Nghiên cứu thiết kế hệ thống scada cho công đoạn sản xuất axit sunfuric của nhà máy hóa chất DAP

TRẦN ANH DŨNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Trần Anh Dũng CHUYÊN NGÀNH ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA CHO CÔNG ĐOẠN SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC CỦA NHÀ MÁY HÓA CHẤT DAP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA KHOÁ 2012B Hà Nội – Năm 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN ANH DŨNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA CHO CÔNG ĐOẠN SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC CỦA NHÀ MÁY HÓA CHẤT DAP Chuyên ngành : Điều khiển Tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS.NGUYỄN QUANG ĐỊCH Hà Nội – Năm 2015 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc SĐH.QT9.BM11 BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn : TRẦN ANH DŨNG Đề tài luận văn : Nghiên cứu thiết kế hệ thống SCADA cho công đoạn sản xuất axit sunfuric nhà máy hóa chất DAP Chuyên ngành :Điều Khiển Tự Động Hoá Mã số SV : CB120342 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày: 16/04/2015 với nội dung sau: 1- Chỉnh sửa lỗi tả phần thuyết minh luận văn 2- Chỉnh sửa hình vẻ bị mờ Ngày 20 tháng 04 năm 2015 Giáo viên hướng dẫn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG Tác giả luận văn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp tự hoàn thành hướng dẫn thầy giáo T.S NGUYỄN QUANG ĐỊCH Các số liệu kết luận văn hoàn toàn trung thực Để hoàn thành luận văn này, sử dụng tài liệu ghi mục tài liệu tham khảo, không sử dụng tài liệu khác mà không ghi phần tài liệu tham khảo Học viên Trần Anh Dũng MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ LỜI MỞ ĐẦU 10 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC DAP-VINACHEM ĐÌNH VŨ 12 1.1 Sơ lược nhà máy DAP Đình Vũ 12 1.2 Công nghệ sản xuất axit sunfuric 13 1.2.1.Nguyên liệu 13 1.2.2 Nhiên liệu nguyên liệu khác 16 1.2.3 Giới thiệu phương pháp sản xuất axit sunfuric 17 1.3.Nghiên cứu tìm hiểu công đoạn sản xuất axit sunfuric nhà máy DAP 21 1.3.1 Công đoạn hóa lỏng lưu huỳnh .21 1.3.2 Công đoạn đốt lưu huỳnh 24 1.3.3 Công đoạn nồi 25 1.3.4 Công đoạn tiếp xúc 26 1.3.5 Công đoạn hấp thụ- sấy khí 30 1.3.6 Công đoạn kho axit 37 1.4 Các phận phụ trợ 37 1.4.1 Bộ phận máy nén không khí 37 1.4.2.Bộ phận lọc dầu 37 1.5.Các mạch vòng điều khiển .38 1.6 Các tín hiệu cảnh báo, báo động 39 1.7 Nhận xét 45 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ SCADA VÀ HỆ THỐNG ABB INDUSTRIALIT 800XA 47 2.1 Tổng Quan SCADA 47 2.1.1.Hệ thống điều khiển tự động hóa trình công nghệ 47 2.1.2.Hệ thống điều khiển giám sát công nghiệp SCADA 48 2.2 Tổng quan hệ thống ABB IndustrialIT 800xA 50 2.2.1 Giới thiệu chung .50 2.2.2 Các thành phần hệ IndustrialIT 51 2.3 Bộ điều khiển AC800M 52 2.3.1.Cấu trúc phần cứng AC800M 52 2.3.2.Kết nối AC800M với mạng điều khiển 58 2.3.3.Gói phần mềm cho AC800M 59 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT CHO CÔNG ĐOẠN HẤP THỤ SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC 62 3.1 Xây dựng cấu hình điều khiển công đoạn hấp