Nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển giám sát hoạt động của tuyến ống công nghệ nhập hàng trong kho xăng dầu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN PHẠM THANH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA TUYẾN ỐNG CÔNG NGHỆ NHẬP HÀNG TRONG KHO XĂNG DẦU Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN HUY PHƢƠNG Hà Nội – 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận văn thực dƣới hƣớng dẫn khoa học TS Nguyễn Huy Phƣơng Các số liệu, tính toán, thiết kế, mô luận văn hoàn toàn trung thực công trình nghiên cứu riêng Học viên Nguyễn Phạm Thanh i MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TỪ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ vi MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHO XĂNG DẦU ĐỨC GIANG VÀ CÔNG NGHỆ NHẬP HÀNG QUA TUYẾN ỐNG 1.1 Hoạt động lĩnh vực sản xuất phân phối xăng dầu Việt Nam 1.2 Giới thiệu kho xăng dầu Đức Giang 1.3 Giới thiệu số hệ thống tự động hóa kho xăng dầu Đức Giang 1.3.1 Hệ thống đo bồn tự động .5 1.3.2 Hệ thống điều khiển giám sát trình xuất hàng cho xe bồn đƣờng toa xe đƣờng sắt 1.3.3 Hệ thống giám sát điều khiển tuyến ống công nghệ nhập hàng .7 CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN LOGIC KHẢ TRÌNH VÀ MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP SIEMENS 10 2.1 Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC Siemens 10 2.1.1 Khái niệm PLC thiết bị điều khiển logic khả trình - PLC 10 2.1.2 Cấu trúc thiết bị PLC 10 2.1.3 Các module thành phần PLC 10 2.1.4 Kiểu liệu, phân chia nhớ 13 2.1.5 Vòng quét chƣơng trình 15 2.1.6 Cấu trúc chƣơng trình 16 2.1.7 Ngôn ngữ lập trình cho PLC S7-300 17 2.2 Mạng truyền thông công nghiệp Simatic Net 17 2.2.1 Mạng PPI 18 2.2.2 Mạng MPI 19 2.2.3 Mạng AS-i 20 2.2.4 Mạng Ethernet công nghiệp 21 2.2.5 Mạng PROFIBUS 23 CHƢƠNG 3: GIẢI PHÁP THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CỦA HỆ THỐNG 25 ii 3.1 Tổng quát giải pháp thiết kế phần cứng 25 3.2 Thiết bị lƣu lƣợng kế 26 3.2.1 Nguyên lý thiết bị lƣu lƣợng kế Coriolis 26 3.2.2 Chủng loại mã hiệu lƣu lƣợng kế .30 3.2.3 Kết nối sensor transmitter .31 3.2.4 Kết nối đầu transmitter vào mạng Profibus PA 32 3.3 Thiết bị đo Áp suất 33 3.3.1 Chủng loại thiết bị .33 3.3.2 Chi tiết thành phần cấu tạo hoạt động 33 3.3.3 Kết nối thiết bị vào mạng Profibus PA .36 3.4 Thiết bị đo nhiệt độ 36 3.4.1 Chủng loại thiết bị .36 3.4.2 Chi tiết thành phần cấu tạo hoạt động 37 3.4.3 Kết nối thiết bị vào mạng Profibus PA .38 3.5 Van điều khiển 39 3.5.1 Cấu tạo đấu nối: 39 3.5.2 Các chế độ hoạt động Van 41 3.6 Lựa chọn cấu hình PLC giải pháp kết nối thiết bị 44 3.6.1 Cấu hình PLC module mở rộng .44 3.6.2 Truyền thông từ PC xuống PLC 46 3.6.3 Mạng truyền thông từ PLC xuống thiết bị đo .47 CHƢƠNG 4: XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIAO DIỆN PHẦN MỀM GIÁM SÁT HỆ THỐNG 48 4.1 Xây dựng thuật toán chƣơng trình điều khiển 