Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trộn phụ gia nhựa đường

i LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo Viện Điện, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội hết lòng dạy bảo, giúp đỡ em năm theo học Cao học trường, giúp em có kiến thức kinh nghiệm quý báu chuyên môn sống Những hành trang tài sản vô giá nâng bước cho em tới với thành công tương lai Đặc biệt, em xin gửi lời cám ơn trân trọng đến thày giáo TS Bùi Đăng Thảnh hướng dẫn, bảo em suốt trình học tập làm luận vặn Chính hướng dẫn tận tình, nghiêm khắc khoa học thày giúp em trưởng thành tính luỹ nhiều kiến thức khoa học, sống Em xin chân thành cảm ơn Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa; Công ty Cổ phần Carbon Việt Nam giúp đỡ em nhiều từ trình khảo sát, xây dựng toán đến góp ý hiệu chỉnh hệ thống; đặc biệt phối hợp kiểm tra, thử nghiệm, sử dụng đánh giá kết nghiên cứu cho em trình làm luận văn Cuối cùng, em xin cảm ơn người thân gia đình bạn bè giúp đỡ, động viên em hoàn thành khóa học Hà Nội, ngày 09 tháng 01 năm 2015 Học viên Lê Mạnh Hùng Đề tài: Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trộn phụ gia nhựa đường theo công nghệ carboncor ii MỤC LỤC PHẦN TỔNG QUAN 1-1 1.1 Tính cấp thiết đề tài .1-1 1.2 Mục tiêu đề tài 1-2 1.3 Phương pháp nghiên cứu .1-2 1.4 Tình hình nghiên cứu nước 1-3 1.4.1 Tình hình nghiên cứu nước 1-3 1.4.2 Tình hình nghiên cứu nước 1-4 PHẦN NỘI DUNG KHOA HỌC CHÍNH 2-5 2.1 Phân tích thiết kế hệ thống 2-5 2.1.1 Đặt vấn đề 2-5 2.1.2 Công nghệ trộn phụ gia nhựa đường theo công nghệ carboncor 2-5 2.2 Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trộn phụ gia nhựa đường .2-10 2.2.1 Phân tích thiết kế hệ thống 2-10 2.2.2 Thiết kế sơ đồ hệ thống 2-20 2.3 Thiết kế xây dựng phần tử hệ thống .2-27 2.3.1 Giới thiệu 2-27 2.3.2 Thiết kế khối chức đo điều khiển bể chứa nhựa đường 2-27 2.3.3 Thiết kế khối chức đo lường điều khiển cho bể phụ gia 2-38 2.3.4 Thiết kế khối chức cho trình trộn liệu liên tục 2-53 2.3.5 Xây dựng phần mềm máy tính 2-67 2.4 Các phương pháp xử lý tín hiệu điều khiển quan trọng hệ thống 2-90 2.4.1 Giới thiệu 2-90 2.4.2 Xử lý tín hiệu đo lường hệ thống 2-90 2.4.3 Điều khiển tỷ lệ nhựa đường/phụ gia hệ thống .2-94 2.4.4 Điều khiển trình hệ thống 2-100 2.5 Thử nghiệm hệ thống phòng thí nghiệm (PTN) .2-103 2.5.1 Mục tiêu chung thử nghiệm PTN .2-103 2.5.2 Thông tin thử nghiệm .2-103 2.5.3 Phương tiện, dụng cụ phục vụ thử nghiệm 2-103 2.5.4 Thử nghiệm kết nối truyền thông .2-104 2.5.5 Thử nghiệm đo lường .2-114 2.5.6 Thử nghiệm toàn hệ thống 2-119 2.5.7 Kết luận chung 2-143 PHẦN KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 3-144 3.1 Phần cứng hệ thống 3-144 3.1.1 Sản phẩm phần cứng đạt 3-144 Đề