Hệ thống điều khiển tự động DCS trong nhà máy sản xuất khí công nghiệp

3 Các giải pháp hệ thống phần cứng và phần mềm cho điều khiển và giám sát một quá trình công nghệ hay một dây chuyền lắp ráp không chỉ bao hàm ý “tự động hóa”, “tin học hóa” các chức năn

- -

TỐNG KIM THANH

NGHIÊN CứU ảNH HƯởng của một số thông số

và chế độ làm việc của dao đĩa đến chất l−ợng cắt gốc mía của máy chặt mía rải hàng liên hợp với máy kéo 4 bánh cỡ 18-25hp

Tôi xin cam đoan những nội dung trong luận văn cao học này là sản phẩm do chính tôi viết ra, dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS Võ Minh Chính Để hoàn thành luận văn này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu đã được ghi trong bảng những tài liệu tham khảo mà không sử dụng bất cứ một tài liệu nào khác Nếu phát hiện có sự sao chép, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Học viên

Tống Kim Thanh

Hiện nay các hệ thống điều khiển phân tán nói chung và hệ thống điều khiển CENTUM CS 3000 của hãng Yokogawa nói riêng đã trở nên phổ biến trong các nhà máy hiện đại trên thế giới, nhưng ở nước ta, ứng dụng của chúng vẫn còn rất hạn chế Có thể nói rằng việc xây dựng các nhà máy sử dụng các hệ thống điều khiển hiện đại sẽ là điểm nhấn trong công cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước

Ở nước ta đã có một số nhà máy sử dụng các hệ thống điều khiển của hãng Yokogawa như nhà máy sản xuất Super-phốt phát và hoá chất Lâm Thao, nhà máy nhiệt điện Phả Lại, nhà máy xeo - công ty giấy Bãi Bằng…

Nhà máy khí công nghiệp Messer Hải Dương là một nhà máy hiện đại, có những yêu cầu cao về hệ thống đo lường điều khiển, nên việc sử dụng một hệ thống điều khiển thích hợp có vai trò rất quan trọng

Luận văn thực hiện việc nghiên cứu hệ thống DCS ứng dụng trong nhà máy khí Messer Hải Dương với những nội dung chính như sau:

Chương 1: Tổng quan hệ thống điều khiển phân tán Chương này sẽ trình bày những vấn đề cơ bản về hệ thống điều khiển giám sát như cấu trúc, thành phần,… cũng như các thành phần, các giải pháp, các vấn đề kỹ thuật của hệ thống điều khiển phân tán

Chương 2: Dây chuyền công nghệ của nhà máy khí công nghiệp Messer Hải Dương Chương này sẽ đề cập đến các quy trình công nghệ của nhà máy, bao gồm: quy trình tách khí, quy trình hóa lỏng, và quy trình cung cấp sản phẩm

Chương 3: Hệ thống DCS CENTUM CS3000 của hãng Yokogawa Chương này nêu ra các đặc điểm nổi bật của hệ thống CS3000 cả về phần cứng và phần mềm

Chương 4: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống DCS CENTUM CS3000 vào nhà máy khí công nghiệp Messer Hải Dương, lựa chọn cấu trúc phần cứng, đồng thời nêu trình tự lập trình phần mềm

cảm ơn đến thầy giáo đã giúp đỡ em hoàn thành luận văn này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các nhân viên của nhà máy Messer Hải

Dương, các nhân viên kỹ thuật trong công ty Yokogawa và các đồng nghiệp của tôi,

đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn

Mặc dù đã rất cố gắng, nhưng do hiểu biết của bản thân còn hạn chế nên luận

văn không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được sự góp ý, bổ sung

của thầy cô và bạn bè để luận văn được hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Học viên

Tống Kim Thanh

ML.1

MỤC LỤC

Lời cam đoan

Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt

Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Lời nói đầu

Chương 1: Tổng quan hệ thống điều khiển phân tán 1

1.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển, giám sát 1

1.1.1 Đặt vấn đề 1

1.1.2 Cấu trúc và các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển, giám sát.3 1.1.3 Mô hình phân cấp chức năng của hệ thống điều khiển, giám sát 4

