Nghiên cứu hệ đo lường điều khiển phân tán IIT của ABB, ứng dụng trong nhà máy nhiệt điện

Thực tiễn nhu cầu điện năng của nước ta đang tăng cao, do vậy việc phát triển các nhà máy nhiệt điện đã và đang được tiến hành trong đó việc ứng dụng các hệ thống điều khiển có vai trò r

`

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản thuyết minh luận văn này do tôi thực hiện Các số liệu sử dụng trong thuyết minh, kết quả phân tích và tính toán đƣợc tìm hiểu qua các tài liệu

Học viên

Nguyễn Văn Chí

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: HỆ ĐIỀU KHIỂN DCS 3

1.1 Tổng quan về hệ điều khiển DCS 3

1.1.1 Cấu trúc chung của một hệ điều khiển phân tán 3

1.1.2 Lớp điều khiển 4

1.1.3 Hệ thống mạng trong hệ thống điều khiển phân tán 4

1.2 Giới thiệu một số hệ DCS tiêu biểu 4

1.2.1 DCS truyền thống 4

1.2.2 DCS trên nền PLC 5

1.2.3 Các hệ DCS trên nền PC 6

1.2.4 DCS PlantScape của HONEYWELL 7

1.3 Hệ thống Industrial IT 11

1.3.1 Giới thiệu về hệ Industrial IT 11

1.3.2 Đặc điểm của hệ điều khiển Industrial IT 11

1.3.3 Các thành phần trong hệ Industrial IT 12

1.3.4 Các thiết bị phần cứng của hệ Industrial IT 12

1.4 Tìm hiểu về AC800M 13

1.4.1 Tổng quan 13

1.4.2 Cấu trúc phần cứng của AC800M 13

1.4.3 Phần mềm điều khiển 16

1.4.4 Tổ chức mạng truyền thông trong hệ thống Industrial IT của ABB 17 1.5 Kết luận 19

`

NHIỆT ĐIỆN 20

2.1 Quá trình chủ yếu của năng liệu 20

2.2 Phân tích nguyên lý hoạt động nhà máy nhiệt điện 21

2.2 Phân tích nguyên lý hoạt động nhà máy nhiệt điện 22

2.3 Ưu điểm, nhược điểm của nhà máy nhiệt điện 23

2.3.1 Ưu điểm 23

2.3.2 Nhược điểm 23

2.4 Đối tượng điều khiển trong nhà máy nhiệt điện 23

2.4.1 Lò hơi - Hệ điều khiển lò hơi 23

2.4.2 Bao hơi - Hệ điều khiển bao hơi 25

2.4.3 Tua-bin 27

2.5 Kết luận 27

CHƯƠNG III CÁC GIẢI PHÁP VỀ THIẾT BỊ TRƯỜNG VÀ THIẾT BỊ TRUYỀN THÔNG 28

3.1 Mô tả hệ thống 29

3.2 Giải pháp truyền thông 31

3.2.1Truyền thông tín hiệu đo dạng dòng điện 32

3.2.2 Chuẩn truyền thông RS232 33

3.2.3 Chuẩn truyền thông RS485 35

3.2.4 Giải pháp truyền thông bằng Bus 39

3.3 Thiết bị trường 40

3.3.1 Điểm đo nhiệt độ 40

3.3.2 Điểm đo áp suất 43

3.3.3 Điểm đo lưu lượng 45

3.3.4 Điểm đo mức 47

3.4 Kết luận 49

CHƯƠNG IV: GIẢI PHÁP VỀ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 50

4.1 Giải pháp phần cứng 50

4.1.1 Sơ đồ khối của hệ thống 50

4.1.2 ác thiết bị đo 51

4.1.3 Valve điều hiển v biến tần 52

4.2 Các bài toán điều khiển trong hệ thống 53

4.2.1 B i toán điều khiển nhiệt độ 53

4.2.2 B i toán điều khiển mức 54

4.2.3 Bài toán ổn định lưu lượng 55

4.2.4 B i toán điều khiển áp suất 56

4.2.5 B i toán điều khiển khác 56

4.3 Lưu đồ thuật toán của các bài toán được điều khiển 57

4.3.1 Lưu đồ thuật toán điều khiển P01 57

4.3.2 Lưu đồ thuật toán điều khiển P02 57

4.3.3 Lưu đồ thuật toán điều khiển Biến tần 1 58

4.3.4 Lưu đồ thuật toán điều khiển Biến tần 2 58

4.3.5 Lưu đồ thuật toán điều khiển gia nhiệt 1 59

4.3.6 Lưu đồ thuật toán điều khiển van CV01 59

4.3.7 Lưu đồ thuật toán điều khiển van CV02 60

4.3.8 Lưu đồ thuật toán điều khiển van CV03 60

4.4 Thiết kế phần mềm 61

4.4 Thiết kế phần mềm 62

4.4.1 Giới thiệu chung về phần mềm dùng cho bộ điều khiển 62

4.4.2 Cấu trúc code của bộ điều khiển 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

PHỤ LỤC 75

Hình 1-6 Cấu trúc cơ bản của hệ thống CENTUM CS3000

Hình 1-7 Sơ đồ hệ thống điều khiển Industrial IT

Hình 1-8 Sơ đồ cấu trúc 1 hệ điều khiển AC800M có dự phòn

Hình 1-9 Cấu trúc phần cứng của AC800M

Hình 1-10 Kết nối vào ra với AC800M

Hình 1-11 Kết nối vào ra với AC800M

Hình 1-12 Sơ đồ kết nối AC800M vào mạng điều khiển

Hình 2-1 Quá trình chuyển hóa năng lượng

Hình 2-2 Sơ đồ cấu trúc điều khiển lò hơi

Hình 3-1 Mô hình sinh hơi và quá trình gia nhiệt cho nước cấp

Hình 3-2 Sơ đồ truyền thông

Hình 3-3 Mạch chuyển đổi điện áp sang dòng điện từ 4 đến 20mA

Hình 3-4 Mạch chuyển đổi điện áp 0-5V sang dòng điện từ 4 đến 20mA trong

thực tế

Hình 3-5 Minh họa truyền thông giữ thiết bị đo nhiệt độ và máy tính hiển thị Hình 3-6 Hình dáng và chức năng của giắc cắm RS232 đực