48 4.1.1 Phân tích yêu cầu công nghệ hệ thống điều khiển tự động hóa tuyến ống công nghệ nhập hàng 48 4.1.2 Lƣu đồ thuật toán chƣơng trình 49 4.1.3 Phƣơng pháp xác định tín hiệu báo lẫn .50 4.1.4 Phân tích trình tự đóng mở van 52 4.1.5 Phân tích chƣơng trình điều khiển van 52 4.2 Cấu hình lập trình công cụ lập trình Step Siemens 55 4.2.1 Khai báo cấu hình phần cứng cho Project Simatic Manager 55 4.2.2 Thực bƣớc lập trình .59 4.3 Thực mô hoạt động hệ thống 60 4.4 Giới thiệu phần mềm thiết kế giao diện WinCC 7.0 hãng Siemens 61 iii 4.5 Thiết kế giao diện điều khiển 62 4.5.1 Graphics Designer đối tƣợng để thiết kế đồ họa 62 4.5.2 Các thuộc tính đối tƣợng WinCC .65 4.5.3 Xây dựng giao diện cho hệ thống giám sát điều khiển tuyến ống công nghệ nhập hàng 66 4.6 Thiết lập kết nối truyền thông PLC phần mềm WINCC máy tính điều khiển 71 4.6.1 Cách thức tạo kênh truyền thông .71 4.6.2 Tên kết nối địa cho biến ngoại 73 4.6.3 Thiết lập giá trị thông số từ giao diện điều khiển PC xuống PLC 79 4.6.4 Các bƣớc thiết lập đọc thông số từ PLC lên giao diện điều khiển giám sát máy tính .81 KẾT LUẬN 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 85 PHỤ LỤC 86 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TỪ VIẾT TẮT PCS: Process control system, DCS: Distributed control system PLC: Program Logic Controller HMI: Human-machine interface API: Application Program Interface PPI: Point to Point Interface MPI: Multi Point Interface AS-i: Actuator Sensor Interface IE: Industrial Ethernet PROFIBUS: Process Field Bus PROFIBUS FMS: Process Field Bus Fieldbus Message Specification PROFIBUS DP: Process Field Bus Distributed Peripheral PROFIBUS PA: Process Field Bus Process Automation v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ Hình 1.1: Mô tả tuyến ống vận chuyển hàng hóa .3 Hình 1.2: Mô tả quy trình công nghệ kho xăng dầu thành phẩm Hình 1.3: Hệ thống đo mức tự động bồn chứa xăng dầu Hình 1.4: Hệ thống tự động hóa cấp hàng cho ô tô xitec chở hàng Hình 1.5: Hệ thống điều khiển nhập tuyến ống công nghệ nhập hàng .7 Hình 2.1: Cấu trúc chung Thiết bị điều khiển logic khả trình 10 Hình 2.2: Bố trí module PLC S7-300 rack 12 Hình 2.3: CPU S7-300 kết nối với modul thành phần tối đa rack 13 Hình 2.4: Chu trình hoạt động PLC vòng quét 15 Hình 2.5: Lập trình tuyến tính 16 Hình 2.6: Lập trình cấu trúc 16 Hình 2.7: Ba kiểu ngôn ngữ lập trình cho PLC Siemens LAD, STL, FDB 17 Hình 2.8: Sơ đồ cấu trúc nối mạng PPI .19 Hình 2.9: Sơ đồ cấu trúc nối mạng MPI 20 Hình 2.10: Sơ đồ cấu trúc nối mạng AS-i 21 Hình 2.11: Sơ đồ cấu trúc nối mạng Ethernet công nghiệp 22 Hình 2.12: Sơ đồ cấu trúc nối mạng Profibus 23 Hình 3.1: Giải pháp phần cứng cho hệ thống điều khiển tự động hóa tuyến ống nhập hàng kho Đức Giang 25 Hình 3.2: Hiệu ứng Coriolis khối chất chuyển động tƣơng vật thể quay 26 Hình 3.3: Ống thẳng – đơn dòng chảy (no flow) có dòng chảy .28 Hình 3.4: Sự lệch pha tín hiệu