1.1.4 Các cấu trúc điều khiển 6

1.2 Hệ thống điều khiển phân tán DCS 10

2.1.1 Khái niệm về hệ thống điều khiển phân tán 10

2.1.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển phân tán 11

a) Trạm điều khiển cục bộ 12

b) Trạm vận hành 13

c) Trạm kỹ thuật 14

d) Hệ thống bus truyền thông 15

2.1.3 Các giải pháp cho hệ thống điều khiển phân tán 17

a) Các hệ DCS truyền thống 17

b) Các hệ DCS trên nền PLC 18

c) Các hệ DCS trên nền PC 20

2.1.4 Các vấn đề kỹ thuật 21

ML.2

Chương 2 Dây chuyền công nghệ của nhà máy khí công nghiệp Messer Hải

Dương 23

2.1 Tổng quan về Tập đoàn Messer 23

2.2 Nhà máy khí công nghiệp Messer Hải Dương 24

2.3 Mô tả quy trình tách khí 26

2.3.1 Lọc khí, nén khí 26

2.3.2 Làm lạnh sơ bộ và tinh khiết hóa 26

2.3.3 Chưng cất khí 27

2.4 Mô tả quy trình hóa lỏng 27

2.4.1 Nguồn khí nạp vào 30

2.4.2 Hóa lỏng Nitơ 30

2.4.3 Hóa lỏng Oxy 31

2.5 Cung cấp các sản phẩm cho khách hàng 32

2.5.1 Cung cấp sản phẩm khí cho nhà máy thép Hòa Phát 32

2.5.2 Cung cấp sản phẩm lỏng cho các khách hàng 33

Chương 3: Hệ thống DCS CENTUM CS3000 của hãng Yokogawa 34

3.1 Tổng quan về hệ thống DCS CENTUM CS3000 34

3.1.1 Giới thiệu chung 34

3.1.2 Lịch sử phát triển của các hệ thống CENTUM 35

3.1.3 Các đặc trưng của hệ thống CENTUM CS 3000 37

3.2 Cấu trúc phần cứng của hệ thống CENTUM CS3000 39

3.2.1 Đặc điểm kỹ thuật của hệ thống 39

3.2.2 Trạm vận hành (Operation Station) 31

3.2.3 Trạm điều khiển hiện trường (Field Control Station) 44

3.2.4 Hệ thống bus, mạng truyền thông 48

3.3 Công cụ phần mềm của hệ thống CENTUM CS3000 54

3.3.1 Công nghệ phần mềm trong hệ thống CENTUM CS3000 54

ML.3

a) Giao diện OPC 55

b) Các điều khiển ACTIVEX 56

c) Hiển thị các cửa sổ đồ họa trong một trình duyệt WEB 57

3.3.2 Cấu hình phần mềm hệ thống 58

a) System View 58

b) Project 59

c) Chức năng kiểm tra ảo (Virtual Test) 60

3.3.3 Các khối chức năng điều khiển cơ bản 61

a) Khối điều khiển PID 61

b) Bộ điều khiển PI lấy mẫu (PI – HLD) 64

c) Bộ điều khiển PID Batch Switch (PID-BSW) 65

d) Bộ điều khiển PID với chức năng thiết lập lại bằng tay (PID-MR) 66

e) Bộ điều khiển PID tự chỉnh PID-STC 67

Chương 4: Hệ thống DCS của nhà máy khí công nghiệp Messer Hải Dương 72

4.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển của nhà máy 72

4.1.1 Hệ thống máy nén khí 72

4.1.2 Hệ thống tiền làm lạnh khí 72

4.1.3 Hệ thống lọc khí 73

4.1.4 Bộ phận tuabin giãn nở 74

4.1.5 Hệ thống điều khiển tháp chưng cất 75

4.1.6 Mạch điều chỉnh tự động 75

4.2 Yêu cầu của hệ điều khiển 77

4.3 Các thiết bị đo lường và cơ cấu chấp hành 78

4.3.1 Các thiết bị đo lường 78

4.3.2 Các cơ cấu chấp hành 79

4.3.3 Các hệ thống phụ 79

4.4 Xây dựng cấu trúc của hệ thống DCS 80

4.4.1 Cấp điều khiển 80

ML.4

4.4.2 Cấp điều khiển giám sát 84

a) Trạm vận hành 84

b) Trạm kỹ thuật 85

4.4.3 Truyền thông 85

4.5 Thiết lập chương trình cho hệ thống DCS 85

4.5.1 Các gói phần mềm 85

4.5.2 Trình tự xây dựng chương trình cho hệ thống DCS 87

4.5.3 Chức năng “Kiểm tra ảo” 97

Kết luận

Tài liệu tham khảo

Phụ lục A: Các thông số kỹ thuật của nhà máy khí Messer Hải Dương Phụ lục B: Sơ đồ P&ID của nhà máy

1 DCS Distribution Control System Hệ thống điều khiển phân tán

2 ETS Enterprise Technology Solutions Giải pháp công nghệ kinh doanh

4 FCS Field Control Station Trạm điều khiển hiện trường

5 OWS Operation Workstation Trạm vận hành

6 EWS Engineering Workstation Trạm kỹ thuật

7 HIS Human Interface Station Trạm vận hành với giao diện

Hình 1.1.1 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển giám sát 3

Hình 1.1.2 Mô hình phân cấp chức năng của một nhà máy công nghiệp 5

Hình 1.1.3 Điều khiển tập trung với cấu trúc vào/ra tập trung 7

Hình 1.1.4 Điều khiển tập trung với cấu trúc vào/ra phân tán 7

Hình 1.1.5 Điều khiển phân tán với cấu trúc vào/ra tập trung 8

Hình 1.1.6 Điều khiển phân tán với cấu trúc vào/ra phân tán 9

Hình 1.2.1 Sơ đồ cấu trúc chung của hệ thống điều khiển phân tán 12

Hình 1.2.2 Hệ thống CENTUM CS3000 của Yokogawa 18

Hình 1.2.3 Hệ thống DeltaV 18

Hình 1.2.4 Hệ thống PCS7 của Siemens 19

Hình 2.2.1 Sơ đồ công nghệ của nhà máy 24

Hình 2.2.2 Sơ đồ quy trình sản xuất của nhà máy 25

Hình 3.1.1 Mô hình hệ thống CENTUM CS3000 34

Hình 3.1.2 Lịch sử phát triển của các hệ thống CENTUM 36

Hình 3.2.1 Ví dụ về cấu hình của một hệ thống CENTUM CS3000 39

Hình 3.2.2 Các thiết bị cơ bản của hệ thống CENTUM CS3000 40

Hình 3.2.3 Các dạng của trạm HIS 41

Hình 3.2.4 Enclosed Display Style Console type HIS 42

Hình 3.2.5 Open Display Style Console type HIS 42

Hình 3.2.6 Cửa sổ giao diện vận hành 44

Hình 3.2.7 Cấu hình FCS 45

Hình 3.2.8 Kết nối giữa các node trong KFCS bằng ESB bus và ER bus 48

Hình 3.2.9 Mạng RIO bus 49

Hình 3.2.10 Khả năng mở rộng Vnet 50

Hình 3.2.11 Fieldbus trong hệ thống CENTUM CS3000 51

Hình 3.3.1 Kiến trúc của OPC 55

Hình 3.3.2 Kiến trúc Client/Server sử dụng OPC 55

Hình 3.3.3 Nhúng ActiveX vào cửa sổ đồ họa 56

Hình 3.3.4 Đưa giao diện vận hành lên WEB 58

Hình 3.3.5 Cửa sổ chương trình System View 59

Hình 3.3.6 Sơ đồ khối chức năng của khối PID 62

Hình 3.3.7 Tác động của bộ điều khiển PI – HLD 65

Hình 3.3.8 Tác động của khối PID-BSW 66

Hình 3.3.9 Sơ đồ khối chức năng của khối PID-STC 68

Hình 4.4.1 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống CENTUM CS3000 nhà máy Messer 81

Bảng 1 Các thành phần chính của khí khô 27

Bảng 2 Tính chất vật lý của các thành phần chính của không khí 27

Bảng 3 So sánh quy mô hệ thống CENTUM CS3000 với hệ thống CS1000 39

Bảng 4 Một số đặc điểm kỹ thuật của Ethernet 51

Bảng 5 Một số thuộc tính, phương thức và sự kiện ActiveX control 57

Bảng 6 Các tác động của bộ điều khiển PID - STC 70

Bảng 7 Số lượng I/O của hệ thống 79

Bảng 8 Hệ thống module vào/ra và module kết nối 80

Bảng 9 Sự phân bố các slot 82

Bảng 10 Các phần mềm cho trạm kỹ thuật 86

Bảng 11 Các phần mềm cho trạm vận hành 86

Bảng 12 Các phần mềm cho trạm FCS 87

Khi thiết kế một hệ thống tự động hóa quá trình công nghệ, một vấn đề luôn được đặt ra là phải cân nhắc giải pháp hệ thống trên cơ sở các thiết bị riêng lẻ hay trên cơ sở một hệ thống tích hợp trọn vẹn Thiết kế hệ thống trên cơ sở các thiết bị riêng lẻ yêu cầu người thiết kế phải tự xây dựng cấu hình hệ thống, lựa chọn các thiết bị điều khiển tự động, các phần mềm lập trình điều khiển cơ sở và các thành phần của hệ thống Ngược lại, một hệ thống điều khiển quá trình tích hợp, một mặt không cho phép người dùng có nhiều sự lựa chọn về thiết bị cũng như công cụ phần mềm, mặt khác đòi hỏi đầu tư ban đầu tương đối lớn Giải pháp này thích hợp với các ứng dụng có quy mô vừa và lớn bởi độ tin cậy cao và hỗ trợ rộng rãi các chức năng điều hành sản xuất Đồng thời, khi đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật, độ linh hoạt, mềm dẻo thì giá thành cũng là một yếu tố quan trọng khi thiết kế hệ thống Vì vậy, hai hướng thiết kế hệ thống sẽ phù hợp với từng trường hợp cụ thể

- Thiết kế trợ giúp của máy tính (CAD – Computer Aided Design);

- Lập quy trình có trợ giúp của máy tính (CAP – Computer Aided Planning);