Hình 3-7 Bảng quy định chức năng của các chân trong giao diện vật lý 9, 25

chân đối với RS485 và RS232

Hình 3-8 Kết nối 2 thiết bị với máy tính sử dụng chuẩn RS485

Hình 3-9 Mạch chuyển đổi RS232- RS485

Hình 3-10 Sơ đồ 2 dây và 1 dây nối đất

Hình 3-11 Sơ đồ 4 dây và 1 dây nối đất

Hình 3-12 Cách nối điện trở đầu cuối

Hình 3-13 Nhiệt điện trở

Hình 3-14 Cấu tạo cặp nhiệt ngẫu

Hình 3-15 Cảm biến đo áp suất

Hình 3-16 Cảm biến lưu lượng kiểu tuabin

Hình 3-17 Cấu tạo cảm biến đo lưu lượng kiểu từ trường

Hình 3-18 Cảm biến đo mức

Hình 4-1 Hệ thống giám sát

Hình 4-2 Đối tượng điều khiển trong mô hình

Hình 4-3 Sơ đồ cấu trúc điều khiển nhiệt đô nước cấp

Hình 4-4 Sơ đồ cấu trúc điều khiển mức

Hình 4-5 Sơ đồ cấu trúc điều khiển lưu lượng

Hình 4-6 Sơ đồ cấu trúc điều khiển áp suất

Hình 4-7 Cửa sổ làm việc Control Builder

Hình 4-8 Cửa sổ làm việc Compact Builder

Hình 4-9 Cửa sổ làm việc của Program Application

Hình 4-10 Cửa sổ làm việc của Compact Control Builder

Hình 4-11 Kết nối các biến vào các parameter trong khối Temp (Single

ControlModule) Hình 4-12 Cửa sổ làm việc ENGCLIENT

Hình 4-13 Cửa sổ làm việc New Aspect

Hình 4-14 Cửa sổ làm việc khởi tạo để vẽ đồ họa

Hình 4-15 Cửa sổ thiết kế các giao diện

Hình 4-16 Cấu trúc phần lập trình của bộ điều khiển

Hình 4-17 Giao diện vận hành của bộ điều khiển

`

MỞ ĐẦU

Cơ sở lựa chọn đề tài

Hiện nay, việc nghiên cứu các hệ thống đo lường và điều khiển hiện đại có ý nghĩa quan trọng nhằm đưa ra các ưu nhược điểm của chúng, từ đó có thể ứng dụng

có hiệu quả các hệ thống này trong công nghiệp Thực tiễn nhu cầu điện năng của nước ta đang tăng cao, do vậy việc phát triển các nhà máy nhiệt điện đã và đang được tiến hành trong đó việc ứng dụng các hệ thống điều khiển có vai trò rất quan trọng

Hệ DCS IIT là hệ điều khiển cung cấp bởi hãng ABB Thuật ngữ IndustrialIT

mô tả sự cam kết của hãng ABB trong việc thu hẹp khoảng cách giữa những đòi hỏi trong công nghiệp với công nghệ thông tin (Information Technology - IT), mở ra một tiềm năng thực sự cho phép mở rộng sản xuất

Việc chọn đề tài “Nghiên cứu hệ đo lường điều khiển phân tán IIT của ABB, ứng dụng trong nhà máy nhiệt điện” là rất cần thiết

Mục đích nghiên cứu của luận văn

Phân tích sơ đồ công nghệ của nhà máy nhiệt điện, đưa ra các giải pháp về phần cứng và phần mềm của hệ thống, so sánh các giải pháp truyền thông và chọn giải pháp tối ưu, trong đó phần mềm thực hiện sẽ được thực hiện trên chính các công cụ của ABB Các phần mềm này sẽ mô tả một phần các quy trình công nghệ trong quá trình phát điện

Để đạt được mục đích trên, nhiệm vụ của luận văn bao gồm các nội dung sau:

- Tìm hiểu công nghệ sản xuất điện trong nhà máy nhiệt điện

- Tìm hiểu đặc tính kỹ thuật và cấu trúc phần cứng của hệ thống gom hơi

- Ứng dụng các công cụ trong hệ điều hành của ABB để thiết kế dự án điều khiển giám sát công nghệ

- Chạy mô phỏng và đánh giá kết quả

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đề tài luận văn tập trung nghiên cứu:

- Hệ DCS IIT của hãng ABB

- Công nghệ sản xuất điện trong nhà máy nhiệt điện

- Ứng dụng các công cụ trong hệ điều hành của ABB để thiết kế dự án

Phương pháp nghiên cứu

- Khảo sát thực thực tế công nghệ và tổng hợp cấu hình hệ thống

- Quá trình nghiên cứu được thực hiện theo các nội dung dưới đây:

I Hệ điều khiển DCS

II Công nghệ sản xuất điện trong nhà máy điện

III Các giải pháp về thiết bị trường, thiết bị truyền thông

IV Các giải pháp về phần cứng và phần mềm hệ điều khiển

Kết luận và Kiến nghị

Em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo hướng dẫn TS Bùi Đăng Thảnh, các

Thầy Cô giáo trong Viện Điện và Viện Sau Đại Học Trường Đại học Bách khoa

Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình làm luận văn

Xin cảm ơn các chuyên gia về DCS của ABB Việt Nam đã giúp đỡ em trong quá trình thiết kế

Do kiến thức bản thân còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong được sự góp ý của các Thầy Cô giáo và các đồng nghiệp để bản luận văn hoàn thiện hơn.

Hà Nội, tháng 09 năm 2013

Tác giả

Nguyễn Văn Chí

`

CHƯƠNG I

HỆ ĐIỀU KHIỂN DCS

1.1 Tổng quan về hệ điều khiển DCS

Hệ điều khiển phân tán (Distributed Control System, DCS) là hệ điều khiển mà

các chức năng điều khiển được phân bổ trên toàn bộ hệ thống thay vì được xử lý tập

trung ở một trạm trung tâm Hệ DCS điển hình bao gồm các trạm điều khiển có

chức năng hoàn toàn độc lập và các trạm điều hành theo dõi, xử lý dữ liệu trong các

trạm điều khiển, cung cấp các giao diện đồ hoạ và cho phép người điều hành có thể

thực hiện các thay đổi một cách dễ dàng

1.1.1 ấu trúc chung của một hệ điều hiển phân tán

Cấu trúc chung của hệ điều khiển phân tán là việc phân bố xử lý thông tin cũng

như các chức năng theo chiều rộng và chiều sâu kết hợp với việc sử dụng mạng

truyền thông thay cho phương pháp nối dây và bằng dòng điện thông thường Bên

cạnh giải pháp sử dụng các cụm vào/ra tại chỗ và các thiết bị chấp hành thông minh,

người ta còn đưa các bộ phận điều khiển/ xử lý từ xa (như các bộ điều chỉnh, vi điều

khiển) xuống các vị trí hiện trường (Remotel/ O cabinet)

Cấu trúc điển hình của một hệ DCS được thể hiện trong hình dưới đây, qua đó

(Ethernet)

Hình 1-1: Sơ đồ phân cấp và cấu trúc của một hệ DCS

Data Historian

Information Management System

Operator Station

Operator Station

Operator Station

Field Controller Field Controller Field Controller Field Controller

+ I/O: Lớp vào ra gồm các trường vào ra và các PLC

+ Control: Lớp điều khiển bao gồm các trạm điều khiển (ví dụ như FCS - trạm điều khiển trường)

+ Operation: Lớp điều hành gồm các trạm điều hành (ví dụ như HIS - trạm giao diện người máy)

+ Management Infomation: Lớp cơ sở dữ liệu và các trạm quản lý (ví dụ như Exaquantum và PRM - Chương trình quản lý tài nguyên nhà máy)