đầu hai cuộn dây đo .28 Hình 3.5: Thiết bị đo Coriolis loại ống đôi U 29 Hình 3.6: Sensor CMF400 Transmiter model 2700 .30 Hình 3.7: Các kiểu kết nối Sensor Transmitter 31 Hình 3.8: Chi tiết dấu nối sơ đồ dây dây kết nối sensor transmitter 32 Hình 3.9: Sơ đồ đấu nối Transmitter Model 2700 PA mạng Profibus PA 32 Hình 3.10: Thiết bị đo Sitrans P DSIII PA .33 Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý làm việc Sitrans P 34 Hình 3.12: Cảm biến đo áp suất 35 Hình 3.13: Các phím chức 35 Hình 3.14: Màn hình hiển thị số 35 Hình 3.15: Sơ đồ nối mạng profibus PA cho thiết bị đo áp suất 36 Hình 3.16: Thiết bị đo nhiệt độ Sitrans TF .36 Hình 3.17: Cấu tạo thiết bị đo áp suất .37 Hình 3.18: Sơ đồ khối mô tả cấu trúc Sitrans TF .37 vi Hình 3.19: Sơ đồ đấu nối sensor nhiệt độ vào mạng Profibus PA 38 Hình 3.20: Cấu tạo van điện Limitorque MX05 .39 Hình 3.21: Các đầu nối đƣờng điện nguồn điều khiển cho van 39 Hình 3.22: Chức chân đấu nối Van điện .40 Hình 3.23: Các nút điều khiển, chọn chế độ Van điện .41 Hình 3.24: Các đèn hiển thị trạng thái hoạt động van điện 41 Hình 3.25: Sơ đồ hình menu van điện 42 Hình 3.26: Các menu thiết lập van điện .42 Hình 3.27: Trình tự thiết lập vị trí đóng mở điều khiển van điện chỗ 43 Hình 3.28: Trình tự thiết lập vị trí đóng mở tay xoay van điện .43 Hình 3.29: Nguồn PS307 5A 44 Hình 3.30: Bộ xử lý trung tâm Simatic S7-300 CPU317-2DP 45 Hình 3.31: Sơ đồ chân đấu Module SM321 45 Hình 3.32: Sơ đồ chân đấu Module SM 322 46 Hình 3.33: Kết nối MPI PC PLC 46 Hình 3.34: Mô tả đấu nối thiết bị DP/PA coupler .47 Hình 4.1: Sơ đồ thuật toán chƣơng trình điều khiển PLC 49 Hình 4.2: Quá trình phát lẫn hàng trƣờng hợp mặt hàng 50 Hình 4.3: Quá trình phát lẫn hàng trƣờng hợp mặt hàng 51 Hình 4.4: Quá trình phát lẫn hàng theo lƣợng hàng trƣờng hợp mặt hàng mặt hàng xăng dầu 51 Hình 4.5: Giao diện SIMATIC Manager Step7 56 Hình 4.6:Thiết lập cấu hình phần cứng Step 56 Hình 4.7: Thiết lập cấu hình mạng truyền thông thiết bị Step .58 Hình 4.8: Lập trình khối OB Step 59 Hình 4.9: Lập trình ngôn ngữ lập trình LAD Step .59 Hình 4.10: Sử dụng PLC Sim để mô hoạt động PLC 60 Hình 4.11: Giao diện tƣơng tác PLC Sim 60 Hình 4.12: Công cụ Graphics Designer cửa sổ WinCC Explorer 62 Hình 4.13: Cửa sổ thiết kế Graphics Designer .62 Hình 4.14: Màn hình giao diện hệ thống .67 Hình 4.15:Màn hình giao diện cài đặt thông số hệ thống 68 Hình 4.16: Màn hình giám sát biến thiên thông số tỷ trọng 69 Hình 4.17: Màn hình giám sát toàn thông số hệ thống 70 Hình 4.18: Công cụ Tag Managerment WinCC 71 Hình 4.19: Các kiểu Driver truyền thông mà WinCC hỗ trợ .72 Hình 4.20:Thiết lập kiểu truyền thông MPI kết nối Win CC với PLC S7-300 73 Hình 4.21: Thiết lập Tag Group 74 Hình 4.22: Thiết lập Tag .74 vii Hình 4.23: Các tag liên quan đến van điện 75 Hình 4.24: Thiết lập Tag loại hàng 75 Hình 4.25: Thiết lập Tag liên quan đến thông số tỷ trọng 76 Hình 4.26: Thiết lập Tag