tài: Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trộn phụ gia nhựa đường theo công nghệ carboncor iii 3.1.2 Hình ảnh sản phẩm phần cứng 3-144 3.2 Các sản phẩm phần mềm 3-145 PHẦN KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 4-146 KẾT LUẬN 4-146 HƯỚNG PHÁT TRIỂN TIẾP THEO 4-146 PHẦN TÀI LIỆU THAM KHẢO 5-148 Đề tài: Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trộn phụ gia nhựa đường theo công nghệ carboncor iv DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1 Sơ đồ hệ thống trộn phụ gia nhựa đường Trung Quốc chế tạo .1-3 Hình 2-1 Sơ đồ hệ thống trộn phụ gia nhựa đường theo công nghệ carboncor 2-8 Hình 2-2 Điều chỉnh lưu lượng dòng chảy tới máy trộn liên tục 2-11 Hình 2-3 Sơ đồ khối điều khiển ổn định lưu lượng phụ gia 2-12 Hình 2-4 Bể chứa nhựa đường 2-13 Hình 2-5 Cảm biến báo mức bể chứa nhựa đường .2-13 Hình 2-6 Bể chứa phụ gia 2-14 Hình 2-7 Cảm biến báo mức bể chứa phụ gia 2-14 Hình 2-8 Sơ đồ mô hình hệ thống .2-21 Hình 2-9 Máy tính phần mềm giám sát 2-22 Hình 2-10 Bộ điều khiển trung tâm PLC 2-23 Hình 2-11 Cảm biến báo mức .2-24 Hình 2-12 Các van đóng mở .2-24 Hình 2-13 Điều khiển động .2-25 Hình 2-14 Điều khiển dòng chảy phụ gia 2-26 Hình 2-15 Bể chứa nhựa đường 2-27 Hình 2-16 Mặt cắt ngang bể chứa nhựa đường 2-28 Hình 2-17 Mặt cắt ngang đường ống dẫn nhựa đường .2-28 Hình 2-18 Sơ đồ công nghệ bể chứa nhựa đường (hệ thống cũ) 2-29 Hình 2-19 Thiết kế khâu tự động đo điều khiển bể chứa nhựa đường 2-30 Hình 2-20 Giản đồ điều khiển bể chứa nhựa đường theo thời gian 2-32 Hình 2-21 Lưu đồ chương trình đo điều khiển bể chứa nhựa đường theo thời gian 2-33 Hình 2-22 Giao tiếp điều khiển trung tâm PLC với hình .2-35 Hình 2-23 Màn hình giao diện toàn cảnh 2-36 Hình 2-24 Màn hình giao diện bể chứa nhựa đường 2-36 Hình 2-25 Màn hình giao diện vận hành 2-37 Hình 2-26 Màn hình giao diện cài đặt 2-38 Hình 2-27 Bể chứa phụ gia A B .2-39 Hình 2-28 Mặt cắt ngang cấu tạo bể chứa phụ gia 2-40 Hình 2-29 Mặt cắt ngang đường ống dẫn phụ gia 2-40 Hình 2-30 Sơ đồ công nghệ bể phụ gia ETA, ETB ( hệ thống cũ) .2-41 Hình 2-31 Mô hình đo lường điều khiển tự động bể phụ gia ETA, ETB 2-42 Hình 2-32 Giản đồ điều khiển theo thời gian cho bể phụ gia ETA, ETB 2-45 Hình 2-33 Lưu đồ chương trình hoàn thành khuấy bước cho ETA, ETB 2-46 Hình 2-34 Lưu đồ chương trình hoàn thành việc chuẩn bị liệu cho ETA, ETB 2-47 Hình 2-35 Màn hình giám sát toàn hệ thống 2-50 Đề tài: Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trộn phụ gia nhựa đường theo công nghệ carboncor v Hình 2-36 Màn hình giao diện hai bể phụ gia ETA ETB 2-51 Hình 2-37 Màn hình giao diện vận hành hai bể phụ gia ETA ETB .2-52 Hình 2-38 Màn hình giao diện cài đặt thông số cho hai bể phụ gia ETA ETB .2-53 Hình 2-39 Cấu tạo bơm bánh 2-54 Hình 2-40 Cấu tạo bơm