1.1.2 Lớp điều hiển

Các bộ phận điều khiển trao đổi thông tin với lớp I/O: Đọc dữ liệu vào, thực hiện các chức năng điều khiển và gửi các tín hiệu ra Các trạm điều khiển được hoạt động độc lập với nhau nên nếu xảy ra sự cố ở một trạm sẽ không ảnh hưởng đến hoạt động của các trạm khác Đồng thời, một trạm điều khiển có thể trao đổi dữ liệu

dễ dàng với một trạm khác khi sử dụng phương pháp truyền thông điểm - điểm trong mạng điều khiển

1.1.3 Hệ thống mạng trong hệ thống điều hiển phân tán

Tương ứng với các lớp trên như là các mạng máy tính để liên kết các lớp với nhau, mạng trao đổi rộng rãi với các lớp như sau:

- Mạng I/O - Remote I/O Bus, Fieldbus, Truyền thông PLC

- Mạng điều khiển - nối các bộ điều khiển và trạm điều hành

- Mạng diện rộng của nhà máy - nơi chứa hầu hết các thông tin quản lý

1.2 Giới thiệu một số hệ DCS tiêu biểu

1.2.1 D S truyền thống

Hệ DCS truyền thống sử dụng các bộ điều khiển quá trình 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 lại đảm nhiệm cả các chức năng điều khiển quá trình, điều khiển trình tự và điều khiển logic

`

1.2.2 D S trên nền PL

Hệ DCS trên nền thiết bị logic khả trình PLC với cấu trúc ghép nối vào/ra linh hoạt, nguyên tắc làm việc đơn giản theo chu kỳ, khả năng lập trình và lưu trữ chương trình trong bộ nhớ không cần can thiệp trực tiếp tới phần cứng Vì thế hệ DCS trên nền PLC nhanh chóng được sử dụng rộng rãi trong điều khiển công nghiệp

DCS trên nền thiết bị logic khả trình PLC là giải pháp lý tưởng để thay thế các mạch logic tổ hợp và tuần tự trong điều khiển các quá trình gián đoạn và các quá trình liên tục như trong công nghiệp chế biến, khai thác

Ngày nay trừ một số loại nhỏ dùng trong các ứng dụng đơn giản, đa số các loại thiết bị logic khả trình 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 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),

1.2.3 ác hệ D S trên nền P

Hình 1-3: Hệ D S trên nền P

Giải pháp sử dụng máy tính công nghiệp 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 sử dụng máy tính công nghiệp PC thì thế mạnh của máy tính công nghiệp 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 nghệ phần mềm và công nghệ sử dụng bus trường chính là các yếu tố thúc đẩy khả năng cạnh tranh của máy tính công nghiệp PC trong điều khiển công nghiệp

Ngày nay máy tính công nghiệp PC đóng một vai trò quan trọng trong lĩnh vực

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 Đặc biệt,

nó 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 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 xuất hiện một số sản phẩm trên thị trường như PCS 7 (Siemens, giải pháp Slot - PLC), Stardom (Yokogawa), Ovation (Westinghouse - Emerson Process Management)

1.2.4 D S PlantScape của HONEYWELL

1.2.4.1 Giới thiệu

PlantScape là một hệ thống điều khiển mở dành cho các ứng dụng điều khiển quá trình, điều khiển theo lô Trái tim của hệ thống PlantScape là hệ thống mạng có kiến trúc client/server, bao gồm các bộ điều khiển hiệu năng cao, công cụ kĩ thuật tiên tiến và một mạng điều khiển mở Với việc ứng dụng những tiến bộ kĩ thuật mới nhất, hệ thống PlantScape bao gồm những đặc điểm sau:

- Các trạm giao diện Server với chức năng biểu diễn dữ liệu động, cảnh báo, lập báo báo, chứa dữ liệu về quá trình hoạt động của hệ thống

- Sử dụng kĩ thuật HMIWebTM

- Các bộ điều khiển lai tích hợp (Hybrid)

- Các công cụ hướng đối tượng cho phép dễ dàng xây dựng các chiến lược điều khiển

- Hỗ trợ mạng Foundation Fieldbus cho việc tích hợp với các thiết bị đo lường

và điều khiển

1.2.4.2 Tổng quan về cấu trúc hệ thống PlantScape

PlantScape là một hệ thống điều khiển lai và nó phân biệt với các hệ thống điều khiển trên nền PC và PLC PlantScape cho phép tăng hiệu suất kĩ thuật thông qua các công cụ đồ hoạ hướng dựa trên đối tượng và một thư viện với đầy đủ các chức năng điều khiển quá trình Các thành phần cơ bản của một hệ thống PlantScape là:

a Các hệ thống vào/ra

Hình 1-4: Module vào ra

HoneyWell đưa ra ba dạng module vào/ra cơ bản đó là CIOM-A, A,

RIOM-H Trong đó kiểu vào/ra thường được sử dụng trong các môi trường dễ cháy nổ

b Bộ điều khiển lai cho việc điều khiển liên tục và rời rạc:

- Bộ xử lí điều khiển C200

- Có thể chọn cấu hình dự phòng hoặc không

- Các card vào/ra, có thể lựa chọn card vào/ra trên các panel từ xa

- Có thể tích hợp với các thiết bị theo giao chuẩn HART, Profibus, Foundation fieldbus

c Các trạm giao diện Server

- Có thể chọn cấu hình dự phòng hoặc không

- Có kiến trúc phân tán

- Trang bị giao diện OPC

d Các trạm giao diện người máy

- Dựa trên công nghệ HMIWeb

- Các trạm có thể quay vòng hoặc cố định để tối ưu linh hoạt và lợi nhuận

- Giao diện đồ hoạ với người vận hành có độ phân giải cao

- Hiển thị quá trình hoạt động điều khiển của nhà máy

Hình 1-5 Cấu hình hệ thống

`

1.2.5 DCS CENTUM CS3000 của hãng Yo ogawa

1.2.5.1 Giới thiệu hệ thống điều hiển phân tán Centum CS 3000

Hệ thống CENTUM CS3000 được phát triển từ hệ CENTUM CS1000 là một hệ thống điều khiển quá trình thích hợp với quy mô nhà máy lớn Kế thừa và phát triển các đặc điểm của những hệ CENTUM trước đó hệ thống CENTUM CS 3000 cung cấp cho người dùng những thuận lợi cơ bản sau:

- Tăng hiệu quả vận hành sản xuất bằng hệ thống đa cửa sổ theo dõi và khả năng cập nhật công nghệ mới

- Kết nối thông tin của cấp điều khiển giám sát với hệ thống thông tin thuộc cấp điều hành

- Phát triển mạnh khả năng tự động hoá và điều khiển

1.2.5.2 ác đặc trưng của hệ thống ENTUM S 3000

Hệ thống CENTUM CS 3000 ngày nay gồm các đặc trưng cơ bản sau:

- Được trang bị các chức năng nhúng và liên kết đối tượng OLE cho điều khiển quá trình bằng trạm OPC(OLE for Control Server)