thụ – nhà máy sản xuất axit sunfuric 62 3.1.1 Đặt vấn đề .62 3.1.2.Lựa chọn cấu hình điều khiển tổng quan 62 3.2 Thiết kế hệ điều khiển giám sát thiết bị công đoạn hấp thụ sản xuất axit sunfuric 65 3.2.1.Tháp sấy T0141 65 3.2.2.Hệ thống làm mát axit E0143 66 3.2.3.Thùng axit tuần hoàn V0141 67 3.3 Thiết kế chương trình điều khiển công đoạn hấp thụ sản xuấtaxit sunfuric 69 3.3.1.Phân tích đối tượng điều khiển công đoạn hấp thụ, sản xuất axit sunfuric 69 3.3.2 Các trình cân thùng tuần hoàn V0141 70 3.3.3.Tổng quan phương pháp điều khiển tách kênh 83 3.3.4.Ứng dụng tách kênh toàn phần điều khiển thùng tuần hoàn V0141 88 3.4 Thiết kế giao diện vận hành, điều khiển, giám sát công đoạn hấp thụ 94 3.4.1.Lập trình với phần mềm Compact Control Builder 94 3.4.2 Lập trình giao diện vận hành, điều khiển, giám sát 97 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 108 Kết luận 108 Kiến nghị 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO 97 PHỤ LỤC 98 DANH MỤC VIẾT TẮT SCADA : Supevisory Control and Data Acquisition RGA : Relative Gain Array HMI : Human Machine Interface SCM : Single Control Module PLC : Programmable Logic Controller CDC : Compact Digital Controller DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Bảng tính chất lưu huỳnh nguyên tố 15 Bảng 1.2 Các mạch vòng điều khiển 38 Bảng 1.3 Các tín hiệu cảnh báo, báo động .39 Bảng 2.1 Khả kết nối AC 800M với module 54 Bảng 3.1 Thiết bị phần cứng ABB 68 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Quá trình sản xuất axit sunfuric 13 Hình 1.2 Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất axit sunfuric 14 Hình 1.3 Các phương pháp sản xuất axit sunfuric 18 Hình 1.4 Sơ đồ sản xuất axit sunfuric từ S theo phương pháp tiếp xúc .19 Hình 1.5 Dây chuyền sản xuất axit sunfuric theo phương pháp tinh chế khô 20 Hình 1.6.Cân khối lượng công đoạn hoá lỏng lưu huỳnh .21 Hình 1.7 Cân lượng đầu vào đầu lò đốt 24 Hình 1.8 Cân khối lượng đầu vào đầu lò đốt 24 Hình 1.9 Cân lượng nước cấp với lượng nước bão hoà 26 Hình 1.10 Cân khối lượng công đoạn tiếp xúc 26 Hình 1.11 Cân khối lượng công đoạn hấp thụ .30 Hình 1.12 Cân khối lượng phận sấy khí 30 Hình 1.13 Cân lượng đầu vào đầu tháp hấp thụ 30 Hình 2.1 Sơ đồ phân cấp hệ thống điều khiển tự động hóa trình sản xuất .47 Hình 2.2 cấu trúc hệ SCADA tổng quát .50 Hình 2.3 Sơ đồ hệ IndustrialIT 51 Hình 2.4.Cấu hình điều khiển AC800M với module vào S800 I/O 53 Hình2.5 Các hệ CPU PM8xx AC800M .53 Hình 2.6 Các dạng module vào S800 55 Hình 2.7 Kết nối AC 800M với S800 .57 Hình 2.8 Kết nối AC 800M với S800 thông qua Profibus 57 Hình 2.9.Một ví dụ kết nối vào với FOUNDATION FIELDBUS 58 Hình 2.10.Vị trí vai trò cụ thể phần mềm 60 Hình 3.1 Cấu hình điều khiển công đoạn hấp thụ 63 Hình 3.2 Lưu đồ P&ID tháp sấy T0141 66 Hình 3.3 Lưu đồ P&ID hệ thống làm mát axit .66 Hình 3.4 Lưu đồ P&ID thùng tuần hoàn V0141 68 3.4.2.2.Faceplate điều khiển Hình 3.35 Faceplate điều khiển mức Hình 3.36 Faceplate điều khiển nồng độ 100 3.4.2.3.Truy cập giá trị lịch sử * Log Configuration thiết lập ghi liệu lịch sử - log Trên Faceplate nồi hồ hóa, nhắp chuột vào