bánh ăn khớp 2-55 Hình 2-41 Cấu tạo bơm bánh ăn khớp 2-55 Hình 2-42 Cấu tạo bơm ly tâm 2-56 Hình 2-43 Thực trạng khối chức trộn liệu liên tục hệ thống cũ 2-58 Hình 2-44 Sơ đồ khối khối chức trộn liệu liên tục hệ thống đề tài 2-59 Hình 2-45 Giản đồ điều khiển theo thời gian tỷ lệ nhựa đường phụ gia 2-61 Hình 2-46 Tỷ lệ trộn liên tục nhựa đường phụ gia 2-62 Hình 2-47 Lưu đồ chương trình điều khiển trộn liên tục nhựa đường phụ gia 2-63 Hình 2-48 Màn hình giao diện giám sát toàn hệ thống 2-65 Hình 2-49 Màn hình giao diện trình trộn liên tục 2-65 Hình 2-50 Màn hình giao diện vận hành trình trộn liên tục 2-66 Hình 2-51 Màn hình giao diện cài đặt trình trộn liên tục .2-67 Hình 2-52 Bộ phần mềm WinCC in TIA Portal 2-68 Hình 2-53 Tạo Project TIA Portal .2-69 Hình 2-54 Hoàn thành tạo Project .2-69 Hình 2-55 Lựa chọn thiết bị cho proeject 2-70 Hình 2-56 Tạo trạm PC (PC station) 2-70 Hình 2-57 Chọn lựa cấu hình cho PC station 2-71 Hình 2-58 Giao diện vận hành máy tính 2-72 Hình 2-59 Tạo trang hình giao diện .2-73 Hình 2-60 Cài đặt giao diện runtime 2-73 Hình 2-61 Màn hình giao diện 2-74 Hình 2-62 Màn hình giao diện cài đặt 2-75 Hình 2-63 Biểu tượng valve 2-76 Hình 2-64 Thay đổi trạng thái đóng/mở valve 2-76 Hình 2-65 Tạo kiện “click” với biểu tượng valve 2-77 Hình 2-66 Thư viện ảnh dùng cho bể chứa nhựa đường 2-77 Hình 2-67 Sử dụng công cụ “I/O field” hiển thị nhiệt độ AST 2-78 Hình 2-68 Màn hình thiết bị kết nối .2-78 Hình 2-69 Khai báo kết nối cho PLC 2-79 Hình 2-70 Khai báo kết nối cho máy tính 2-79 Hình 2-71 Hoàn thành khai báo kết nối máy tính với PLC 2-80 Hình 2-72 Bảng liệu bắt đầu ca vận hành 2-81 Hình 2-73 Bảng liệu kết thúc ca vận hành .2-81 Hình 2-74 Tạo kết nối SQL Server qua ODBC 2-82 Đề tài: Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trộn phụ gia nhựa đường theo công nghệ carboncor vi Hình 2-75 Kiểm tra kết nối ODBC với SQL Server 2-83 Hình 2-76 Sử dụng công cụ CrystalReport tạo báo cáo 2-83 Hình 2-77 Cài đặt thông số vận hành 2-85 Hình 2-78 Lựa chọn chế độ vận hành hệ thống 2-85 Hình 2-79 Màn hình tác động trình chuẩn bị cho bể chứa nhựa đường .2-86 Hình 2-80 Màn hình giám sát máy tính hình HMI bể chứa nhựa đường 2-87 Hình 2-81 Màn hình tác động trình chuẩn bị cho bể chứa phụ gia A(B) .2-88 Hình 2-82 Màn hình giám sát máy tính hình HMI bể chứa phụ gia A 2-88 Hình 2-83 Màn hình báo cáo 2-89 Hình 2-84 Các khối PID_Compact .2-96 Hình 2-85 Vận hành điều khiển PID 2-99 Hình 2-86 Giản đồ điều khiển theo thời gian hệ thống 2-101 Hình 2-87 Lưu đồ chương trình điều khiển hệ thống .2-102 Hình 2-88 Mô hình kết nối truyền thông 2-104 Hình 2-89 Cài đặt cho modem wifi 2-105 Hình 2-90 Cài đặt phần cứng cho PLC .2-105 Hình 2-91 Cấu hình hình HMI 2-106 Hình 2-92 Cài đặt thông số kết nối hình HMI