- Hỗ trợ Foudation Fieldbus để tích hợp với mạng sensor và cơ cấu chấp hành

- Cho phép kết nối dễ dàng với các thiết bị lập trình điều khiển lập trình PLC

- Cấu trúc dữ liệu mở cho phép sử dụng các công cụ mở để tính toán, thay đổi và quản lý các thông số kỹ thuật

1.2.6 Hệ PCS7 của SIMENS

1.2.6.1 ấu trúc của P S 7

Cấu trúc điển hình của PCS7

Hình 1-6: Cấu trúc cơ bản của hệ thống CENTUM CS3000

Hệ thống PCS được mô tả ở hình trên bao gồm các ES (Engineering Station),

các OS (Operator Station) và các AS (Automation Station)

ES (Engineering Station): Các dự án của PCS 7 được thiết kế ở các trạm kỹ

thuật nơi mà cài đặt các công cụ kỹ thuật của PCS 7 và truy cập thông tin tới các trạm tự động và trạm vận hành

AS: Automation Station: Một trạm tự động có thể bao gồm một bộ nguồn cung cấp, một khối xử lý trung tâm (CPU), và các module vào ra

Khối xử lý trung tâm (CPU) thường là các bộ CPU của S7 400 Các CPU này có thể giao tiếp với OS hoặc ES thông qua hệ thống Bus AS cũng có một cổng giao

tiếp với các thiết bị hiện trường thông qua Profibus DP

1.2.6.2 Những điểm nổi bật của hệ thống điều hiển

- Dựa trên những bộ phận phần mềm và phần cứng từ chính hãng SIEMENS

- Tích hợp tự động hóa theo chiều dọc và chiều ngang với giải pháp toàn diện TIA (TIA-Totally Integrated Automation) Khả năng linh hoạt dựa vào sự thi hành theo cấp bậc và thiết kế dạng môđun độc lập, kỹ thuật phù hợp thống nhất xuyên suốt hệ thống cho tất cả các bộ phận cùng với một cơ sở dữ liệu chia sẻ; thực thi khối lượng

`

- Hệ thống điều khiển có tính sẵn sàng cao do dựa trên sự dự phòng trên tất cả các cấp bậc của hệ thống

1.3 Hệ thống Industrial IT

1.3.1 Giới thiệu về hệ Industrial IT

Hệ thống Industrial IT có cấu hình phân tán với số đầu vào ra vừa phải Cấu hình này cho số phần tử điều khiển vừa phải, tối ưu về mặt kinh tế đáp ứng hiệu quả truyền thông bằng cách sử dụng mạng Ethernet

1.3.2 Đặc điểm của hệ điều hiển Industrial IT

- Hiệu quả và thuận lợi trong việc xây dựng chương trình điều khiển, các đối tượng tạo ra dễ dàng được tái sử dụng và trở thành tài nguyên có sẵn trong các ứng dụng

- Engineer IT: là bộ công cụ phần mềm rất mạnh của AB cho phép định cấu hình các hệ tự động và thiết bị quá trình một cách nhanh chóng bao gồm xử lý đồ hoạ, cấu trúc vật lý và xây dựng tài liệu kỹ thuật

- Communicate IT: gồm các công cụ phục vụ cho việc truyền thông và giao tiếp nhằm nâng cao năng lực, độ tin cậy và tính bảo mật cao

- Design IT: gồm phần mềm và các dịch vụ để tối ưu thiết kế mẫu mã sản phẩm, đào tạo và lập dự án

- Drive IT: gồm các bộ điều khiển động cơ, các giải pháp phần mềm nhằm cung cấp và cải thiện hiệu quả chuyển động, momen, tốc độ và vị trí

- Advise IT: là công cụ phần mềm của ABB hỗ trợ việc tính toán các thông số quá trình, chất lượng sản phẩm, giám sát các thông số của htiết bị, chuẩn đoán lỗi và đưa ra các chỉ dẫn cho người vận hành

1.3.4 ác thiết bị phần cứng của hệ Industrial IT

- CPU: Tần số xung đồng hồ: 18,432 Mhz, tốc độ đáp ứng 2,2ms/1000 dòng lệnh

Bộ nhớ 2MB RAM và 2MB Flash ROM

- Truyền thông: truyền thông nối tiếp với module CI271 Truyền thông qua mạng Ethernet với module CI272 Truyền thông qua mạng Profibus-DP với module CI274

- CPU: AC800M là loại CPU có năng lực quản lý lớn nhất, phù hợp cho các ứng dụng rộng lớn

- CPU: AC800C là loại CPU sử dụng cho các ứng dụng nhỏ, có kèm theo 10 đầu vào số và 6 đầu ra số

- Các module vào ra I/O: gồm có các I/O S200, S800 và S900

Hình 1-8 Sơ đồ cấu trúc 1 hệ điều khiển AC800M có dự phòng

1.4.2 Cấu trúc phần cứng của AC800M

Hình 1-9 Cấu trúc phần cứng của AC800M

Module giao tiÕp truyÒn th«ng

Dự phòng

I/O

- Bộ xử lý trung tâm: PM856/860/861/864

- Các kiểu giao diện truyền thông: CI851/852/853/854/855/856/857

- Nguồn cấp, đầu ra mức: SD821/822/823

- Pin dự phòng: SB821

CPU: Gồm vi xử lý, RAM, bộ điều khiển cho các giao tiếp đƣợc thiết lập, đồng

hồ thời gian thực, chỉ dẫn LED, nút ấn INIT Board nguồn cấp có chức năng chính

là phát cách ly nguồn chuẩn 5V và 3,3V cho CPU và khối vào ra

Hình 1-10 Sơ đồ cấu trúc CPU PM856/PM860

Ở chế độ dự phòng, ta sử dụng 2 CPU PM861 hoặc PM864 Các CPU đƣợc nối với nhau qua cáp nối RCU và qua CEX-bus Khi đó, một khối sẽ đóng vai trò chính còn một khối đóng vai trò dự phòng Khối chính điều khiển quá trình, khối dự phòng chỉ tiếp nhận vai trò khối chính khi khối chính bị lỗi Sự thay đổi diễn ra trong khoảng 10ms, suốt thời gian đó đầu ra bị khoá

Các kiểu giao tiếp:

- CI851: giao tiếp Profibus DP

- CI852: giao tiếp Foundation Fieldbus H1

- CI853: giao tiếp RS232-C

- CI854: giao tiếp Profibus DP-V1

`

- CI855: giao tiếp Ethernet đối với MasterBus300

- CI856: giao tiếp vào ra với S100

- CI857: giao tiếp INSUM

Hình 1-11 Kết nối vào ra với AC800M Kết nối vào mạng điều khiển là một mạng IP riêng với cả dữ liệu thời gian thực

và liên lạc giữa hệ thống chung với máy tính công nghiệp Nó có thể chỉ là một mạng nhỏ với một vài nút cho đến những mạng lớn chứa nhiều mạng con với hàng trăm nút