- Lập kế hoạch sản xuất và kiểm tra (PPC – Production Planning and Check);

- Kiểm tra chất lượng có trợ giúp của máy tính (CAQ – Computer Aided Quality);

- Sản xuất có trợ giúp của máy tính (CAM – Computer Aided Manufacturing) Tốc độ phát triển nhanh chóng của công nghệ vi điện tử, kỹ thuật truyền thông tin và công nghệ phần mềm trong những năm gần đây đã tạo ra sự chuyển biến cơ bản trong hướng đi cho các giải pháp tự động hóa công nghiệp Các xu hướng phân tán hóa, mềm hóa và chuẩn hóa là ba trong nhiều điểm đặc trưng cho sự thay đổi này Những xu hướng mới đó không nằm ngoài mục đích giảm giá thành và nâng cao chất lượng hệ thống

Điều khiển và giám sát bao hàm toàn bộ các giải pháp hệ thống nhằm đảm bảo các yêu cầu chức năng của quá trình kỹ thuật như năng suất, chất lượng, an toàn cho con người, máy móc và môi trường Cụ thể quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của quá trình kỹ thuật phải được điều khiển theo một mô hình cho trước trong khi có tác động của môi trường xung quanh, đồng thời ảnh hưởng xấu của quá trình kỹ thuật đối với con người và môi trường xung quanh phải được giảm thiểu Mặc dù điều khiển và giám sát là hai nhiệm vụ khác nhau nhưng chúng lại liên hệ mật thiết với nhau Thực tế, điều khiển đòi hỏi phải có giám sát và một sự giám sát rất vô nghĩa nếu như thiếu điều khiển, vì thế người ta cũng hay dùng một khái niệm chung là điều khiển

3

Các giải pháp hệ thống (phần cứng và phần mềm) cho điều khiển và giám sát một quá trình công nghệ hay một dây chuyền lắp ráp không chỉ bao hàm ý “tự động hóa”, “tin học hóa” các chức năng của hệ thống điều khiển, mà còn hàm ý “tiện lợi hóa” cho người sử dụng điều hành Hơn nữa nói tới điều khiển và giám sát ta không hạn chế phạm vi người sử dụng ở cấp thao tác viên hay người điều hành xưởng máy, mà còn có thể mở rộng lên cấp quản lý sản xuất hay lãnh đạo công ty Điều này mang nhiều ý nghĩa trong việc nghiên cứu tích hợp các hệ thống điều khiển phân tán DCS (Distributed Control System), các hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) với hệ thống điều hành sản xuất MES (Manufacturing Execution System), và các hệ thống hoạch định tài nguyên công ty ERP (Enterprise Resource Planning)

1.1.2 Cấu trúc và các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển và giám sát

Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển và giám sát quá trình được minh họa trên Hình 1.1.1 Các cảm biến và cơ cấu chấp hành đóng vai trò là giao diện giữa các thiết bị điều khiển với quá trình kỹ thuật Trong khi đó, hệ thống điều khiển giám sát đóng vai trò giao diện giữa người vận hành và máy Các thiết bị có thể được ghép nối trực tiếp điểm – điểm, hoặc thông qua mạng truyền thông

Hình 1.1.1 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển giám sát

4

Tùy theo loại cảm biến, tín hiệu của chúng đưa ra có thể là tín hiệu nhị phân, tín hiệu số hay tín hiệu tương tự theo các chuẩn điện học thông dụng khác nhau (1 10V, 0 5V, 4 20mA, 0 20mA, v.v…) Trước khi có thể xử lý trong máy tính

số, các tín hiệu đo cần được chuyển đổi, tương ứng với chuẩn giao diện vào/ra của máy tính Bên cạnh đó, ta cũng cần các biện pháp cách ly điện học để tránh sự ảnh hưởng xấu lẫn nhau giữa các thiết bị Đó chính là các chức năng của module vào/ra (I/O)

Tóm lại, một hệ thống điều khiển và giám sát bao gồm các thành phần chức năng chính sau đây:

• Giao diện quá trình: Các cảm biến và cơ cấu chấp hành, ghép nối vào/ra, chuyển đổi tín hiệu

• Thiết bị điều khiển tự động: Các thiết bị điều khiển như các bộ điều khiển chuyên dụng, bộ điều khiển khả trình PLC (Programmable Logic Controller), thiết bị điều chỉnh số đơn lẻ (Compact Digital Controller) và máy tính cá nhân cùng với các phần mềm điều khiển tương ứng

• Hệ thống điều khiển giám sát: Các thiết bị và phần mềm giao diện người máy, các trạm kỹ thuật, các trạm vận hành, giám sát và điều khiển cao cấp

• Hệ thống truyền thông: Ghép nối điểm – điểm, bus cảm biến/chấp hành, bus trường, bus hệ thống

• Hệ thống bảo vệ, cơ chế thực hiện chức năng an toàn

1.1.3 Mô hình phân cấp chức năng của hệ thống điều khiển, giám sát

Trong trường hợp tổng quát, một hệ thống điều khiển và giám sát trong nhà máy sản xuất có thể chia thành 5 cấp theo chức năng như mô hình sau

Các cấp dưới thực hiện các chức năng đòi hỏi yêu cầu cao hơn về độ nhanh nhạy, tính thời gian thực Các chức năng thực hiện bởi các cấp trên không đòi hỏi thời gian phản ứng nhanh như ở cấp dưới, nhưng lượng thông tin cần trao đổi và xử lý lại lớn hơn nhiều

Cấp điều khiển có chức năng nhận thông tin từ các cảm biến, xử lý các thông

tin đó theo một thuật toán nhất định, chuyển lên cấp trên nó, hoặc truyền đạt lại kết quả xuống cơ cấu chấp hành Cấp này bao gồm các thiết bị thực hiện chức năng điều khiển như PC, PLC hay thiết bị điều khiển chuyên dụng

Cấp điều khiển giám sát có chức năng giám sát và vận hành một quá trình kỹ

thuật Cấp này hỗ trợ người sử dụng trong việc cài đặt, nâng cấp, mở rộng ứng dụng; thao tác, theo dõi, giám sát vận hành và xử lý những tình huống bất thường

6

Cấp điều hành sản xuất có chức năng đánh giá kết quả, lập kế hoạch sản xuất,

bảo dưỡng máy móc, tính toán tối ưu hoá quá trình sản xuất

Cấp quản lý công ty có nhiệm vụ tính toán giá thành, lãi suất, thống kê số liệu

sản xuất kinh doanh, xử lý đơn đặt hàng, kế hoạch tài nguyên

Thông thường, người ta chỉ coi ba cấp dưới thuộc phạm vi của một hệ thống điều khiển và giám sát Tuy nhiên, biểu thị hai cấp trên cùng (quản lý công ty và điều hành sản xuất) giúp ta hiểu thêm một mô hình lý tưởng cho cấu trúc chức năng tổng thể cho các nhà máy sản xuất

Đối với hệ thống điều khiển phân tán, sơ đồ phân cấp gồm 4 cấp: chấp hành, điều khiển, điều khiển giám sát, quản lý

1.1.4 Các cấu trúc điều khiển

Có các loại cấu trúc điều khiển như sau:

- Điều khiển tập trung với cấu trúc vào/ ra tập trung

- Điều khiển tập trung với cấu trúc vào/ ra phân tán

- Điều khiển phân tán với cấu trúc vào/ ra tập trung

- Điều khiển phân tán với cấu trúc vào/ ra phân tán

a) Điều khiển tập trung với cấu trúc vào/ ra tập trung

Cấu trúc tiêu biểu của một hệ điều khiển tập trung được minh họa trên hình 2 Một máy tính duy nhất được dùng để điều khiển toàn bộ quá trình kỹ thuật Máy tính điều khiển ở đây (MTĐK) có thể là các bộ điều khiển số trực tiếp (DDC), máy tính lớn, máy tính cá nhân hoặc các thiết bị điều khiển khả trình Trong điều khiển công nghiệp, máy tính điều khiển tập trung thường được đặt tại phòng điều khiển trung tâm, cách xa hiện trường Các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành được nối trực tiếp (điểm – điểm) với máy tính điểu khiển trung tâm qua các cổng vào/ ra của

nó Cách bố trí vào/ ra tại máy tính điều khiển trung tâm như vậy cũng được gọi là vào/ ra tập trung

7

Hình 1.1.3: Điều khiển tập trung với cấu trúc vào/ ra tập trung

Cấu trúc này thích hợp cho các ứng dụng tự động hóa quy mô vừa và nhỏ Ưu điểm của cấu trúc này là đơn giản, dễ thực hiện, nhưng công việc nối dây phức tạp, giá thành cao, việc mở rộng hệ thống gặp khó khăn, độ tin cậy kém

b) Điều khiển tập trung với cấu trúc vào/ ra phân tán

Cấu trúc này khắc phục được nhược điểm về việc nối dây và nhiễu trong truyền dẫn tín hiệu của cấu trúc điều khiển tập trung với vào/ ra tập trung Hình 1.1.4 mô tả một cấu hình mạng đơn giản

Hình 1.1.4: Điều khiển tập trung với cấu trúc vào/ ra phân tán

8

Ở đây các module vào/ ra được đẩy xuống cấp trường gần kề với các cảm biến và

cơ cấu chấp hành Một cách ghép nối khác là sử dụng các cảm biến và cơ cấu chấp hành thông minh (màu xám trên hình vẽ) có khả năng nối mạng trực tiếp không cần thông qua các module vào/ ra

Sử dụng bus trường và cấu trúc vào/ ra phân tán có những ưu điểm sau:

- Tiết kiệm dây dẫn và công đi dây, nối dây

- Giảm kích thước hộp điều khiển

- Tăng độ linh hoạt hệ thống nhờ sử dụng các thiết bị có giao diện chuẩn và khả năng ghép nối đơn giản

- Thiết kế và bảo trì dễ dàng nhờ hệ thống đơn giản

- Khả năng chuẩn đoán tốt

- Tăng độ tin cậy của toàn hệ thống

c) Điều khiển phân tán với cấu trúc vào/ ra tập trung

Hình 1.1.5 Điều khiển phân tán với cấu trúc vào/ra tập trung

Phòng điều khiển trung tâm

9

Trong đa số các ứng dụng có qui mô vừa và lớn, một dây chuyền sản xuất thường được phân chia thành nhiều phân đoạn, có thể được phân bố tại nhiều vị trí cách xa nhau Mỗi phân đoạn được điều khiển bằng một hoặc một số máy tính điều khiển cục bộ Nhờ đó khắc phục được sự phụ thuộc vào môt máy tính trung tâm trong cấu trúc tập trung, đồng thời tăng tính linh hoạt của hệ thống lên rất nhiều.Các máy tính điều khiển cục bộ thường được đặt rải rác tại các phòng điều khiển của từng phân đoạn, phân xưởng

Các máy tính điều khiển được nối mạng với nhau và với một hoặc nhiều máy tính giám sát trung tâm qua bus hệ thống Các phân đoạn có liên hệ tương tác với nhau, vì vậy để điều khiển quá trình tổng hợp cần có sự điều khiển phối hợp giữa các máy tính điều khiển

d) Điều khiển phân tán với cấu trúc vào/ ra phân tán

Hình 1.1.6: Điều khiển phân tán với cấu trúc vào/ ra phân tán

Phòng điều khiển trung tâm

10

Trong cấu trúc này, ta cũng có thể sử dụng bus trường để thực hiện việc kết nối giữa máy tính điều khiển và các thiết bị hiện trường (cảm biến, cơ cấu chấp hành) Với việc sử dụng bus trường thì máy tính điều khiển có thể đặt tại phòng điều khiển trung tâm hoặc tại các phòng điều khiển cục bộ, tùy theo qui mô của hệ thống và khả năng kéo dài của bus trường

Giải pháp sử dụng các hệ điều khiển phân tán với cấu trúc vào/ra phân tán và các thiết bị trường thông minh chính là xu hướng trong xây dựng các hệ thống điều khiển và giám sát hiện đại Bên cạnh độ tin cậy cao, tính năng mở và độ linh hoạt cao thì yếu tố kinh tế cũng đóng vai trò quan trọng

1.2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN DCS

1.2.1 Khái niệm hệ thống điều khiển phân tán

Hệ thống điều khiển phân tán được hiểu như là hệ thống dựa trên các phần cứng

và phần mềm điều khiển và thu thập dữ liệu trên cơ sở một đường truyền thông tin tốc độ cao, các module được phân tán và tổ chức theo một cấu trúc nhất định với một chức năng nhiệm vụ riêng Các thiết bị giao tiếp trên đường truyền tốc độ cao này cho phép ghép nối dễ dàng với các thiết bị ngoại vi khác như PLC, các máy tính điều khiển giám sát

Giống như tên gọi về hệ thống điều khiển phân tán – Distributed Control System, các chức năng điều khiển được phân bố khắp hệ thống để thay cho việc xử lý tập trung trên một máy tính đơn lẻ Một hệ thống DCS tiêu biểu có các trạm điều khiển hoạt động độc lập và điều khiển từng bộ phận chuyên dụng của nhà máy Hơn nữa, trong hệ thống có một vài trạm điều hành để giám sát các dữ liệu trong các trạm điều khiển, cung cấp các giao diện đồ họa và cho phép người vận hành thực hiện các thay đổi một cách dễ dàng

Đây là một mô tả mở rộng về một hệ thống DCS nhưng mô tả này cũng phù hợp với một hệ thống gồm các PLC và các PC với các phần mềm giám sát vận hành Điều này dẫn ta tới một định nghĩa quan trọng thứ hai về DCS Một hệ thống DCS

sở dữ liệu riêng trong trạm điều hành để phù hợp với dữ liệu trong các bộ điều khiển vì thông tin đã được tự động tạo ra trong toàn bộ hệ thống

Hệ thống điều khiển phân tán trước kia thường phát triển trong môi trường xử lý hóa chất, trong khi đó các hệ thống dựa trên PLC phát triển trong lĩnh vực điện – điện tử Trong khi các PLC phát triển từ logic relay thì hệ thống DCS phát triển từ các bộ điều chỉnh tương tự Khả năng xử lý dữ liệu tương tự và chạy các trình tự phức tạp là thế mạnh của hệ thống DCS, trong khi xử lý dữ liệu logic loại relay – tương tự như một PLC thì tốc độ chậm hơn PLC nhiều