tín hiệu lẫn 76 Hình 4.27: Thiết lập Tag nhiệt độ 77 Hình 4.28: Thiết lập Tag áp suất 77 Hình 4.29: Thiết lập Tag lƣợng hàng 78 Hình 4.30: Thiết lập Tag chế độ làm việc 78 Hình 4.31: Thiết lập liên kết tag với IO Field 79 Hình 4.32: Cửa sổ cấu hình cho I/OField 80 Hình 4.33: Tạo lƣu trữ thông số trình 81 Hình 4.34: Thêm tag lƣu trữ 82 Hình 4.35: Cấu hình cho WinCC Online Trend Control .82 viii MỞ ĐẦU Ngày hầu hết nhà máy, xí nghiệp công nghiệp, tự động hóa điều khiển đƣợc áp dụng nhằm mục đích nâng cao chất lƣợng sản phẩm, suất lao động, tiết giảm chi phí giải phóng ngƣời khỏi vị trí làm việc nguy hiểm độc hại Tại kho xăng dầu có môi trƣờng làm việc độc hại, nguy cháy nổ cao nhu cầu triển khai áp dụng giải pháp công nghệ tự động hóa điều khiển, thiết bị đo thông minh trở nên thiết thực hiệu Kho xăng dầu Đức Giang kho xăng lớn khu vực phía bắc thuộc quản lý Tập đoàn xăng dầu Việt Nam Tại kho xăng quy trình công nghệ quan trọng đƣợc áp dụng dụng tự động hóa đem lại nhiều hiệu Đối với công nghệ nhập hàng cho kho xăng có đặc thù nhiều mặt hàng đƣợc vận chuyển đƣờng ống Quy trình phân tách điều khiển van cho hệ thống nhập hàng ảnh hƣởng nhiều đến chất lƣợng hàng hóa đầu vào kho xăng Luận văn tập trung nghiên cứu hệ thống này, nhằm giải toán công nghệ hệ thống thông qua việc lên giải pháp thiết kế thiết bị điều khiển, xây dựng chƣơng trình điều khiển giám sát cho hệ thống Luận văn gồm chƣơng: - - Chƣơng 1: Giới thiệu tổng quan kho xăng dầu Đức Giang Trong tập trung tìm hiểu hệ thống giám sát điều khiển tuyến ống công nghệ nhập hàng Chƣơng 2: Tổng quan thiết bị điều khiển logic khả trình số cấu trúc mạng truyền thông công nghiệp hãng Siemens Chƣơng 3: Trình bày giải pháp thiết kế phần cứng hệ thống Chƣơng 4: Xây dựng chƣơng trình điều khiển giám sát phần mềm giám sát hệ thống Để hoàn thành luận văn nhận đƣợc hƣớng dẫn tận tình thời gian qua Thầy hƣớng dẫn TS Nguyễn Huy Phƣơng Do kinh nghiệm khả hạn chế nên luận văn nhiều thiếu sót Tôi mong nhận đƣợc nhiều ý kiến đóng góp hữu ích từ thầy, cô đồng nghiệp để thấy rõ điều cần nghiên cứu bổ sung, giúp cho việc xây dựng đề tài đạt đến kết hoàn thiện 1.6 Mạch đƣa tín hiệu đóng mở van vào module input PLC 90 1.7 Mạch đấu nối đầu output PLC 91 Chƣơng trình lập trình cho PLC 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 ... quát số hệ thống tự động hóa đƣợc áp dụng kho xăng dầu Đức Giang Trong có giới thiệu hệ thống điều khiển giám sát hoạt động tuyến ống công nghệ nhập hàng kho xăng dầu Đức Giang Đây hệ thống có... hệ thống đặc thù với kho trung chuyển lớn có vị trí sâu nội địa, nhập hàng sản lƣợng lớn tuyến đƣờng ống Hình 1.5: Hệ thống điều khiển nhập tuyến ống công nghệ nhập hàng Các thiết bị hệ thống. .. trình phân tách điều khiển van cho hệ thống nhập hàng ảnh hƣởng nhiều đến chất lƣợng hàng hóa đầu vào kho xăng Luận văn tập trung nghiên cứu hệ thống này, nhằm giải toán công nghệ hệ thống thông qua