Bộ điều khiển AC800M luôn nối với mạng điều khiển qua một cáp STP (cáp đôi dây xoắn) Trong điều kiện môi trường công nghiệp, kết nối giữa AC800M và mạng điều khiển phải đổi qua cáp sợi quang FO (Fiber Optic) bằng bộ Switch/Hub

Hình 1-12 Sơ đồ kết nối AC800M vào mạng điều khiển

1.4.3 Phần mềm điều hiển

Phần mềm điều khiển cho AC800M không phải riêng biệt mà gần như là những chức năng chung được sử dụng trong bộ điều khiển Những chức năng này được tạo nên bởi:

- Những chức năng phần cứng (giám sát, các bus thông tin, bus I/O)

- Chức năng cơ sở được tải vào bộ điều khiển (điều hành hệ thống theo thời gian thực, đồng hồ thời gian thực, liên lạc dự phòng)

Ngôn ngữ lập trình theo chuẩn IEC 61131-3 cung cấp 5 ngôn ngữ lập trình:

- Function Block Diagram (FBD)

- Structured Text (ST)

- Ladder Diagram (LD)

- Sequential Function Chart (SFC)

- Instruction List (IL)

1.4.4 Tổ chức mạng truyền thông trong hệ thống Industrial IT của ABB

1.4.4.1 Hệ thống bus trường

Khi sử dụng cấu trúc vào/ra phân tán, 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 Các yêu cầu chung đặt ra với bus trường là tính năng thời gian thực, mức độ đơn giản và giá thành thấp Bên cạnh đó, đối với môi trường dễ cháy nổ còn các yêu cầu kỹ thuật đặc biệt khác về chuẩn truyền dẫn, tính năng điện học của các linh kiện mạng, cáp truyền, Các loại bus trường được

hỗ trợ mạnh nhất là Profibus-DP, Foundation Fieldbus, DeviceNet và AS-I Trong môi trường đòi hỏi an toàn cháy nổ thì Profibus-PA và Foundation Fieldbus H1 là hai hệ được sử dụng phổ biến nhất

1.4.4.1.1 Profibus

- Profibus là một chuẩn bus trường mở, không phụ thuộc vào nhà cung cấp, nó được sử dụng trong một phạm vi rộng các ứng dụng trong tự động hoá sản xuất và

tự động hoá quá trình

- Sự không phụ thuộc vào các nhà cung cấp và tính chất mở được đảm bảo bởi tiêu chuẩn quốc tế EN 50170 và EN 50254 Profibus cho phép giao tiếp giữa các thiết bị của các hãng sản xuất khác nhau mà không cần sự điều chỉnh đặc biệt nào về giao diện

- Profibus có thể dùng cho cả ứng dụng đòi hỏi tính năng thời gian với tốc độ cao

và các nhiệm vụ truyền thông phức tạp

- Qua sự tiếp tục phát triển về kỹ thuật, Profibus sẽ vẫn là hệ thống giao thức công nghiệp được dùng trong tương lai

- Profibus định nghĩa ba loại giao thức là Profibus -FMS, Profibus -DP

1.4.4.1.2 Foundation Fieldbus

Foundation Fieldbus không chỉ là một giao thức thông tin mà nó còn có các đặc điểm sau:

- Thay thế hoàn toàn cho hệ thống cũ 4-20mA

- Các chức năng điều khiển, cảnh báo, theo dõi quá trình được phân tán tới các thiết bị trong hệ thống

- Cho phép các thiết bị của các nhà sản xuất kết nối với nhau

- Hệ thống mở, các thiết bị của Foundation Fieldbus là các thiết bị thông minh Foundation Fieldbus là hệ đầy đủ với các chức năng điều khiển phân tán ở các thiết

bị nhưng nó vẫn cho phép hoạt động và điều khiển từ phòng điều khiển trung tâm

dụng để ghép nối các trạm điều khiển cục bộ (bus điều khiển, control bus) Giải

pháp mạng có thể đặc chủng của riêng công ty, hoặc dựa trên một mạng chuẩn quốc

tế 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 Tính năng thời gian thực cũng

là một yêu cầu được đặt ra (nhất là đối với bus điều khiển), tuy nhiên không nghiêm

ngặt như với bus trường Thời gian phản ứng thường chỉ yêu cầu nằm trong phạm vi

0,1s trở lên Số lượng trạm tham gia thường không lớn và nhu cầu trao đổi dữ liệu

không có đột biến lớn

1.5 Kết luận

Chương này tác giả trình bày về các hệ thống điều khiển tiêu biểu hiện nay trên

thế giới như hệ Centum CS3000 của Yokogawa, PCS của Siemens, IIT của ABB Với hệ thống CS3000 của Yokogawa đã cung cấp các giải pháp tối ưu trên quan

điểm quản lý doanh nghiệp để thỏa mãn yêu cầu của khách hàng và sự kỳ vọng vào

trình độ phát triển của khoa học kỹ thuật Hơn nữa, hệ thống điều khiển tích hợp cao

với quy mô lớn đáp ứng yêu cầu hệ mở, chức năng điều khiển của hệ thống được

thiết lập để đảm bảo sự tin cậy của hệ thống

Hệ thống PCS 7 khả năng linh hoạt dựa vào sự thi hành theo cấp bậc và thiết kế

dạng môđun độc lập, hệ thống điều khiển có tính sẵn sàng cao do dựa trên sự dự

phòng trên tất cả các cấp bậc của hệ thống

Bên cạnh đó, hệ thống Industrial IT là một hệ thống phân tán với số đầu vào ra

vừa phải Cấu hình này cho số phần tử điều khiển vừa phải, tối ưu về mặt kinh tế,

đáp ứng hiệu quả truyền thông với lượng thông tin lớn hoàn toàn được giải quyết

bởi các mạng truyền thông Sự đáp ứng về thời gian thực điều khiển hệ thống được

thực hiện dễ dàng bằng các đầu vào/ra tương tự

Từ những phân tích trên cùng với việc chỉ ra những ưu điểm hơn hẳn của hệ IIT

của ABB so với các hệ thống DCS khác nên tác giả đã quyết định chọn hệ DCS này

cho thiết kế luận văn của mình

CHƯƠNG II

CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐIỆN TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

2.1 Quá trình chủ yếu của năng liệu

Quá trình công nghệ của nhà máy nhiệt điện là một chuỗi các quá trình biến đổi năng lượng thuộc các dạng khác nhau, sản phẩm cuối cùng là điện năng và nhiệt năng

Có thể chia toàn bộ quá trình chủ yếu của năng liệu như sau:

- Quá trình nhiên liệu

- Quá trình không khí và khói

- Quá trình nước cung cấp, hơi nước và nước ngưng

- Quá trình nước làm lạnh

Hình dưới đây điễn tả tóm tắt dưới dạng sơ đồ khối các quá trình chủ yếu của năng liệu

Chú thích:

