viện K ỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Trường Đ H B K Hà nội), cán kỹ thuật ngành điện lực quan tâm góp ý cho nội dung giáo trinh Tiếp thu ý kiến đóng góp cùa bạn đọc đồng nghiệp, lần tái số nội dung sửa chữa chinh sửa Tuy nhiên nội dung sách đề cập tới vấn đề lớn, phức tạp lại mang tính thực tiễn cao việc biên soạn khơng tránh khỏi thiếu sót Tập thê tác già mong bạn đồng nghiệp độc giả tiếp tục góp ý kiến đẻ cho cn sách ngày hồn thiện Thư góp ý xin gửi Viện kỹ thuật điều khiên tự động hóa, nhà Cơng nghệ cao, Trường Đại học Bách khoa Hà N ội Nhà xuất Khoa học kỹ thuật 70 Trân hưng Đạo - Hà N ội Chứng xin chân thành cảm ơn Các tác giả PHÀN I: TÒNG QUAN HỆ ĐIÈU KHIẾN DCS CHƯƠNG ĐIỀU KHIÊN PHÂN TÁN 1.1 Tổng quan tự động hóa q trình sản xuất hệ đỉều khiến 1.1.1 Tự động hóa q trình sản xuất tự động hóa q trình cơng nghệ Hệ thống điêu khiên, điều hành quản lý sản xuất cách tự nhiên phân chia thành nhiều câp Phù hợp với thực tẽ này, hệ thơn« tự độn« hóa q trình sản xuât phân chia thành nhiêu câp điên hình hệ thốn« tự độn« hóa q trình sản xuất thường bao gơm cấp trẽn Hình 1-1 Đặc điêm cấp sau: Câp thứ nhất: cấp cảm biến - chấp hành hay cấp trường Nó thực kết thiết bị điêu khiên vói cảm biến co* cấu chấp hành cấp thứ hai: cấp điều khiên thực chức điêu khiên trình cơng nghệ thực việc kết nối thiết bị điều khiên, thiết bị điều khiên logic kha trình PLC thiẻt bị điều khiển máv điều khiên số CNC máy tính PC cơng nghiệp Cấp thứ ba: cấp vận hành, giám sát chi huy thực chức vận hành giam sát Tại cấp thứ ba thực chức giao diện người - máy lưu trữ sô liệu liên quan tới sản xuất, lệnh, thiết lập cấu hình thay đơi chế độ làm việc cho q trình cơng nghệ, máy sản xuất Chức điều khiên câp điêu khiên câp cao người vận hành dam nhiệm máy tính thực chức điều khiên cấp cao Thiết bị cấp thứ ba máy trạm làm việc, máy tính PC Các câp câp trực tiêp thực trình công nghệ Cấp thứ tư: cấp điều hành sản xuất thực phối hợp q trình cơng nghệ với với hệ thống phụ trợ sán xuất kho tàng, hệ thống cung ứng vật tư, nguyên liệu, nhiên liệu nhiều nhiệm vụ quản lý khác quản lý kỹ thuật, quản lv san xuất, quan lý nguỗn lực, Cấp thứ năm: cấp quản lý cơng ty thực kết nối phối hợp hoạt động quản lý khác nhà máy, chi nhánh vãn phòng công ty nhiêu thành phố quốc gia khác Trong SO' đỏ phân cắp cúa hệ thống tự động hóa q trình sản xuất cấp 1, cấp trực tiẽp thực q trình cịng nghệ hệ thống điều khiên tự động áp dụng cho câp gọi hệ thống tự động hóa q trình cơng nghệ cấp thứ thứ thực chức điều hành, quản lý hệ thống tự động hóa áp dụng cho hai cấp gọi hệ thống tự động hóa điều hành quản lý sán xuất Trong khuôn khỏ cua sách nàv hệ thống đề cập chù yếu hệ thống tự động hóa q trình cơng nghệ, có nghĩa cấp SO' đô phân cấp hệ thống tự động hóa q trình sản xuất cấu chấp hành Hình 1-2 Thơng tln hệ thống điều khiển đơn giản 1.1.2 Sự đòi phát triên hệ thống điều khiên Mục tiêu hệ thống tự động hóa q trình san xuất la để đảm bào hoạt động an toàn kinh tế Trong hâu hét nhà máy công nghiệp nav có sơ loại thiết bị điều khiên định, cấp độ đon giản nhất, nhà máy chi bao gồm động co- điện truyền động cho quạt làm mát để điều khiển nhiệt độ phòng Ớ dạng phức tạp có thẻ lị phản ứng hạt nhân tạo điện cung cấp cho kinh tế Bẽn cạnh quy mô độ phức tạp, tất cà hệ thống điều khiên chia thành ba phần theo chức năng: thiết bị đo thiết bị điêu khiên CO' cấu chấp hành Thiết bị điều khiên giám sát