với PLC 2-107 Hình 2-93 Khai báo thiết bị kết nối với HMI 2-107 Hình 2-94 Giao diện quản lý Tag HMI .2-108 Hình 2-95 Màn hình giao diện AST 2-109 Hình 2-96 Thông số cho đối tượng Numeric 2-109 Hình 2-97 Giao diện AST hình HMI 2-110 Hình 2-98 Cấu hình PC Station 2-111 Hình 2-99 Cấu hình HMI cho máy tính 2-111 Hình 2-100 Cấu hình truyền thông máy tính với PLC 2-111 Hình 2-101 Kết cấu hình phần cứng truyền thông PLC với máy tính PC 2-112 Hình 2-102 Kết nối máy tính PC với PLC 2-112 Hình 2-103 Thiết kế hình chuyển chế độ vận hành 2-113 Hình 2-104 Màn hình vận hành chế độ remote .2-113 Hình 2-105 Màn hình vận hành chế độ local 2-114 Hình 2-106 Các đầu vào/ra cần tác động 2-119 Hình 2-107 Các đầu vào/ra cần tác động (tiếp theo) 2-120 Hình 2-108 Màn hình cài đặt hệ thống .2-120 Hình 2-109 Màn hình vận hành hệ thống 2-121 Hình 2-110 Màn hình “force” bước cho AST 2-122 Hình 2-111 Chạy bơm nhựa đường cấp từ bể chứa 20T sang AST 2-123 Hình 2-112 Màn hình hệ thống bước (AST) 2-123 Hình 2-113 Màn hình AST bước 2-124 Đề tài: Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trộn phụ gia nhựa đường theo công nghệ carboncor vii Hình 2-114 Màn hình “force” bước cho AST 2-125 Hình 2-115 Màn hình hệ thống bước cho AST .2-126 Hình 2-116 Màn hình AST bước 2-126 Hình 2-117 Màn hình “force” bước cho ETA(ETB) .2-127 Hình 2-118 Màn hình hệ thống bước (ETA, ETB) 2-128 Hình 2-119 Màn hình ETA bước 2-128 Hình 2-120 Màn hình ETB bước 2-129 Hình 2-121 Màn hình “force” bước cho ETA(ETB) .2-130 Hình 2-122 Màn hình hệ thống bước cho ETA, ETB 2-131 Hình 2-123 Màn hình ETA bước 2-131 Hình 2-124 Màn hình ETB bước 2-132 Hình 2-125 Hoàn thành khuấy ETA ETB lần 2-132 Hình 2-126 Màn hình hệ thống bước bổ sung nước gia nhiệt (ETA, ETB) 2-133 Hình 2-127 Màn hình ETA bước (bổ sung nước, gia nhiệt) 2-133 Hình 2-128 Màn hình ETB bước (bổ sung nước, gia nhiệt) 2-134 Hình 2-129 Màn hình “force” bước cho ETA ETB 2-135 Hình 2-130 Màn hình hệ thống bước cho ETA ETB 2-135 Hình 2-131 Màn hình ETA bước 2-136 Hình 2-132 Màn hình ETB bước 2-136 Hình 2-133 Hoàn thành chuẩn bị cho ETA ETB 2-137 Hình 2-134 Màn hình hệ thống chuẩn bị cho trình trộn liệu 2-138 Hình 2-135 Màn hình “force” cho trình trộn .2-139 Hình 2-136 Màn hình hệ thống cho trình trộn 2-139 Hình 2-137 Màn hình AST cho trình trộn 2-140 Hình 2-138 Màn hình ETA cho trình trộn 2-140 Hình 2-139 Màn hình ETB cho trình trộn 2-141 Hình 2-140 Màn hình trình trộn 2-141 Hình 2-141 Màn hình “force” kết thúc mẻ trộn 2-142 Hình 2-142 Màn hình hệ thống bắt đầu mẻ .2-143 Đề tài: Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trộn phụ gia nhựa đường theo công nghệ carboncor viii DANH MỤC BẢNG Bảng 2-1 Các ký hiệu lưu đồ đo điều khiển bể nhựa đường 2-34 Bảng 2-2 Các ký hiệu lưu đồ đo điều