A -Quá trình nhiên liệu

B - Quá trình không khí và khói

C – Quá trình nước cấp, hơi nước và nước ngưng

D - Quá trình nước làm lạnh

`

Than

Ađ

Kho than

Thiết bị cung cấp than

Đập, Sấy khô , nghiền

Giảm ổn giảm áp

Buồng lửa Thải xỉ

Nhiệt cho hộ tiêu thụ

2.2 Phân tích nguyên lý hoạt động nhà máy nhiệt điện

Nguyên lý sản xuất điện của nhà máy nhiệt điện là chuyển hoá nhiệt năng từ đốt cháy các loại nhiên liệu trong lò hơi thành cơ năng quay tuabin, chuyển cơ năng của tuabin thành năng lượng điện trong máy phát điện Nhiệt năng được dẫn đến tuabin qua môi trường dẫn nhiệt là hơi nước Hơi nước chỉ là môi trường truyền tải nhiệt năng đi nhưng hơi nước vẫn phải đảm bảo chất lượng (như phải đủ áp suất, đủ độ khô) trước khi vào tuabin để sinh công Nhiệt năng cung cấp càng nhiều thì năng lượng điện phát ra càng lớn và ngược lại Điện áp phát ra ở đầu cực máy phát điện

sẽ được đưa qua hệ thống trạm biến áp để nâng lên cấp điện áp thích hợp trước khi hoà vào mạng lưới điện quốc gia

Quá trình chuyển hoá năng lượng từ năng lượng hoá năng chứa trong nhiên liệu thành nhiệt năng bởi quá trình đốt cháy nhiên liệu Nhiệt năng của quá trình đốt cháy nhiên liệu được cấp cho quá trình tạo hơi bão hoà mang nhiệt năng Hơi bão hoà là môi trường truyền nhiệt từ lò đến tuabin Tại tuabin nhiệt năng biến đổi thành

cơ năng, sau đó từ cơ năng chuyển hoá thành điện năng Quá trình chuyển hoá năng lượng đó có thể được thể hiện qua mô hình sau:

Hình 2-1 Quá trình chuyển hóa năng lượng

- Thời gian xây dựng một nhà máy nhiệt điện nhanh hơn việc xây dựng một nhà máy thủy điện

- Thường ở gần hộ tiêu thụ nên việc xây dựng đường dây cao áp rất dễ dàng giảm được chi phí

- Thuận lợi cho các tỉnh có trữ lượng nhiên liệu lớn

2.3.2 Nhược điểm

- Giá thành điện năng cao hơn rất nhiều so với nhà máy thủy điện

- Khởi động một tổ máy nhiệt điện (kể cả lò và tuabin) phải mất hàng ngày trong khi khởi động nhà máy thủy điện chỉ mất vài phút

- So với các nhà máy thủy điện thì tuổi thọ của nhà máy nhiệt điện có tuổi thọ thấp

hơn rất nhiều

- Việc nhà máy nhiệt điện đốt nhiên liệu lỏng, khí và hỗn hợp đã gây ra ô nhiễm môi trường

2.4 Đối tượng điều khiển trong nhà máy nhiệt điện

2.4.1 Lò hơi - Hệ điều hiển lò hơi

2.4.1.1 Lò hơi

Cấu tạo chung của lò hơi là nhằm thực hiện hai nhiệm vụ chính: một là chuyển hoá năng lượng của nhiện liệu thành nhiệt năng của sản phẩm cháy, nghĩa là đốt nhiện liệu thành sản phẩm cháy có nhiệt độ cao Hai là đưa nước cấp vào lò, tiếp nhận nhiệt từ sản phẩm cháy, biến thành nước nóng, nước sôi, hơi bão hoà hoặc hơi quá nhiệt có áp suất và nhiệt độ thoả mãn yêu cầu sử dụng Do đó, cấu tạo của lò hơi gồm các hệ thống chính sau:

 Hệ thống cung cấp và đốt cháy nhiên liệu

 Hệ thống cung cấp không khí và thải sản phẩm cháy

 Hệ thống xử lý nước và cấp nước làm mát

 Hệ thống sản xuất và cấp nước nóng cho quá trình sinh hơi

 Hệ thống đo lường, điều khiển

 Hệ thống an toàn

 Hệ thống lò: Khung lò, tường lò, cách nhiệt,…

2.4.1.2 Hệ điều khiển lò hơi

Công suất phát ra của nhà máy điện không cố định mà có thể thay đổi tuỳ thuộc nhu cầu sử dụng điện Công suất phát ra phụ thuộc vào lưu lượng hơi đưa tới tuabin của máy phát, lưu lượng hơi dẫn vào tuabin nhiều thì công suất của máy phát tăng lên và ngược lại Khi lưu lượng hơi vào nhiều, nhiệt được truyền theo và sinh công càng nhiều do vậy điện năng sản xuất ra càng lớn Như vậy khi yêu cầu về công suất điện phát tăng lên thì tức là lưu lượng hơi đưa vào tăng lên, để đáp ứng được nhu cầu của hơi thì nhiên liệu đưa vào lò phải tăng theo Đồng thời nước cấp vào bao hơi cũng phải tăng lên để có được lượng hơi yêu cầu

Lò hơi là một hệ thống có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra Đầu vào của lò hơi bao gồm nhiên liệu, gió và nước cấp Đầu ra của lò hơi bao gồm hơi nước bão hoà thoát ra

từ bao hơi, lượng nước thừa đi xuống, lượng khói và xỉ từ quá trình cháy Đầu vào và

ra có quan hệ mật thiết với nhau, với mỗi yêu cầu thay đổi đầu ra là công suất máy phát điện thì phải cần điều khiển nhiên liệu vào và các thành phần nước cấp, gió,…

Như vậy, hệ thống điều khiển lò hơi nhà máy nhiệt điện là một hệ thống điều khiển phức tạp, giám sát và điều khiển hàng trăm tham số Hệ thống có cấu trúc phức tạp với nhiều mạch vòng điều khiển khác nhau

bị gom hơi nước sau đó đưa đến tuabin

Nước từ bao hơi được đưa xuống quanh lò bởi các ống dẫn (bao hơi đặt phía trên

lò, ở vị trí cao nhất) Buồng đốt được cấu tạo từ các dàn ống sinh hơi, các dàn ống sinh hơi được đốt nóng trực tiếp bởi ngọn lửa trong lò, nước trong các dàn ống sinh hơi sẽ sôi và sinh hơi Hỗn hợp hơi nước bốc lên từ các dàn ống sinh hơi tường hai bên lò tập trung vào các ống góp trên hai bên sườn trần lò Từ các ống góp này hỗn hợp hơi nước đi vào bao hơi bằng các đường ống lên Hơi nước vào bao hơi sẽ qua máy lọc hơi để lọc đi phần nước trong hỗn hợp hơi nước rồi được đưa vào bộ quá nhiệt để khử ẩm cho hơi và đảm bảo chất lượng hơi trước khi bắn vào tuabin

2.4.2.2 Hệ thống điều khiển bao hơi

Hơi nước là môi chất truyền năng lượng, để đảm bảo hiệu suất biến đổi năng lượng được tốt cần phải quan tâm tới các thông số cơ bản của hơi nước là lưu lượng hơi, nhiệt độ hơi và áp suất sinh hơi

