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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - ĐỖ THỊ LY Họ tên tác giả luận văn Đỗ Thị Ly ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN “Nghiên cứu thiết kế hệ thống SCADA cho công đoạn sản xuất DAP nhà máy hóa chất” LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA 2012B Hà Nội – Năm 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - - ĐỖ THỊ LY NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA CHO CÔNG ĐOẠN SẢN XUẤT DAP CỦA NHÀ MÁY HÓA CHẤT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA HÀ NỘI – 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - - ĐỖ THỊ LY NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA CHO CÔNG ĐOẠN SẢN XUẤT DAP CỦA NHÀ MÁY HÓA CHẤT 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 – 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp tự hoàn thành sự hướng dẫn thầy giáo TS 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 Đỗ Thị Ly MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT DAP 10 1.1.Sơ lược nhà máy DAP Đình Vũ 10 1.2 Công nghệ sản xuất DAP 11 1.2.1.Giai đoạn vận chuyển axit 12 1.2.2 Giai đoạn trung hòa 14 1.2.3 Giai đoạn tạo hạt .18 1.2.4 Quá trình tháp rửa 21 1.2.5.Vị trí vật liêu rắn 29 CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG SCADA CỦA ABB 31 2.2 Tổng quan hệ IndustrialIT 800xAcủa ABB 33 2.2.1 Tổng quan IndustrialIT 33 2.2.2 Giới thiệu chung AC 800M .36 2.2.3 Giới thiệu PM8xx/TP830 Processor Unit 37 2.2.4 Giới thiệu đơn vị xử lý PM861/PM864/PM865/TP830 – Redundancy .40 2.2.5 AC 800M High Integrity 41 2.2.6 Phần mềm điều khiển - Control Software .42 2.2.7 AC 800M Controller – Key Feature .43 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT CHO CÔNG ĐOẠNTẠO HẠT 45 3.1 Xây dựng cấu hình điều khiển công đoạn tạo hạt – nhà máy sản xuất DAP 45 3.1.1 Lựa chọn cấu hình điều khiển tổng quan 45 3.1.2 Thiết kế cấu hình điều khiển giám sát thiết bị công đoạn tạo hạt 49 3.2 Thiết kế chương trình điều khiển công đoạn tạo hạt 53 3.2.1.Phân tích đối tượng điều khiển công đoạn trộn axit H3PO4 thùng V0302 53 3.2.2 Các trình cân thùng V0302 53 3.2.3 Tổng quan phương pháp điều khiển tách kênh .64 3.2.4 Ứng dụng tách kênh toàn phần 69 3.3 Thiết kế giao diện vận hành, điều khiển, giám sát công đoạn tạo hạt .74 3.3.1 Lập trình với phần mềm compact control builder 75 3.3.2 Lập trình giao diện vận hành, điều khiển, giám sát 78 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 89 Kết luận 89 Kiến nghị 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO .90 PHỤ LỤC 91 DANH MỤC VIẾT TẮT SCADA : Supevisory Control and Data Acquisition RGA : Relative Gain Array HMI : Human Machine Interface SCM : Single Control Module DCS : Distributed Control System PLC : Programmable Logic Controller CDC : Compact Digital Controller DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Đặc tính kỹ thuật thiết bị chính giai đoạn vận chuyển axit 13 Bảng 1.2 Đặc tính kỹ thuật thiết bị chính giai đoạn trung hòa 17 Bảng 1.3 Đặc tính kỹ thuật thiết bị chính giai đoạn tạo hạt .19 Bảng Đặc tính kỹ thuật thiết bị chính giai đoạn vận chuyển axit .21 Bảng 1.5 Đặc tính kỹ thuật thiết bị chính giai đoạn tháp rửa .25 Bảng 1.6 Các thông số vận hành trình tháp rửa 28 Bảng 3.1 Thiết bị phần cứng ABB 52 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ sản xuất DAP 11 Hình 2.1: Cấu trúc hệ SCADA 33 Hình 2.2.1: Chức IndustrialIT .35 Hình 2.2.2 Ví dụ AC800M Controller đơn vị S800 I/O 37 Hình 2.2.3.a: Giãn đồ khối chức PM856/PM860 38 Hình 2.2.3.b: Sự kết nối bên AC 800M/S800 I/Otrong cấu hình CPU đơn 39 Hình 2.2.3.c: Ví dụ sự kết nối AC 800M đơn vị I/O dựa vào FOUNDATION Fieldbus High Speed Ethernet (FF HSE) .40 Hình 3.1 Cấu hình điều khiển công đoạn tạo hạt .47 Hình 3.2 Sơ đồ khối công đoạn tạo hạt 49 Hình 3.3 Lưu đồ P P&ID thùng V0302 50 Hình 3.4 Lưu đồ P&ID trống tạo hạt .51 Hình 3.5 Sơ đồ đấu nối hệ điều khiển 52 Hình 3.6 Sơ đồ công nghệ công đoạn tạo hạt 53 Hình 3.7 Sơ đồ thùng V0302 54 Hình 3.8 Các biến trình thùng V0302 54 Hình 3.9 Sơ đồ khối mô hình thùng V0302 59 Hình 3.10 Cấu trúc điều khiển phi tập trung cho trình 2×2 61 Hình 3.11 Sơ đồ tách kênh SVD 64 Hình 3.12 Mô hình tách kênh phản hồi trạng thái 64 Hình 3.13 Sơ đồ tổng quát tách kênh truyền thẳng 65 Hình 3.14 Sơ đồ tách kênh phần 66 Hình 3.15 Sơ đồ tách kênh toàn phần 66 Hình 3.16 Sơ đồ tách kênh toàn phần - tổng quát 67 Hình 3.17 Cấu trúc điều khiển thùng V0302 69 Hình 3.18 Mạch vòng điều chỉnh mức thùng V0302 với phương pháp tách kênh 70 Hình 3.19 Mạch vòng điều chỉnh nồng độ thùng V0302 với phương pháp tách kênh 71 Hình 3.20 Mô hình DecouplerControl.mdl 73 Hình 3.21 Đáp ứng nồng độ mức với phương pháp điều khiển tách kênh 74 Hình 3.22 Thư viện Compact Control Builder 75 Hình 3.23 Lập trình mô hình thùng tuần hoàn V0302 .75 Hình 3.24 Lập trình điều khiển tách kênh 76 Hình 3.25 Lập trình điều khiển mức LIC-3117 76 Hình 3.26 Lập trình điều khiển mức AIC – 3100 77 Hình 3.27 Màn hình giao diện tổng quan toàn nhà máy 78 Hình 3.28.Màn hình giao diện vận hành công đoạn tạo hạt .79 Hình 3.29.Màn hình giao diện vận hành công đoạn tạo hạt – trống tạo hạt .79 Hình 3.30 Faceplate điều khiển nồng độ 80 Hình 3.31 Faceplate điều khiển mức 80 Hình 3.32 Đồ thị xu hướng 81 Hình 3.33 Thanh công cụ đồ thị xu hướng 82 Hình 3.34 Các đặc tính mức axit phôtphoric thùng tuần hoàn V0302 84 Hình 3.35 Các đặc tính nồng độ axit phôtphoric thùng tuần hoàn V0302 85 Hình 3.36 Log Configuration 86 Hình 3.37 Hộp thoại xem liệu lịch sử 87 Hình 3.38 Hộp thoại xuất liệu lịch sử 88 3.3.2.2.Faceplate điều khiển Hình 3.30 Faceplate điều khiển nồng độ Hình 3.31 Faceplate điều khiển mức 80 3.3.2.3 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 3.32 Đồ thị xu hướng 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 nước muối * Property: giá trị điện áp ngăn * Log : chọn kiểu sau: 81 + 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: Hình 3.33 Thanh công cụ đồ thị xu hướng Thanh công cụ gồm công cụ sau: * Save Configuration: nút ấn Save cho phép thiết lập trend có sự thay đổi * Cancel Changes: huỷ bỏ tất sự thay đổi chưa lưu Chú ý tất thay đổi lưu * 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 82 * Show/Hide Table: làm Trend Table xuất biến * Block/ Unblock: bật tắt việc cập nhật liệu * 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 * 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’ 3.3.2.4 Đồ thị xu hướng mức nồng độ thùng V0302 Trên hình giao diện vận hành, kích vào biểu tượng để xem đặc tính nồng độ axit phôtphoric Kích vào biểu tượng để xem đặc tính mức axit phôtphoric 83 Hình 3.34 Các đặc tính mức axit phôtphoric thùng tuần hoàn V0302 Chú thích: giá trị mức đặt thùng tuần hoàn V0302 giá trị mức thực thùng V0302 