khiển bể phụ gia ETA, ETB 2-48 Bảng 2-3 Các ký hiệu lưu đồ điều khiển trộn liên tục nhựa đường phụ gia 2-63 Bảng 2-4 Bảng giá trị đầu vào cần tác động 2-84 Đề tài: Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trộn phụ gia nhựa đường theo công nghệ carboncor ix DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt AST Asphalt Tank Bể chứa nhựa đường ET Emulsion Tank Bể chứa phụ gia (nhũ tương đặc biệt) ETA Emulsion Tank A Bể chứa phụ gia A ETB Emulsion Tank B Bể chứa phụ gia A StA, B Stirrer A, B Máy khuấy A, B PLC Programmable Logic Controller Bộ điều khiển logic lập trình FS Flow Sensor Cảm biến lưu lượng HMI Human Machine Interface Giao diện người máy HOIn Hot Oild Inlet Đường dầu nóng vào HOOut Hot Oild Outlet Đường dầu nóng RAs Raw Asphalt Nhựa đường thô DW Drinking Water Nước MP Mixing Pipeline Máy trộn liên tục RT Relay Tank Bể chứa thành phẩm RP Relay Pump Bơm thành phẩm Đề tài: Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trộn phụ gia nhựa đường theo công nghệ carboncor 1-1 PHẦN TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết đề tài Vật liệu rải đường Carboncor Asphalt Công ty Carboncor (Nam Phi) phát minh, sáng chế Vật liệu Carboncor Asphalt có ưu điểm khắc phục nhược điểm vật liệu ngành giao thông nhiều nước sử dụng, bên cạnh hiệu kinh tế mà Carboncor Asphalt đem lại không nhờ vật liệu có độ bền cao mà tỷ lệ thất thoát gần khiến chi phí thấp đáng kể so với công nghệ thông thường, đồng thời vật liệu không yêu cầu phải có lớp dính bám thấm bám mà cần sử dụng nước tưới thấm ướt bề mặt trước thi công, Ngày 26 tháng 05 năm 2009 Bộ Giao thông Vận tải định Số 1445/QĐ-BGTVT việc “Cho phép sử dụng vật liệu Carboncor Asphalt vào xây dựng sửa chữa kết cấu áo đường Việt Nam” Hiện nay, công nghệ vật liệu Carboncor Asphalt chuyển giao độc quyền cho Công ty Cổ phần Carbon Việt Nam sản xuất nước [1] Dây chuyền sản xuất vật liệu Carboncor Asphalt bao gồm nhiều công đoạn (hệ thống) như: Hệ thống đo lường điều khiển ổn định nhiệt độ dầu nóng; Hệ thống trạm trộn asphalt; Hệ thống cân đóng bao; Hệ thống đo lường điều khiển trộn phụ gia nhựa đường,… Hiện nay, số hệ thống toàn dây chuyền sản xuất nước Hệ thống trạm trộn asphalt - VIELINA chế tạo, Hệ thống cân đóng bao VIELINA chế tạo Trong “Hệ thống đo lường điều khiển trộn phụ gia nhựa đường theo công nghệ Carboncor” theo tìm hiểu em chưa có đơn vị nước nghiên cứu chế tạo hệ thống Đây công nghệ hệ thống đưa vào Việt Nam, giới chưa có nhiều đơn vị chế tạo sản xuất hệ thống Hệ thống thành phần quan trọng dây chuyền sản xuất vật liệu Carboncor Asphalt Qua thực tế khảo sát, em biết người sử dụng mong muốn cải tiến hệ thống trộn phụ gia nhựa đường theo công nghệ Carboncor - vốn hệ thống hoạt động hoàn toàn tay, người vận hành điều