 Lưu lượng hơi

Lưu lượng hơi là thông số biến đổi theo phụ tải Lưu lượng hơi dẫn vào tuabin càng nhiều thì công sinh ra càng lớn và công suất máy phát càng tăng lên và ngược lại Ở mỗi giá trị công suất điện phát ra cần có một lưu lượng hơi tương ứng Để điều chỉnh lưu lượng hơi phải điều chỉnh nhiên liệu đầu vào cho quá trình cháy trong lò hơi và điều chỉnh van tuabin Khi điều chỉnh nhiên liệu thì đồng thời tác động lên bộ điều khiển không khí cho phù hợp với chế độ kinh tế nhất Hệ thống điều chỉnh phụ tải nhiệt nhằm duy trì ổn định sản lượng hơi ứng với giá trị yêu cầu Tuy nhiên lưu lượng hơi có thể bị thay đổi so với giá trị yêu cầu do nhiều nguyên nhân như: sự thay đổi độ ẩm và nhiệt trị của nhiên liệu, nhiệt độ nước cấp, cũng như sự biến động của nhiên liệu, … Những thay đổi đó là tín hiệu tác động trở

lại bộ điều chỉnh nhiên liệu để thay đổi lượng nhiên liệu từ đó duy trì lượng hơi ổn định theo yêu cầu

 Nhiệt độ hơi

Nhiệt độ hơi quá nhiệt là thông số quan trọng, thông số này cần được điều chỉnh giữ ổn định tại mọi giá trị tải Nhiệt độ hơi được duy trì ở một giá trị cố định nhằm tiết kiệm năng lượng, tránh gây hư hại đường ống do dao động về nhiệt và tránh tổn thất nhiệt năng do có sự trao đổi nhiệt giữa hơi và đường ống dẫn hơi Hơi bão hoà

ra khỏi bao hơi có nhiệt độ không ổn định do nhiều nguyên nhân như sự thay đổi tải

lò, sự biến đổi của bề mặt truyền nhiệt,…

Khi áp suất ổn định chứng tỏ lượng hơi tiêu thụ và lượng hơi sinh ra cân bằng nhau Áp suất hơi giảm tức là hơi tiêu thụ nhiều tăng lên nên cần phải tăng thêm nhiêu liệu đê tăng sản lượng hơi, còn khi áp suất hơi tăng lên thì quá trình xảy ra ngược lại

Tóm lại, nhiệt độ, lưu lượng và áp suất hơi quá nhiệt trước khi vào tuabin là các thông số quan trọng của hệ thống điều khiển hơi Việc tối ưu hoá các giá trị này như một giải pháp nâng cao hiệu suất của nhà máy và chất lượng điện phát ra

Hệ thống điều khiển hơi có hai hệ điều khiển được phân ly: hệ điều khiển nhiệt

độ và hệ điều khiển áp suất – lưu lượng

Hệ điều khiển áp suất v lưu lượng hơi: Đại lượng yêu cầu điều khiển ở đây là

áp suất hơi phải giữ không đổi với mọi giá trị tải yêu cầu, trong khi đó lưu lượng lại luôn thay đổi phụ thuộc vào công suất tải yêu cầu Để thực hiện điều khiển được hai đại lượng đó thì phải điều khiển tới yêu cầu nhiên liệu

`

2.4.3 Tua-bin

Hơi sau khi được sinh ra từ lò thì được dẫn vào turbine để sinh công , turbine được nối cứng với máy phát, máy phát có nhiệm vụ chuyển cơ năng thành điện năng Để giữ tốc độ turbine không đổi thì lưu lượng hơi vào turbine phải thay đổi bằng cách đóng mở các van điều khiển turbine

Hệ thống điều chỉnh turbin có thể là van tiết lưu được điều khiển bằng kiểu trượt

áp Hệ thống điều chỉnh tuabin bao gồm hai phần sau:

 Phần thuỷ lực

 Bộ điều chỉnh điện tử

Điều khiển tuabin được đảm nhiệm bởi cặp bộ vi xử lí để phối hợp các thao tác khác nhau trong cấu trúc điều khiển Các vòng điều khiển và các bộ động lực được gửi các lệnh tự động Các giao diện người máy được hiển thị các trạng thái cung cấp các thông điệp hướng dẫn Các hiển thị là dạng đồ họa, bảng biểu và dạng văn bản

2.5 Kết luận

Trong chương này tác giả đã đi tìm hiểu công nghệ sản xuất điện của nhà máy nhiệt điện từ đó đưa ra các bài toán điều khiển cụ thể như điều khiển lò hơi, hệ thống điều khiển bao hơi và điều khiển tuabin Từ đó phục vụ cho việc thiết kế hệ thống và lập trình được thực hiện trong chương 4 của luận văn

CHƯƠNG III CÁC GIẢI PHÁP VỀ THIẾT BỊ TRƯỜNG VÀ

THIẾT BỊ TRUYỀN THÔNG

Công nghệ nhiệt điện là phức tạp với rất nhiều các khâu và công đoạn khác nhau, trong khuôn khổ luận văn này tác giả chọn một công đoạn tiêu biểu trong nhà máy nhiệt điện đó là quá trình sinh hơi và quá trình gia nhiệt cho nước cấp để tiến hành thiết kế hệ thống điều khiển cho chúng

Hình 3-1 Mô hình sinh hơi và quá trình gia nhiệt cho nước cấp

`

3.1 Mô tả hệ thống

Sơ đồ hệ thống thiết kế được mô tả trong bản vẽ P&ID kèm theo

Mục đích hệ thống là mô tả một quá trình trong nhà máy nhiệt điện Đó là quá trình nhiệt trong bao hơi, quá trình nước cấp cho bao hơi, quá trình kỹ thuật

Đối với nhà máy nhiệt điện thì hơi sau khi sinh ra khỏi bao hơi là hơi kỹ thuật, hơi này được đưa đến tuabin làm qua máy phát Còn đối với hệ thống mô phỏng này

ta dùng hơi ra khỏi bình hơi để gia nhiệt cho nước cấp và bình nước cấp

Hệ thống bao hơi bao gồm bình chứa nước T1, bình này được cung cấp nước từ bên ngoài vào hệ thống Trước khi nước vào bình được đưa qua hệ thống lọc thô để loại bỏ các chất rắn có trong nước Đối với bình chứa có các van xả đáy để xả các chất lắng cặn trong bình

Nước từ bình chứa T1 được bơm B01 bơm qua hệ thống gia nhiệt đưa vào bình T2 là bình nước cấp Ta sử dụng một bộ biến tần để điều khiển bơm này, bơm này được điều khiển theo lưu lượng đặt thuật toán PID Trên đường ống bơm này có một hệ thống lọc Cation, tránh việc lắng đọng trong thiết bị trao đổi nhiệt làm giảm hiệu suất

Đối với bộ gia nhiệt nứớc cấp, đây là thiết bị trao đổi nhiệt giữa hơi và nước bơm qua, hơi này được nấy từ bình gom hơi Để duy trì nước cấp khoảng 950C, ta dùng một bộ điều khiển PID Thiết bị chấp hành là van, khi nhiệt độ thấp hơn thì van mở nhiều hơn cho hơi qua còn khi nhiệt độ cao thì ngược lại