Một đặc điểm nổi bật của hệ thống DCS là việc sử dụng tagname Một tagname

là tên do người thiết kế hệ thống định nghĩa cho một đối tượng, áp dụng cho mọi khối chức năng và các điểm I/O trong các bộ điều khiển do đó một điểm có thể được truy cập từ bất kỳ đâu trong hệ thống thông qua tagname của nó

1.2.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển phân tán

Hệ thống điều khiển phân tán bao gồm các thành phần cơ bản sau:

- Trạm điều khiển cục bộ (LCS, Local Control Station)

- Trạm vận hành (OS, Operator Station)

- Trạm kỹ thuật (ES, Engineering Station)

- Hệ thống bus truyền thông: bus trường, bus hệ thống

OS

Control Station 1

Control Station 2

Control Station n

Về mặt cấu trúc, trạm điều khiển cục bộ thường được tổ chức theo dạng module, bao gồm các module sau:

- Nguồn (power suply)

- CPU

- Giao diện với bus hệ thống

- Giao diện với bus trường (nếu sử dụng cấu trúc vào ra phân tán)

- Các module vào/ra tương tự, số

Thông thường để đảm bảo độ tin cậy của hệ thống, các module chính trong trạm điều khiển cục bộ thường được dự phòng

Trạm điều khiển cục bộ được lắp đặt trong các tủ điều khiển Vị trí đặt là trong phòng điều khiển gần phòng điều khiển trung tâm hoặc rải rác gần khu vực hiện trường

Máy tính điều khiển trong trạm điều khiển cục bộ có thể là máy tính đặc chủng

do nhà sản xuất cung cấp, PLC hoặc máy tính cá nhân công nghiệp

Các yêu cầu kỹ thuật quan trọng được đặt ra đối với trạm điều khiển cục bộ: tính thời gian thực, độ tin cậy và tính sẵn sàng, lập trình thuận tiện

14

b) Trạm vận hành

Trạm vận hành và trạm kỹ thuật được đặt tại phòng điều khiển trung tâm Các trạm vận hành có thể hoạt động song song, độc lập với nhau Để tiện cho việc vận hành hệ thống, người ta thường sắp xếp mỗi trạm vận hành tương ứng với một phân đoạn hoặc một phân xưởng Tuy nhiên, các phần mềm chạy trên tất cả các trạm hoàn toàn giống nhau, vì thế trong trường hợp cần thiết mỗi trạm đều có thể thay thế chức năng của các trạm khác

Các chức năng tiêu biểu của một trạm vận hành gồm có:

- Hiển thị các hình ảnh chuẩn: hình ảnh tổng quan, hình ảnh nhóm, hình ảnh từng mạch vòng, hình ảnh điều khiển trình tự, các đồ thị thời gian thực và đồ thị quá khứ

- Hiển thị các hình ảnh đồ họa tự do (lưu đồ công nghệ, các phím điều khiển)

- Hỗ trợ vận hành hệ thống qua các công cụ thao tác tiêu biểu, các hệ thống hướng dẫn chỉ đạo và hướng dẫn trợ giúp

- Tạo và quản lý các công thức điều khiển (cho điều khiển mẻ)

- Xử lý các sự kiện, sự cố

- Xử lý, lưu trữ và quản lý dữ liệu

- Chẩn đoán hệ thống, hỗ trợ người vận hành và bảo trì hệ thống

- Hỗ trợ lập báo cáo tự động

Khác với các trạm điều khiển, hầu hết các hệ DCS hiện đại đều sử dụng các sản phẩm thương mại thông dụng như máy tính cá nhân công nghiệp chạy trên nền Windows NT/2000, hoặc các máy tính trạm chạy trên nền UNIX Trạm vận hành sử dụng màn hình màu lớn, với độ phân giải cao để theo dõi quá trình sản xuất, cùng với các thiết bị thao tác chuẩn như bàn phím và chuột

c) Trạm kỹ thuật

Trạm kỹ thuật là nơi cài đặt các công cụ phát triển, cho phép đặt cấu hình cho hệ thống, tạo và theo dõi các chương trình ứng dụng điều khiển và giao diện người máy, đặt cấu hình và tham số hóa các thiết bị trường Việc tạo ứng dụng điều khiển

- Các công cụ phát triển được tích hợp sẵn trong hệ thống

- Công việc phát triển không yêu cầu có phần cứng DCS tại chỗ

- Các ngôn ngữ lập trình thông dụng là sơ đồ khối hàm (FBD-Function Block Diagram, hoặc CFC (Continuous Function Chart) và biểu đồ tiến trình (SFC-Sequential Function Chart)

- Một dự án có thể do nhiều người cùng phối hợp phát triển song song

Để việc phát triển hệ thống phần mềm được thuận lợi, các nhà sản xuất cung cấp các thư viện khối hàm chuyên dụng Bên cạnh đó, nhiều nhà sản xuất cũng cung cấp phần mềm mô phỏng để người phát triển hệ thống có thể tạo các đầu vào/ra mô phỏng, giúp cho việc phát triển phần mềm được chắc chắn, an toàn hơn

Trong một số hệ thống, người ta không phân biệt giữa trạm vận hành và trạm kỹ thuật, mà sử dụng một bàn phím có khóa chuyển qua lại giữa hai chế độ vận hành

dữ liệu quá trình cho các trạm kỹ thuật và các trạm giám sát; nhận lệnh, tham số điều khiển từ các trạm phía trên Ngoài ra, bus hệ thống cũng là phương tiện để trao đổi thông tin giữa các trạm kỹ thuật, trạm vận hành

16

Các hệ thống mạng được sử dụng nhiều nhất là Ethernet, Profibus-FMS và ControlNet

Đặc điểm của việc trao đổi thông tin qua bus hệ thống là lưu lượng thông tin lớn,

vì vậy tốc độ đường truyền phải tương đối cao Tuỳ theo lĩnh vực ứng dụng mà tính năng thời gian thực cũng là một yêu cầu được đặt ra, tuy nhiên không nghiêm ngặt như với bus trường Số lượng trạm tham gia thường không lớn và nhu cầu trao đổi

dữ liệu không có đột biến lớn

Bus trường

Bus trường là một khái niệm chung trong công nghiệp chế biến để chỉ các hệ thống bus nối tiếp, sử dụng kỹ thuật truyền tin số để kết nối các thiết bị thuộc cấp điều khiển và các thiết bị ở cấp chấp hành (thiết bị trường) Các yêu cầu chung đặt

ra với bus trường là tính năng thời gian thực, mức độ đơn giản và giá thành thấp Các loại bus trường được hỗ trợ mạnh nhất là Profibus-DP, Foundation Fieldbus, DeviceNet và AS-I, modbus