thông số trạng thái q trình nhà máy thơng qua thiết bị đo Thiết bị đo có chức chun đơi thơng tin vật lý thành tín hiệu điện đưa vào đầu vào cùa thiết bị điều khiên Dựa trẽn trạng thái từ đau vào, thiết bị điều khiển sử dụng thuật tốn chương trình hóa đẽ tính tốn cho tín hiệu điều khiên cấu chấp hành Tùy thuộc yéu câu công nghệ, mức đâu tư trình độ ứng dụng mà hệ thống điêu khiên dua vào thực tế có nhiêu mức độ khác Tuy nhiên hệ thong điêu khiên đêu có mục đích chung: • An tồn cho người thiẻt bị hoạt động san xuất; • Vặn hành tin cậy, kinh tẻ: • Nâng cao chất lượng, suất; • Tăng sản lượng Những hệ thống điều khiên dã đòi Cách mạng công nghiệp vào cuối kỷ X IX Chức điều khiên thực thông qua thiết bị khí tinh xảo câu cam chương trình, thực tụ động hóa cho vài cơng đoạn quan trọng, phức tạp có tính lặp lặp lại dây chuyên Các thiết bị thưỊTìg thiết kế cho ứng dụng cụ thẻ riêng biệt Đâu the kỳ 20 đèn điện tử khuêeh đại điện tử băt đâu xâm nhập vào công nghiệp làm cho dâv chuyền sản xuât tự động đỡ công kênh hon Thiêt bị tự động điên hình thời gian thiết bị điều khiên dùng dẻn diện tư thiét bị điều khiên tô hợp điện kế tự động ghi rơle thời gian diện tứ Vào cuối năm 1960 đâu năm 1970 điện tử công suất, vi mạch điện tử đặc biệt vi xử lý 4-bit 8-bit dòi đâ làm thay đòi rắt nhiều thiết bị điều khiên Các thiết bị điêu khiên tương tự thiết bị điều khiến số thiết bị điều khiển số lập trình 4-bit Nhò' tiến kỹ thuật hệ điều khiên có cải thiện rõ rệt, gọn nhẹ tính giám sát vận hành tập trung bất đâu xuât Điên hình cơng nghệ giai đoạn ỏ' Việt Nam dây chuyền tự động X i măng Hoàng Thạch I giấv Bãi Bằng, nhiệt điện Phả Lại Vào cuối thập kỷ 80 ký 20 tính vi xử lý vi điều khiển nâng cao nên đà xuất thiết bị điều khiên mạnh PLC (thiết bị điều khiên logic kha trình) chađiều khiên logic, thiêt bị điều khiên sỏ q trình có mạch vịng tín hiệu liên tục Vào thập kỷ 90 thể kv 20 hệ điều khiển DCS đòi, PLC thiết bị điều khiên sô kêt nôi với với trung tâm giám sát vặn hành qua đường truyền thông Các hệ thống điêu khiên sản xuảt hoàn thiện phát triẽn hoàn chinh ngày Đen nhũng năm cuối cùa kỷ 20 năm đầu kỷ 21 chửng kiến xu hướng quan điểm hệ điều khiển Giờ ranh giới hệ điều khiển ngày bị lu mờ ngày xuất them nhiêu hệ thống điều khiển mói nhằm đáp ứng cầu cơng nghệ sản xuất như: hệ điều khiển lai (H ybrid Control System), hệ điều khiển máy tính (Computer Based), Những năm chứng kiến đòi hàng loạt tiêu chuân điều khiên tiêu chuẩn ngơn ngừ lặp trình, tiêu chn truyền thơng, tiêu chuân giao diện mang hệ điều khiên lại gân hon phá bo the độc quven nhà cung cắp trước đó, tạo thuận lợi lớn cho khách hàng Xu hệ thống điều khiên giảm thiêu chi phí phân cứng, tăng cường áp dụng thuật toán, cấu trúc điều khiên đại, tiến tiên điều khiên mờ, điều khiên noron, điều khiển theo mơ hình dự báo, vào cơng nghiệp nhằm giảm chi phí sản xuất, tăng chất lượng tiết kiệm lượng 1.1.3 Các hệ thống điều khiển Sự phát triển kỹ thuật vi điện tử tin học làm xuất thiết bị hệ thống điều khiển sử dụng kỹ thuật số Ngày thiết bị hệ thống điều khiển phô biến sử dụng kỹ thuật ,số với chủng loại quy mô vô phong phú gần khơng có gianh giói lớp thiết bị, hệ thống điều khiển Tuy nhiên cho dù nhà máy quy mơ lón hay nhị ta thấy tồn ba ứng dụng điều khiển co sau: • Điều khiển logic Thực liên động, logic trình tự cho trinh công nghệ Nền tảng khoa học cho ứng dụng phép tốn logic • Điều khiển - điều chinh ủ n g dụng