Bình T2 là bình chứa nước cấp, trên bình có một thiết bị mức theo phương pháp chênh áp, ngoài ra còn có hai thiết bị báo mức thấp và cao

Nước từ bình chứa nước cấp được bơm B02 bơm tới bao hơi, bơm B2 cũng được điều khiển bằng biến tần theo thuật toán PID

Khi áp suất bao hơi đạt một ngưỡng nhất định (áp suất đặt do nguời vận hành) thì van xả CV1 tự động mở theo thuật toán PID

Hơi được đưa vào bình gom hơi và từ đây hơi sẽ được sử dụng cho bộ gia nhiệt, khi áp suất trong bao hơi quá một áp suất nhất định (áp suất an toàn) van xả CV3 tự động mở theo thuật toán PID để xả ra ngoài

`

3.2 Giải pháp truyền thông

Hình 3-2 Sơ đồ truyền thông

Để truyền tín hiệu đo từ các từ các cảm biến (điểm đo, quá trình sản xuất) đến

nơi mà tín hiệu đo được ghi lại, hiển thị và được sử dụng cho hệ thống điều khiển quá trình sản xuất thì cần thiết phải có hệ thống truyền tín hiệu đo Bởi vì phải truyền qua khoảng cách xa và phụ thuộc vào môi trường truyền dẫn cho nên tín hiệu

đo có thể được chuyển thành tín hiệu điện dạng phù hợp, tín hiệu quang, tín hiệu sóng radio hoặc dạng tín hiệu tương tự và số khác Một điểm đặc biệt cần phải đề cập đến khi truyền tín hiệu đo đó là sự ảnh hưởng của nhiễu, đa số các nguồn nhiễu tồn tại trong môi trường công nghiệp như là trường điện từ phát sinh từ máy điện và cáp điện lực, nhiễu sinh ra do quá trình quá độ trong mạch điện… phương thức truyền tín hiệu đo phổ biến như: truyền thông tín hiệu đo dưới dạng dòng điện và điện áp; truyền thông tín hiệu đo dưới dạng quang; truyền thông không dây; truyền thông tín hiệu đo dưới dạng số và truyền thông tín hiệu đo qua mạng máy tính Mỗi một phương thức truyền tín hiệu đo đều có những ưu nhược điểm về khả năng

Đầu ra các I/O

Các máy tính

giám sát

PHÒNG ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM

CÁC TỦ ĐIỀU KHIỂN

Tới các thiết bị hiện trường Các đầu nối

truyền tín hiệu đo, khoảng cách và khả năng chống nhiễu Do đó tùy từng trường hợp cụ thể mà chúng ta lựa chọn phương thức truyền thông tín hiệu đo cho phù hợp

3.2.1Truyền thông tín hiệu đo dạng dòng điện

Khi truyền thông tín hiệu đo với khảng cách xa thay vì sử dụng tín hiệu điện áp người ta sẽ chuyển sang sử dụng tín hiệu dòng điện Khi sử dụng tín hiệu dòng ta có thể giảm thiểu được sự ảnh hưởng của trở kháng dây dẫn tín hiệu và cho phép truyền thông được tín hiệu đo ở khoảng cách xa hơn Dải tín hiệu dòng điện thường được sử dụng là từ 4mA đến 20mA Để thực hiện việc chuyển từ tín hiệu đo dạng

điện áp sang dòng điện ta sử dụng mạch chuyển đổi như sau (voltage to current

converter, current loop interface):

Hình 3-3 Mạch chuyển đổi điện áp sang dòng điện từ 4 đến 20mA

trong đó sử dụng hai nguồn dòng được điều khiển bằng điện áp, một nguồn dòng cung cấp dòng điện ổn định 4mA và một nguồn còn lại cung cấp dòng điện thay đổi được trong phạm vi từ 0-16mA, dòng điện này thay đổi nhờ điện áp đưa vào đầu vào của mạch Khi đó dòng điện đầu ra sẽ thay đổi trong khoảng từ 4-20mA tương ứng với độ lớn của tín hiệu áp đưa vào đầu vào của mạch từ 0 đến giá trị điện áp cực đại, nếu dòng điện bằng 4mA thì tín hiệu đo tương ứng bằng 0, nếu dòng điện bằng 20mA thì tín hiệu đo tương ứng là lớn nhất, còn nếu dòng điện bằng 0 có

nghĩa là mạch dẫn dòng điện đang bị hở mạch (đứt dây) Hình vẽ sau đây minh họa

một mạch chuyển đổi từ áp 0- 5V sang dòng điện từ 4 -20mA trong thực tế

x

i  mA

1

i

`

Hình 3-4 Mạch chuyển đổi điện áp 0-5V sang dòng điện từ 4-20mA trong thực tế

Công thức quan hệ giữa dòng điện đầu ra và điện áp đầu vào được thiết lập trong trường hợp ta chọn các giá trị điện trở thỏa mãn điều kiện là:

+ Ưu điểm : truyền đi xa giảm trở kháng của dây dẫn tín hiệu

+ Nhược điểm : - Nhiều điểm nối dây

- Không thể can thiệp sâu vào hệ thống

- Không cho phép các thiết bị của nhà sản xuất kết nối với nhau

3.2.2 huẩn truyền thông RS232

Chuẩn truyền thông RS232 là chuẩn truyền thông rất phổ biến trong công nghiệp, ví truyền thông giữa thiết bị đo nhiệt độ và máy tính, cảm biến có nhiệm vụ gửi giá trị nhiệt độ đo được tới máy tính để hiển thị, lưu giữ và tính toán thông qua chuẩn truyền thông RS232

Hình 3-5 Minh họa truyền thông giữ thiết bị đo nhiệt độ và máy tính hiển thị:1- thiết

bị đo nhiệt độ có hỗ trợ truyền thông RS232, 2- cáp nối, 3- cổng giao tiếp RS232

Hình 3-6 Hình dáng và chức năng của giắc cắm RS232 đực (cột bên trái)

và cái (cột bên phải) RS232 hay còn gọi là EIA232 có hai loại zắc cắm đó là giắc cắm 9 chân và zắc cắm 25 chân, tuy nhiên dạng zắc cắm 9 chân thường được sử dụng nhiều hơn Để cắm được với nhau, ta phải có zắc cắm đực và zắc cắm cái Hình 3- minh họa dạng zắc cắm 9 chân và chức năng của các chân, trong đó chức năng của một số chân quan trọng được liệt kê như dưới đây:

 RxD (Receive Data): đường nhận dữ liệu

 TxD (Transmit Data): đường truyền dữ liệu

 DTR (Data terminal ready): khi DTR ở trạng thái ON có nghĩa là các thiết

bị kết nối giữa hai đầu sẵn sàng thiết lập truyền thông

 DSR (Data set ready, DCE ready): khi truyền thông được thiết lập, trạng