Các trạm điều khiển cục bộ sẽ được bổ sung các module giao diện bus để nối với các trạm vào/ra từ xa (remote I/O station) và một số thiết bị trường thông minh Một trạm vào/ra từ xa thực chất có cấu trúc không khác lắm so với một trạm điều khiển cục bộ, chỉ thiếu khối xử lý trung tâm cho chức năng điều khiển Thông thường, các trạm vào/ra từ xa được đặt rất gần với quá trình kỹ thuật, vì thế tiết kiệm nhiều cáp truyền và đơn giản hóa cấu trúc hệ thống Trạm vào/ra từ xa cũng có thể đặt cùng vị trí với trạm điều khiển cục bộ, tuy nhiên như vậy không lợi dụng được ưu điểm của cấu trúc này Khác với cấu trúc vào/ra tập trung, cấu trúc vào/ra phân tán cho phép sử dụng các trạm vào/ra từ xa của các nhà cung cấp khác với điều kiện có hỗ trợ loại bus trường qui định Tuy nhiên, để có thể khai thác tối đa khả năng các công cụ phần mềm tích hợp và đảm bảo tương thích hoàn toàn giữa các thành phần trong một hệ DCS, việc dùng trọn sản phẩm của một hãng vẫn là giải pháp tốt nhất

17

Bên cạnh phương pháp ghép nối thiết bị điều khiển với quá trình kỹ thuật thông qua các module vào/ra, ta có thể sử dụng các cảm biến hoặc cơ cấu chấp hành có giao diện bus trường (các thiết bị trường thông minh) Qua đó có thể đơn giản hóa cấu trúc hệ thống hơn nữa, nâng cao tính năng thời gian thực của hệ thống do tận dụng được khả năng xử lý thông tin của các thiết bị trường

1.2.3 Các giải pháp cho hệ thống điều khiển phân tán

Dựa theo loại trạm điều khiển cục bộ được sử dụng, ta có các giải pháp hệ thống điều khiển phân tán khác nhau Nếu sử dụng máy tính điều khiển chuyên dụng của nhà sản xuất, ta có DCS truyền thống; nếu trạm điều khiển cục bộ sử dụng PC hay PLC ta có hệ điều khiển phân tán trên cơ sở PC, PLC

a) Các hệ DCS truyền thống

Các hệ này sử dụng các bộ điều khiển quá trình đặc chủng theo kiến trúc riêng của nhà sản xuất

Các hệ cũ thường đóng kín, ít tuân theo các chuẩn giao tiếp công nghiệp, các

bộ điều khiển được sử dụng cũng thường chỉ làm nhiệm vụ điều khiển quá trình, vì vậy phải sử dụng kết hợp PLC cho các bài toán điều khiển logic và điều khiển trình

tự Các hệ mới có tính năng mở tốt hơn, một số bộ điều khiển lai đảm nhiệm cả các chức năng điều khiển quá trình, điều khiển trình tự và điều khiển logic

Để hỗ trợ các bài toán điều khiển quá trình diễn ra đồng thời, khối xử lý trung tâm được cài đặt một hệ điều hành thời gian thực, đa nhiệm như VxWork- hoặc của riêng nhà sản xuất phát triển

Ngày nay trừ một số loại nhỏ dùng trong các ứng dụng đơn giản, đa số các PLC hiện đại đều có khả năng làm việc với các tín hiệu tương tự và thực hiện các phép toán số học, các thuật toán điều khiển phản hồi như điều khiển nhiều điểm, PID và điều khiển mờ Các bộ đếm, bộ định thời và một số hàm toán học thông dụng thuộc phạm vi chức năng chuẩn của một PLC

Đa số các PLC vừa có thể sử dụng cho bài toán điều khiển logic và điều khiển quá trình Tuy nhiên, để sử dụng cho các ứng dụng điều khiển phân tán, các PLC được sử dụng thường có cấu hình mạnh, hỗ trợ điều khiển trình tự cùng với các phương pháp lập trình hiện đại

Một số hệ DCS trên nền PLC tiêu biểu là SattLine (ABB), Modicon TSX (Schneider Electric), PCS7 (Siemens),

Hình 1.2.4: Hệ thống PCS7 của Siemens

20

c) Các hệ DCS trên nền PC

Giải pháp sử dụng máy tính cá nhân (PC) trực tiếp làm thiết bị điều khiển đã trở thành thực tế phổ biến trong những năm gần đây Nếu so sánh với các bộ điều khiển khả trình (PLC) và các bộ điều khiển DCS đặc chủng thì thế mạnh của PC không những nằm ở tính năng mở, khả năng lập trình tự do, hiệu năng tính toán cao

và đa chức năng, mà còn ở khía cạnh kinh tế Các bước tiến lớn trong kỹ thuật máy tính, công nghiệp phần mềm và công nghệ bus trường chính là các yếu tố thúc đẩy khả năng cạnh tranh của PC trong điều khiển công nghiệp

Tuy nhiên khái niệm PC mà ta đề cập ở đây là PC công nghiệp (IPC) chứ không phải máy tính cá nhân thông thường IPC khác hẳn với máy tính cá nhân dùng trong gia đình, văn phòng về cấu tạo phần cứng, và phần mềm: IPC được sử dụng trong một thời gian dài với cấu hình giống nhau, ít thay đồi; hệ điều hành dùng cho IPC có thể là Windows NT, Windows CE, Linux, hay là các hệ điều hành thời gian thực như VxWorks

Ngày nay PC đóng một vai trò quan trọng trong tự động hoá Nó cạnh tranh mạnh mẽ với PLC trong các ứng dụng điều khiển PC công nghiệp đã dẫn đến nhiều

xu hướng phát triển mới của tự động hoá PC công nghiệp được sử dụng trong hệ thống điều khiển phân tán DCS điều khiển quá trình sản xuất Một trạm điều khiển cục bộ chính là một máy tính cá nhân công nghiệp được cài đặt một hệ điều hành thời gian thực và các card giao diện bus trường và card giao diện bus hệ thống Như vậy, DCS trên nền PC là một hướng giải pháp tương đối mới, mới có một

số sản phẩm trên thị trường như PCS7 (Siemens, giải pháp Slot-PLC), Stardom (Yokogawa), Ovation (Westinghouse-Emerson Process Management)…

Nhờ những lợi điểm do PC mang lại mà hướng giải pháp này thể hiện nhiều

ưu điểm về mặt giá thành, hiệu năng tính toán và tính năng mở

1.2.4 Các vấn đề kỹ thuật

Các vấn đề kỹ thuật dưới đây đặc biệt quan trọng khi nghiên cứu hệ thống điều khiển phân tán:

21

- Kiến trúc xử lý phân tán (distributed processing): Cấu trúc phân tán về mặt

vật lý, địa lý dẫn đến phân tán về mặt xử lý thông tin Xử lý phân tán là một khái

niệm vay mượn từ lĩnh vực tin học Xử lý phân tán khác với xử lý cục bộ và khác với xử lý nối mạng ở tính thống nhất, xuyên suốt trong việc xây dựng ứng dụng và

trao đổi dữ liệu giữa các trạm

- Tính năng thời gian thực (real time): Tính năng của một hệ thống luôn sẵn sàng phản ứng với các sự kiện bên ngoài và đưa ra đáp ứng một cách đúng đắn và kịp thời Với kiến trúc xử lý phân tán, việc đáp ứng tính năng thời gian thực được cải thiện bằng khả năng xử lý thông tin tại chỗ Song cũng nhiều vấn đề được đặt ra trong việc giao tiếp giữa các thành phần (real – time interprocess communication), trong đó vấn đề giao thức mạng là rất quan trọng