biểu tượng “Log Configuration” (1) để thiết lập LOG giá trị nhiệt độ nồi hồ hóa, có hai LOG thiết lập sẵn: • Log_4s_1day: Chu kỳ cập nhật liệu giây thời gian lưu liệu tối đa ngày • Log_4s_1w: Chu kỳ cập nhật liệu 4giây thời gian lưu liệu tối đa tuần Các LOG sử dụng đồ thị Trend Display đọc trực tiếp * Xem liệu lịch sử Để xem liệu khứ trực tiếp, đánh dấu vào LOG cần đọc, chọn Status ấn nút “Read” Dữ liệu lịch sử xem hình đây, để cập nhật giá trị mới, ấn “Read” Hình 3.37 Log Configuration 101 Số lượng điểm cập nhật mặc định 1000, số lượng điểm lớn đọc 10000 Có thể thay đổi tham số cách ấn “settings” thay đổi “number of point” cửa sổ sau Có thể thay đổi trình tự hiển thị liệu cách chọn “Latest”,“Oldest” hay “At time”: Hình 3.38 Hộp thoại xem liệu lịch sử - Latest: Hiển thị 1000 liệu - Oldest: Hiển thị 1000 liệu cũ - At time: Hiển thị 1000 liệu kể từ thời gian bắt đầu Thời gian bắt đầu đặt cửa sổ nhập thời gian bên cạnh * Xuất liệu lịch sử Có thể xuất/nhập liệu lịch sử dạng file exel, copy hay phục hồi liệu lịch sử cách ấn vào nút “Action” - Export Data to File: Lưu liệu vào file Dữ liệu xuất dạng exel sử dụng cho phân tích khác 102 - Copy Data to Clipboard: Copy liệu để xử lý trog chương trình khác - Restore Log from Backup: Phục hồi mẫu ghi từ lần backup trước Hình 3.39 Hộp thoại xuất liệu lịch sử Người vận hành thiết lập LOG khác theo yêu cầu theo dõi phân tích liệu 3.4.2.4 Đồ thị xu hướng Việc truy cập Trend đồ thị xu hướng thực qua Faceplate Trend display hiển thị liệu thời gian thực liệu khứ Vùng đồ thị (Trend Area) Thanh công cụ Bảng (Trend Table) Hình 3.40 Đồ thị xu hướng 103 Cửa sổ Trend chia làm khu vực:  Trend Area Trend Area khu vực thị đồ thị  Trend table Bảng nơi thiết lập tín hiệu theo dõi đặc tính hiển thị Các thiết lập cho hiển thị: * Object icon: biểu tượng đối tượng * Trace color: màu sắc hiển thị * Object name: mức hay nồng độ * Property: giá trị điện áp ngăn * Log : chọn kiểu sau: + TRIM: không hiển thị + Log_4s_1day hay Log_1m_1y: hiển thị đồ thị giá trị lịch sử đọc lưu ghi + SEEMLESS: hiển thị giá trị thời gian thời, giá trị không lưu * Current value: giá trị * Ruler time: thời gian điểm đánh dấu * Ruler value: giá trị mức hay nồng độ điểm đánh dấu  Thanh công cụ: Thanh công cụ gồm công cụ sau: * Save Configuration: nút ấn Save cho phép thiết lập trend có thay đổi * Cancel Changes: huỷ bỏ tất thay đổi chưa lưu Chú ý tất thay đổi lưu 104 * Reset Template: đặt lại tất tham số thiết lập Trend display trở giá trị mặc định Chú ý tất thay đổi lưu trước bị xoá * Show/Hide Table: làm Trend Table xuất biến * Block/ Unblock: bật tắt việc cập nhật liệu Hình 3.41 Thanh công cụ đồ thị xu hướng * Ngoài ấn nút thao tác sau bị cấm: + Dịch chuyển cửa sổ + Phóng to/ thu nhỏ + Thay đổi vùng thời gian Tool Bar * Select Ruler: chọn kiểu thước kẻ * Move Ruler: Dịch chuyển thước kẻ theo chiều ngang chiều dọc * Move Scope: Dịch chuyển đồ thị sang phải sang trái Sử dụng nút ấn dịch chuyển đồ thị sang phải sang trái để mở rộng tầm nhìn đồ thị hướng Khi di chuyển đồ thị không cập nhật * Zoom in/out: cho phép bạn phóng to thu nhỏ quanh điểm