khiển hệ thống dựa theo kinh nghiệm Đề tài: Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trộn phụ gia nhựa đường theo công nghệ carboncor 2-138 Hình 2-134 Màn hình hệ thống chuẩn bị cho trình trộn liệu Từ hình 2-134 ta thấy, bơm phụ gia (Emulsion Pump), bơm nhựa đường (Asphalt Pump), động máy trộn liên tục (Mixing Pipeline) chưa chạy hành trình báo mở PV6 BV3 chưa báo mở valve Muốn động chạy để vào trình trộn ta phải “force” đầu vào lên (true) hình 2-135 Đề tài: Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trộn phụ gia nhựa đường theo công nghệ carboncor 2-139 Hình 2-135 Màn hình “force” cho trình trộn Lúc quan sát trình trộn hình HMI hệ thống ta có Hình 2-136 Màn hình hệ thống cho trình trộn Đề tài: Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trộn phụ gia nhựa đường theo công nghệ carboncor 2-140 Hình 2-137 Màn hình AST cho trình trộn Hình 2-138 Màn hình ETA cho trình trộn Đề tài: Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trộn phụ gia nhựa đường theo công nghệ carboncor 2-141 Hình 2-139 Màn hình ETB cho trình trộn Hình 2-140 Màn hình trình trộn Từ hình 2-137, 2-138, 2-139 đặc biệt hình 2-140 ta thấy valve PV6, BV3 mở; động bơm phụ gia (Emulsion Pump), bơm nhựa đường (Asphalt Pump) động trộn (Mixing Pipeline) chạy, trình trộn liệu diễn Quá trình trộn liệu kết thúc, đồng thời kết thúc mẻ trộn hết phụ gia ETA ETB thông qua cảm biến báo mức thấp ETA ETB Đề tài: Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trộn phụ gia nhựa đường theo công nghệ carboncor 2-142 Sử dụng hình “force” để kết thúc mẻ trộn bắt đầu mẻ trộn hình 2-141 Hình 2-141 Màn hình “force” kết thúc mẻ trộn Như hoàn thành mẻ trộn bắt đầu mẻ trộn hình giao diện HMI hình 2-142 Đề tài: Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trộn phụ gia nhựa đường theo công nghệ carboncor 2-143 Hình 2-142 Màn hình hệ thống bắt đầu mẻ  Kết luận - Việc thử nghiệm hệ thống PTN chạy chế độ tự động cho trình trộn phụ gia nhựa đường cho kết tốt; - Các kết hiển thị đầy đủ hình HMI hệ thống; - Hoàn thành việc trộn hệ thống tự động reset bit trình chuẩn bị cho trình hình 2-142 2.5.7 Kết luận chung Các toán mục tiêu trình thử nghiệm PTN hoàn thành, kết thử nghiệm PTN đáp ứng yêu cầu luận văn yêu cầu công nghệ hệ thống Trên sở đó, em đưa hệ thống kiểm chuẩn khâu đo lường Đề tài: Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trộn phụ gia nhựa đường theo công nghệ carboncor 3-144 PHẦN KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 3.1 Phần cứng hệ thống 3.1.1 Sản phẩm phần cứng đạt Tên sản phẩm Số lượng Hệ thống đo lường điều khiển trộn 01 hệ thống phụ gia nhựa đường theo công nghệ Carboncor Chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật - Năng suất: T/h; - Tỷ lệ: 40/60; - Tổng công suất