- Tính sẵn sàng (availability) và độ tin cậy (reliability): Một đặc điểm nổi bật

so với các hướng giải pháp khác là tính sẵn sàng cao dựa vào khả năng dự phòng tích hợp, có thể lựa chọn dự phòng cho từng thành phần Tính sẵn sàng, phương thức giao tiếp số, kiến trúc xử lý phân tán, phần mềm đóng gói, phần cứng chuẩn hóa công nghiệp, độ tích hợp cao giữa các thành phần phần cứng và phần mềm là các yếu tố giúp cho các hệ thống điều khiển phân tán có độ tin cậy cao

- Hỗ trợ chuẩn (standard support): Thực ra đây không phải đặc điểm tiêu biểu của các hệ DCS truyền thống, nhưng đây là một yêu cầu không thể thiếu được đối với hệ DCS mới Đặc biệt, sự tương thích với các chuẩn công nghiệp, là tiền đề cho các tính năng mở, cho khả năng tương tác với các thiết bị của các hãng thứ ba

- Công cụ phần mềm (software tools): Việc xây dựng các ứng dụng điều khiển được hỗ trợ bởi các công cụ “lập trình” hoặc “cấu hình” rất mạnh và các thư viện phần mềm đóng gói chuẩn, dựa theo các tiêu chuẩn quốc tế Các công cụ phần mềm điều khiển giám sát cũng được tích hợp và sử dụng chung một cơ sở dữ liệu trong

hệ thống Khác với các giải pháp điều khiển đơn lẻ như PLC, hoặc PC, ta không phải sử dụng một công cụ riêng, xây dựng riêng giao diện người – máy (HMI) và các chức năng SCADA khác Quá trình tạo giao diện người – máy, tạo hệ thống cảnh báo, tạo phương thức điều khiển,… nằm trong việc phát triển ứng dụng, đi đôi với việc xây dựng chương trình điều khiển cấp thấp

22

Chương 2:

D©y chuyÒn c«ng nghÖ cña nhµ m¸y khÝ

c«ng nghiÖp Messer h¶I d−¬ng

X W

2.1 TỔNG QUAN VỀ TẬP ĐOÀN MESSER

Tập đoàn Messer là một trong những tập đoàn khí công nghiệp hàng đầu ở Châu

Âu, với hơn 100 năm hoạt động liên tục Messer cũng là một trong những công ty khí công nghiệp đa quốc gia lớn nhất tại Trung Quốc và những hoạt động tại Trung Quốc hỗ trợ các hoạt động của tập đoàn trên toàn Châu Á, bao gồm cả Việt Nam Mục tiêu của chúng tôi là duy trì và phát triển vị trí của chúng tôi trên những thị trường này Ngày nay tập đoàn Messer đã gọn nhẹ, linh động và sẵn sàng đáp ứng các nhu cầu ngày càng tăng về chất lượng, độ tin cậy, các công nghệ mới và các bí quyết

Messer đã có mặt tại Việt Nam vào năm 1997 và thành lập CÔNG TY TNHH

KHÍ CÔNG NGHIỆP MESSER HẢI PHÒNG (“Messer Haiphong”) tại Hải Phòng

và sau đó mở rộng văn phòng đại diện ở Hà Nội để phát triển thị trường tiềm năng tại phía Bắc Và vào năm 1998, trước nhu cầu của thị trường Việt Nam ngày càng gia tăng Messer quyết định thành lập thêm CÔNG TY TNHH KHÍ CÔNG NGHIỆP

MESSER VIỆT NAM (“Messer Vietnam”) qua việc tiếp tục đầu tư 6 triệu USD để

xây dựng nhà máy khí công nghiệp tại Khu công nghiệp Việt Nam – Singapore (Bình Dương) trên diện tích 6.000 m2 nhằm phục vụ nhu cầu của thị trường phía Nam Nhà máy Messer Vietnam được trang bị hệ thống nạp khí áp lực cao 200bar hiện đại đầu tiên tại Việt Nam Năm 2006, Messer Vietnam chính thức đi vào hoạt động và đáp ứng nhu cầu về khí công nghiệp tại thị trường phía Nam giúp cho các doanh nghiệp và cơ sở có nhu cầu sử dụng khí chủ động hơn trong sản xuất và kinh doanh

23

Tuy với đội ngũ nhân viên chỉ có 90 người và chỉ mới đi vào hoạt động chính thức tại Việt Nam nhưng doanh thu của Messer đã đạt được 1,5 triệu EURO trong năm 2006 Tiếp nối thành công này, năm 2007 doanh thu của Messer tại Việt Nam

đã tăng lên 2 triệu EURO và thu hút được 110 nhân viên Và Tập đoàn Messer đã hợp tác với Tập đoàn Hoà Phát ký kết hợp đồng xây dựng nhà máy sản xuất khí công nghiệp với tổng vốn đầu tư khoảng 13 triệu EURO để xây dựng một nhà máy sản xuất khí với công suất 16.500 m3/giờ hiện đại và lớn nhất Việt Nam, đặt tại xã Hiệp Sơn, huyện Kinh Môn, tỉnh Hải Dương Nhà máy này được đưa vào hoạt động trong năm 2010

2.2 NHÀ MÁY KHÍ CÔNG NGHIỆP MESSER HẢI DƯƠNG

Hình 2.2.1: Sơ đồ công nghệ của nhà máy

Sơ đồ quy trình sản xuất như sau:

Nén sản phẩm bằng

bơm lỏng và/ hoặc

máy nén khí

Sản phẩm khí

Bồn chứa sản phẩm lỏng Lọc khí

Nén khí

Làm mát

Làm tinh khiết

Trao đổi nhiệt khí vào bằng khí lạnh sản phẩm

Giãn khí

Tách khí Oxy, Nitơ, Acgông bằng

chưng cất

24

25

Trong đó: GA, LA : Không khí ở trạng thái khí / lỏng

GO, LO : Khí oxy/ oxy lỏng

GN, LN : Khí nitơ/ nitơ lỏng GAr, LAr : Khí acgông/ acgông lỏng Danh sách thiết bị chính của nhà máy xem ở phụ lục A

2.3 MÔ TẢ QUY TRÌNH TÁCH KHÍ

2.3.1 Lọc khí, nén khí

Không khí dưới áp suất và nhiệt độ môi trường được hút vào, đi qua thiết bị lọc AF1001 Bụi và các chất bẩn cơ học được lọc (giữ lại) trong thiết bị lọc Thiết bị lọc này có khả năng tự làm sạch, khi chênh áp (được đo bằng thiết bị đo chênh áp PdIAS) đạt tới giá trị đủ lớn, thì các van điện từ sẽ tự động mở để dòng khí có áp suất ~ 6 bar từ thiết bị tinh khiết khí (MS1201 A/B) giũ sạch các phin lọc khỏi bụi bẩn bám ở bên ngoài Không khí sau lọc được đi vào máy nén khí kiểu ly tâm TC1001 và được nén đến 6.2 bar-g