thực mạch vòng điều khiên - điều chinh nhằm trì đại lượng xác định q trình cơng nghệ theo lượng đặt cho trước để đảm bao điều kiện u cầu q trình cơng nghệ Nền tảng khoa học cho việc xây dựng phát triển ứng dụng lý thuvết điều khiển tự động • Giám sát, vận hành thu thập số liệu (S C A D A ) Úng dụng hỗ trợ người vận hành giám sát vận hành toàn trinh công nghệ, ủ n g dụng thực chức điều khiên cấp cao người thực với hỗ trợ phần mềm chuyên dụng điều khiển mẻ, tối ưu trình, Tùy theo tính chất q trình cơng nghệ nhà máy ứng dụng điều khiến logic chiếm ưu the hon ứng dụng điều khiên - điều chỉnh ngược lại cỏ thể phân chia chúng thành cac nhóm sau: • Hệ thống tự động hóa nhà máy (Factory Automation): Hệ thống tự động hóa nhà máy kết nối thiết bị điều khiển logic khả trình (PLC) với trạm vận hành giám sát Úng dụng chủ yếu cùa hệ thông cho ứng dụng sản xuất rời rạc đỏ ứng dụng điêu khiên logic chủ yếu hệ thống sàn xuất, lắp ráp khí mà điên hình nhà máy sàn xuất lap ráp ỏ-tơ;• • Hệ thống tự động hóa q trình (Process Automation): Hệ thống tự động hóa q trình kết nối thiết bị điều khiên số trình với với trạm vận hành giám sát Điẻm nôi bật hệ thống cho phép thiết bị điều khiển trực tiếp trao đồi liệu với đẽ cho phép thiết lập cấu trúc điều khiển phân tán (DCS) nhằm nâng cao chất lưọng hiệu điều khiển, ủ n g dụng yếu hệ thống cho trình sản xuất liên tục vịng điều khiên điều chinh liên tục chu yếu trình sản xuảt điện nhà máy nhiệt điện, trình san xuất nhà hóa chât lọc dâu, ; • Hệ thống điều khiển lai hệ thống điều khiển trung gian giừa hai hệ thong kê thiết bị điều khiển có thẻ tùy biến cho hoạt động theo chẻ độ cua PLC theo chế dộ thiết bị điều khiển số trình, ú n g dụng chu yếu hệ thống trinh cỏng nghệ cỡ vừa tưong quan ứng dụng điều khiển logic điều khiên-điều chỉnh tương đưong a) Thiết bị điều khiển điển logic khả trình (PLC) Các thiết bị điều khiên logic khả trình PLC (Programmable Logic Controller) phát triên lĩnh vực điện, ban đầu nhằm thay bảng mạch rơ le Các thiết bị PLC có ưu diêm tốc độ xử lý tín hiệu logic nhanh (cõ' micro tới m ili giây) nhiên khả xử lý tín hiệu analog lại Trên Hình 1-3 cấu trúc tổng quan phần cứng thiết bị PLC: u T p u T Central Processing Unit X \l s Sỵ' ,-^s — ÍM /— y~< S À LJ Hình 1-3 Tồng quan phần cứng PLC Các PLC thiết kế cho ứng dụng điều khiên logic độc lập ứng dụng điều khiên nội máy sản xuất hay công đoạn san xuảt độc lập tưong công đoạn khác N ói chung PLC thiên ừng dụng đon le Ưu điểm cua PLC xử lv phép tính logic với tơc độ rât cao thời gian vịng qt nhò (cõ' JUS ms/vòỉigquét) Ban đầu PLC chi dược sử dụng cho dieu khiên logic chi quàn lý đâu vào/ra sơ Qua q trình phát triẻn, ngày số loại PLC bô xung thêm nhiều chức khả quàn lý đầu vào/ra analog, khả hỗ trợ hệ thống truyền thông công nghiệp Các giao thức truyền thông công nghiệp mà PLC hỗ trợ là: PROF1BUS AS-i DeviceNet Việc hỗ trợ thêm chuẩn giao diện truyền thông hệ sau cua PLC mờ khả ứng dụng PLC hệ thống lớn cách nối mạng với tạo thành mạng PLC kết nối với hệ thống lớn (hệ DCS), có thẻ két nối vói mảy tính có phần mềm giao diện người - máy (H M I) tạo thành hệ PLC /H M I đẻ điêu khiên, giám sát thu thập số liệu - Tuy có khả quản lý dầu vào/ra analog số lượng quản lý CÒĨ1 hạn che, không hỗ trợ hoạt động đa nhiệm (multi-task) nên thuật tốn xử lý biến analog khơng phù hợp với yêu cầu điều khiển-điều chinh PLC cộng với máy tính cá nhân (PC), máy tính cơng nghiệp (IPC) thực phương án điều khiên phân tán sè mât rât nhiêu công sức lặp trình khơng thê thav thê hệ DCS thương phẩm có hạn chế sau:• • Co sị' dừ liệu nhị chua mang tính tồn cục dẫn tới dòi hòi kỹ sư thiết kế phái tiêu tôn nhiều thời gian vả công sức đẻ phát triẻn hệ sị' dũ' liệu q trình muôn sử dune PLC cho ứng dụng lớn, phức tạp Đặc biệt nêu muôn thiẻt lập cấu trúc điêu khiên phân tán phái nhiều cơng sức cho lập trình truyền thịng chia sẻ liệu PLC • Độ tin cậv sản xuất kha dự phịng PLC thực số khâu hạn chế cua PLC khơng có thay đơi chương trình trực truyền - thay đơi chương trình PLC làm việc Nẻu muôn thav đôi chương trình PLC, ta phải dừng PLC dan đẻn làm gián đoạn sản xuất M ỏt số nhà cung cấp sản phâm PLC: Rockwell Automation, Schneider Electric, Siemens Yokogawa, Omron A B B A B b) Hệ thống điều khiển với cấu trúc điều khiển phân tán (DCS) DCS chừ viết tắt cua Distributed Control System - hệ thống điều khiên phân tán - dược dùng đẻ chi lớp hệ thông điêu khiên sử dụng cấu trúc điều khiên phân tán Khác với hệ thống điêu khiên xảy dựng CO' sờ PLC DCS giải pháp tơng thê kẻ cà pìiần cứng, phần mêm truyền thơng cho tồn hệ thống phát triên từ ứng dụng điều khiên ngành cơng nghiệp hóa chât với thiêt bị điêu khiên ban đầu sử dụng kỹ thuật tương tự Giải pháp thiết kẽ hệ thống điêu khiên sản xuất thương phâm hướng vào hỗ trợ ứng dụng điêu khiên phân tán nên thường thiết kế theo hệ thống mờ khả tích hợp cao kẻ ca tích hợp với PLC khác điều khiên máy công đoạn sản xuất độc lập Đặc biệt đẻ hỗ trợ cho cấu trúc điều khiên phân tán nên hệ thống điều khiên có chức nàng trao đổi dừ liệu trực tiếp thiết bị điều khiên Mục tiêu tạo thuận lợi cao cho người kỹ sư thiết kế tích hợp hệ thống điêu khiên Thê mạnh hệ thống điều khiên sản xuất với cấu trúc DCS khả xử lý tín hiệu tưong tự thực chi q trình phức tạp khả tích hợp dề dàng Các hệ thống điều khiên san xuất thương phàm ngày thường bao gồm thiết bị điều khiển (controller), hệ thống mạng truyền thông phân mềm điều hành hệ thống tích hợp hồ trợ điều khiên phân tán Các hệ thống có the quản lý từ vài nghìn điểm đến hàng chực nghìn diêm vào/ra Nhò' câu trúc phân cứng phân mẻm có tính thống nhất, hệ điều khiển thực đồng thòi nhiều vòng điều chỉnh, điều khiên nhiều tầng, hay theo thuật thuật toán điều khiên đại: nhận dạng hệ thơng, điêu khiên thích nghi, tối ưu, bền vững, điều khiển theo mơ hình dự báo (MPC) Fuzzy, Neural, điều khiên chất lượng (ỌCS) Đê phục vụ cho việc trao đôi thông tin chức DCS hệ thống điều khiển thương phâm ngày hỗ trợ nhiều giao thức truyền thông từ cấp trường đến cấp quản lý Hiện giao thức nàv đă chuân hoá (Profibus, Foundation FieldBus Ethernet) Các hệ điêu khiên thương phâm với câu trúc DCS ngày có độ tin cậv cao nhờ có kha dự phòng kép tất thành phần hệ (controller, modul I/O, bus truyền thông), khả thay đơi chương trình (sửa chừa download), thay đơi cấu trúc hệ thêm bót thành phần mà khơng làm gián đoạn, khơng cần khơi động lại q trình (thay đổi online) Co' sờ dừ liệu trình hệ điêu khiên với câu trúc DCS thiết kế sẵn CO' sờ dừ liệu lớn có tính tồn cục thống Các nhà sản xuất hệ điều khiên hỗ trợ tính DCS cam kết thời gian hồ trợ với sản phâm từ 15 tới 20 năm đẻ đảm bảo thời gian hoạt động khai thác hệ thống lớn Tắt đặc diêm cho thấy hệ điều khiển sản xuất với tính DCS hồn tồn đáp ứng yêu câu giải pháp tự động hố tích hợp tơng thẻ Các chun gia cho tới 10 I >jtl *> "I 1im íĩ \xi>.c