đồ thị, phóng to thêm 50% thu nhỏ xuống 1/3 105 * Magnifying Glass: cho phép phóng to phần đồ thị điểm đánh dấu để quan sát chi tiết * Time Scope: chọn thời gian hiển thị đồ thị cách mở rộng drop-down menu, gõ trực tiếp thời gian cần hiển thị vào ô * Selective Time: bên cạnh ta chọn mốc thời gian điểm đồ thị cách tăng hay giảm gía trị thời gian ô ‘selected time’ 3.4.2.5 Đồ thị xu hướng mức nồng độ thùng tuần hoàn V0141 Hình 3.42 Các đặc tính mức thùng tuần hoàn V0141 Chú thích: giá trị mức đặt thùng tuần hoàn V0141 giá trị mức thực thùng tuần hoàn V0141 106 Nhận xét: Từ đồ thị ta thấy: Ban đầu thùng V0141 có sẵn dung dịch axit với chiều cao mức 70% Khi phát lệnh đặt mức 60% hay độ chênh lệch mức 10% mức giảm dần bám theo giá trị đặt Thời gian độ để mức đạt 60% khoảng phút, nên độ điều chỉnh nhỏ, không đáng kể Hình 3.43 Các đặc tính nồng độ axit thùng tuần hoàn V0141 Chú thích: giá trị nồng độ đặt thùng tuần hoàn V0141 giá trị nồng độ thực thùng tuần hoàn V0141 Nhận xét: Từ đồ thị, ta thấy: axit từ tháp hấp thụ T0142, T0143 đưa vào thùng tuần hoàn V0141 nên ban đầu nồng độ axit thùng đạt 98, 8% Khi giá trị đặt nồng độ axit 98,3% nồng độ giảm dần bám theo giá trị đặt Thời gian độ để nồng độ axit đạt 98,3% khoảng 15 phút 107 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Như trình nghiên cứu thực luận văn này, xuất phát từ thực tế cho thấy hệ thống điều khiển vận hành giám sát nhà máy DAP hệ thống tương đối đại có điểm mạnh cần ứng dụng nhiên có tồn hệ thống điều khiển trình sản xuất axit sunfuric nhà máy DAP- Đình Vũ Bằng việc tìm hiểu nghiên cứu cấu tạo thiết bị nguyên lý làm việc đặc thù của thiết bị trình sản xuất axit sunfuric, đưa nguyên nhân tồn đưa số biện pháp khắc phục tồn Giải pháp đưa tiến hành xây dựng hệ thống điều khiển vận hành giám sát cho công đoạn hấp thụ sản xuất axit sunfuric: sử dụng phương pháp điều khiển đại - điều khiển tách kênh mô hệ thống ABB IndustrialIT 800XA Quá trình phân tích lý luận lý thuyết chứng minh mô Matlab Simulink công cụ lập trình hãng ABB Compact HMI 800 giao diện vận hành mô Kiến nghị Cấu trúc phần mềm điều khiển chưa triển khai thực tế Tôi hi vọng tương lai gần nghiên cứu triển khai cách triệt để thực tế để kiểm nghiệm tính đắn lý luận Ngoài phương pháp điều khiển đại – điều khiển tách kênh áp dụng không bó hẹp thùng tuần hoàn V0141 công đoạn hấp thụ, mà áp dụng cho đối tượng có tượng xen kênh trình sản xuất axit sunfuric Nhằm mục đích làm chủ hệ thống điều khiển chủ động vấn đề bảo trì bảo dưỡng xử lý cố 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO Hoàng Minh Sơn (2006), Cơ sở hệ thống điều khiển trình, nhà xuất Bách Khoa Hà Nội, Hà Nội Hoàng Minh Sơn ( 2001), Mạng truyền thông công nghiệp, nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội Hoàng Minh Sơn ( 2009 ), Bài giảng điều khiển trình nâng cao, trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Nguyễn Doãn Phước (2002), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội F.G.Shinskey, Process control system, Application, Design and Tuning, McGraw-hill international editions Douglas J.Cooper (2004), Practical