2.3.2 Làm lạnh sơ bộ và tinh khiết hóa

Sau khi được nén đến 6,2 bar, khí nén được dẫn vào tháp làm mát khí bằng nước AT1101, ở đó khí nén được làm mát đến nhiệt độ <10oC và được rửa sạch Thiết bị tách kiểu quán tính và kiểu dây được trang bị trên đỉnh của tháp làm mát khí để ngăn các hạt nước đi ra lẫn với dòng khí công nghệ

Dòng khí công nghệ từ hệ thống tiền làm mát được dẫn vào hệ thống tinh khiết khí MS1201A/B để loại bỏ nước, khí cacbonic và các hydrocacbon Thiết bị hấp thụ trong hệ thống tinh khiết bao gồm hai bồn có cấu trúc 2 lớp, nhôm hoạt tính ở phía dưới có chức năng hấp thụ nước và sàng phân tử ở phía trên có chức năng hấp thụ các hydrocacbon Khi một bồn hấp thụ đang hoạt động thì bồn kia được phục hồi bằng khí Nitơ thải nóng (nhiệt độ ~180oC) được sấy bằng thiết bị sấy nóng EH1201 Nguồn khí nitơ thải được lấy ra từ hộp lạnh (cold box) Thời gian hấp thụ của bồn là

~ 4 tiếng (240 phút), sau thời gian hấp thụ, bồn hấp thụ sẽ được tự động chuyển

26

sang tái sinh Và chu kỳ hấp thụ – tái sinh được lặp lại trong quá trình hoạt động của dây chuyền tách khí

Nước trong không khí sau thiết bị hấp thụ được kiểm soát liên tục (bằng thiết

bị phân tích AIA 401) để đảm bảo hàm lượng nước <10 ppm (part per million – phần triệu thể tích)

CO2 trong không khí sau thiết bị hấp thụ được kiểm soát liên tục (bằng thiết

bị phân tích AIA 1203) để đảm bảo hàm lượng nước <1 ppm (part per million – phần triệu thể tích)

sự biến thiên của nhiệt độ và độ ẩm

Bảng 2: Tính chất vật lý của các thành phần chính của không khí:

Thành

phần

Nhiệt độ (điểm) sôi

ở áp suất khí quyển ( o C)

Nhiệt độ hóa rắn

ở áp suất khí quyển ( o C)

Nhiệt độ tới hạn ( o C) Áp suất tới hạn

27

ngưng tụ khí lặp đi lặp lại để tách từng thành phần Khi hỗn hợp khí của nitơ, ôxy

và acgông ở nhiệt độ ngưng tụ đi qua hỗn hợp lỏng của nitơ, ôxy và acgông ở nhiệt

độ thấp hơn nhiều thì sử trao đổi (dịch chuyển) nhiệt và chất được thực hiện giữa pha lỏng và pha khí Một phần của hỗn hợp khí ngưng tụ thành lỏng và giải phóng nhiệt ẩm và một phần của hỗn hợp lỏng bị bay hơi do hấp thụ nhiệt Vì có nhiệt độ điểm sôi khác nhau (ôxy cao nhất, nitơ thấp nhất) nên thứ tự bay hơi của nitơ, ôxy

và acgông là: Nitơ > Acgông > Ôxy trong khi thứ tự ngưng tụ (hóa lỏng) là Ôxy > Acgông > Nitơ

Trong hệ thống tháp chưng cất, quá trình công nghệ được thực hiện trên các khay lưới Khi khí đi qua các khay từ đáy lên đỉnh tháp, các thành phần có điểm sôi thấp sẽ tăng nồng độ liên tục Nếu có đủ số lượng khay, thì trên đỉnh tháp ta sẽ thu được thành phần có điểm sôi thấp nhất với độ tinh khiết cao, đó là nitơ Vì nitơ có nhiệt độ điểm sôi thấp nhất Đồng thời, khi lỏng đi qua các khay từ đỉnh xuống đáy, nồng độ thành phần có điểm sôi cao hơn trong lỏng sẽ tăng liên tục và khi đã đi qua

số lượng khay nhất định thì thành phần có điểm sôi thấp nhất với độ tinh khiết cao

sẽ thu được dưới đáy tháp (đó là ôxy)

Vì nhiệt độ điểm sôi của Acgông nằm ở giữa điểm sôi của ôxy và nitơ, acgông sẽ tập trung ở giữa của tháp chưng cất trên Từ điểm giữa tháp trên, acgông được rút ra

để đưa sang tháp chưng acgông để chưng cất tiếp thành lỏng acgông thành phẩm có

độ tinh khiết 99,999%

b) Mô tả quá trình chưng cất

Phần lớn khí công nghệ (85~90%) với áp suất ~ 6.0 bar-g, nhiệt độ 23oC từ hệ thống tinh khiết MS1201A/B đi vào thiết bị trao đổi nhiệt chính E1-A/B trong tháp lạnh được làm lạnh bằng khí hồi xuống nhiệt độ gần điểm ngưng tụ (~ - 173.15 oC) Sau đó khí được dẫn vào đáy của tháp trưng cất dưới C1 (C1 là tháp trưng áp suất cao) để tinh cất lần đầu

Khí đi lên tiếp xúc một cách đầy đủ với chất lỏng nhỏ giọt trong tháp Thông qua sự truyền nhiệt và chất, nồng độ nitơ tăng lên trong dòng khí đi lên Tại thiết bị ngưng tụ-hoá hơi chính K1, khí nitơ được ngưng tụ và ôxy lỏng được hoá hơi Khí

28

lỏng và nitơ lỏng sinh ra ở phần dưới tháp chưng cất được làm lạnh xuống dưới điểm sôi bằng thiết bị làm lạnh và được dẫn lên phần tháp trưng cất trên C2(C2 là tháp chưng áp suất thấp) sau khi đã được tiết lưu, chúng được sử dụng như là dòng chảy ngược (Reflux) ở tháp chưng cất trên Tại phần trên tháp chưng, nitơ, ôxy, ôxy lỏng và khí nitơ thải có thể được dẫn ra ngoài như là sản phẩm sau khi đã được chưng cất tiếp

d) Sản xuất acgông

Để sản xuất Acgông, một dòng của phần acgông thô sẽ được lấy ra từ phần dưới của phía trên tháp chưng cất C2 và dẫn đến tháp chưng acgông sơ cấp C701-1

để loại bỏ hàm lượng ôxy trong nó Dòng ngược của tháp chưng acgông thô sơ cấp

là acgông lỏng thô được lấy ra từ đáy tháp chưng acgông thô thứ cấp C701-2 và được bơm bằng bơm acgông lỏng Ar701A/B Khí đi ra từ đỉnh tháp chưng acgông thô I được dẫn vào tháp chưng acgông thô II để thực hiện tiếp quá trình tách acgông

và ôxy Sau khi chưng cất trong tháp chưng acgông thô II, khí acgông thô với hàm lượng ôxy ≤ 2 phần triệu (ppm) được tích tụ ở đỉnh của tháp chưng acgông thô II Thiết bị ngưng tụ-hoá hơi K701 được trang bị ở đỉnh của tháp chưng acgông thô II Khí lỏng từ thiết bị làm lạnh phụ qua tiết lưu sẽ được sử dụng như nguồn nhiệt lạnh Phần lớn acgông thô sau khi được ngưng tụ bằng thiết bị ngưng tụ-hoá hơi được sử