process Control Using Control Station, Contrl station LLC ANSI/ISA-S5.1-1984 (R 1992), Instrumentation Identification, American National Standard, Symbols and PHỤ LỤC Chương trình file DecouplerControlV0141l.m %% DATA step_max = 0.5; T_stop = 5000; R = 1.45; L = 12.6; hmax = 2.9; %Fmax = 160; %m3/h Fmax = 160/3600; %m3/s hw = 0.2*hmax; p1 = 1742; %kg/m3 p2 = 1e3; p3 = 1857; p = 1789; deltahsp = 1; deltaF2 = 1; %% Data of level A = 2*L*sqrt(hw*(2*R-hw)); T = A*hmax/Fmax; Th1 = T*p/p1; Th2 = T*p/p2; Th3 = T*p/p3; % Valve Tv1 = 5; %(s) Kv1 = 1; Km1 = 1; %% Data of concentration F1w = 0.5*Fmax; F2w = F1w; F3w = F1w; x1w = 0.975; xw = 0.97; x3w = 0.985; lamda = xw/x1w; a = p1*F1w +p2*F2w +p3*F3w; %do hw = 20% Vw = L*(pi*R^2/2 - R^2*asin((R-hw)/R) - (R-hw)*sqrt(hw*(2*R-hw))); Tx = p*Vw/a %cac tham so dang phan tram N1 = p1*(-x1w + xw)/a*Fmax; N2 = -p2*xw/a*Fmax; N3 = p3*(x3w - xw)/a*Fmax; N4 = -p1*F1w/a; % Valve CV (concentration) Kv2 = 1; Tv2 = 5; Km2 = 1; %% Decouple D12 = T/Th2; D21 = 0; Ks1 = -Kv1*Km1/T; % Level Controller Kp_h = 1/(2*Ks1*Tv1) Ki_h = 1/(8*Ks1*Tv1^2) Kp_h = abs(Kp_h) Ki_h = abs(Ki_h) %Ki_h = Ki_h/5; %Ki_h = Ki_h/10; %%de giam qua dieu chinh I_h = Kp_h/Ki_h; %Ki_h = Ki_h/5; % Concentration Controller %N = N2 - Th1/Th2*N1 Ks2 = N2*Kv2*Km2 Kp_x = Tv2/(2*Ks2*Tx) Ki_x = 1/(2*Ks2*Tx) Kp_x = abs(Kp_x) Ki_x = abs(Ki_x) %Ki_x = Ki_x*1.7 Kd_x = P = 100/Kp_h %%deltaT= 0.001; deltaT= 2.5; %Ki_h = 1/(8*Ks1*Tv1^2); I %P = deltaT*Kp_h/Ki_h = P/1.2 Px = 100/Kp_x Ix = Kp_x/Ki_x*deltaT deltahsp = 1; deltaxsp = 0.5; deltaF3 = 0.01*Fmax; deltaF4_F= 0.01*Fmax; deltax1 = 0.1; %Chinh dinh tham so bo dieu khien P = P/4 %Ki_h = Ki_h/5 %%de giam qua dieu chinh Chương trình file %%PlotModel %%Chinh dinh bo du lieu N t = 50000; = t(1:N); x_Decoupler = x_Decoupler(1:N); %x = x(1:N); x_sp = x_sp(1:N); h_sp = h_sp(1:N); %h = h(1:N); h_Decoupler = h_Decoupler(1:N); figure subplot(211) % plot(t,x_sp,' r',t,x,' g',t,x_Decoupler,'b','LineWidth',2) plot(t,x_sp,' r',t,x_Decoupler,'b','LineWidth',2) grid on grid on title('concentration: x-sp&x','FontSize',12) xlabel('Time t', 'FontSize',12) legend('x-sp','x-Decoupler') subplot(212) % plot(t,h_sp,' r',t,h,' g',t,h_Decoupler,'b','LineWidth',2) plot(t,h_sp,' r',t,h_Decoupler,'b','LineWidth',2) grid on title('level: h-sp&h','FontSize',12) xlabel('Time t', 'FontSize',12) legend('h-sp','h-Decoupler') if exist('print') ==1, print -depsc p_gnm_nia.eps, end if exist('print') ==1, print -deps p_gnm_nia_sw.eps, end ... DŨNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA CHO CÔNG ĐOẠN SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC CỦA NHÀ MÁY HÓA CHẤT DAP Chuyên ngành : Điều khiển Tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA... phương pháp sản xuất axit sunfuric 17 1.3 .Nghiên cứu tìm hiểu công đoạn sản xuất axit sunfuric nhà máy DAP 21 1.3.1 Công đoạn hóa lỏng lưu huỳnh .21 1.3.2 Công đoạn đốt lưu... tác giả luận văn : TRẦN ANH DŨNG Đề tài luận văn : Nghiên cứu thiết kế hệ thống SCADA cho công đoạn sản xuất axit sunfuric nhà máy hóa chất DAP Chuyên ngành :Điều Khiển Tự Động Hoá Mã số SV :