Nhận xét: Từ đồ thị ta thấy: Ban đầu thùng V0302 có sẵn dung dịch axit với chiều cao mức 50% Khi phát lệnh đặt mức 70% hay độ chênh lệch mức 20% mức tăng dần bám theo giá trị đặt Thời gian độ để mức đạt 70% khoảng 12 phút, nên độ điều chỉnh nhỏ, không đáng kể 84 Hình 3.35 Các đặc tính nồng độ axit phôtphoric thùng V0302 Chú thích: giá trị nồng độ đặt thùng V0302 giá trị nồng độ thực thùng V0302 Nhận xét: Từ đồ thị, ta thấy: axit đưa tới axit 75 % Khi giá trị đặt nồng độ axit 66,8% nồng độ giảm dần bám theo giá trị đặt Thời gian độ để nồng độ axit đạt 66,8% khoảng 10 phút Khi giá trị đặt mức axit thay đổi giá trị mức bám theo giá trị đặt Khi đáp ứng nồng độ axit không thay đổi Điều chứng tỏ điều khiển tách kênh mạch vòng điều khiển hoạt động tốt 85 3.3.2.5.Truy cập giá trị lịch sử * Log Configuration thiết lập ghi liệu lịch sử - log Trên hình giao diện vận hành, kích vào biểu tượng để thiết lập LOG xem liệu lịch sử giá trị nồng độ axit phôtphoric Kích vào biểu tượng để thiết lập LOG xem liệu lịch sử giá trị mức axit phôtphoric 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 3.36 Log Configuration 86 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”: - 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 Hình 3.37 Hộp thoại xem liệu lịch sử * 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” 87 - Export Data to File: Lưu liệu vào file Dữ liệu xuất dạng exel sử dụng cho phân tích khác - 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 3.38 Hộp thoại xuất liệu lịch sử Người vận hành thiết lập LOG khác theo yêu cầu theo dõi phân tích liệu 88 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 DAP nhà máy DAPĐình Vũ Bằng việc tìm hiểu nghiên cứu cấu tạo thiết bị nguyên lý làm việc đặc thù của thiết bị trình sản xuất DAP, cụ thể công đoạn trộn axits phốtphoric, 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 trộn axit H3PO4 : 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 chứa phản ứng ống V0302 công đoạn tạo hạt, mà áp dụng cho đối tượng có tượng xen kênh trình sản xuất DAP Nhằm mục đích làm chủ hệ thống điều khiển chủ động vấn đề bảo trì bảo dưỡng xử lý sự cố 89 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 DecouplerControlV0302.m %% DATA step_max = 0.5; T_stop = 5000; R %L = 1.25; = 14.5; hmax = 3.5; %Fmax = 160; %m3/h Fmax = 160/3600; %m3/s hw = 0.5*hmax; p1 = 1870; %kg/m3 p2 = 1650; p3 = 1010; p = 1798; %% Data of level A = 3.14*R*R; 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 = 0.9; x2w = 0.11; x3w = 0.0; xw = 0.67 lamda = xw/x1w; a = p1*F1w +p2*F2w +p3*F3w; K1 = p1*(x1w -xw)/a; K2 = -p*xw/a; %do hw = 20% Vw = A*hw; Tx = p*Vw/a K1 = p1*(x1w - xw)/a; K2 = -p2*xw/a; K3 = p3*(x3w - xw)/a; K4 = p1*F1w/a; K5 = p2*F2w/a; %cac tham so dang phan tram N1 = K1*Fmax; N2 = K2*Fmax; N3 = K3*Fmax; N4 = K4; N5 = K5; % Valve CV (concentration) Kv2 = 1; Tv2 = 5; Km2 = 1; %% Decouple D12 = -Th1/Th2; D21 = -N1/N2; Th = N2*Th1*Th2/(N2*Th2 - N1*Th1); Ks1 = Kv1*Km1/Th; % Level Controller Kp_h = 1/(2*Ks1*Tv1); Ki_h = 1/(8*Ks1*Tv1^2); Ki_h = Ki_h/2; %Ki_h = Ki_h/5 %%de giam qua dieu chinh I_h = Kp_h/Ki_h; %Ki_h = Ki_h/5; % Concentration Controller N = N2 - Th1/Th2*N1 Ks2 = N*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.m %%PlotModel %%Chinh dinh bo du lieu N = 50000; t = 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_Decoupler,'b','LineWidth',2) % plot(t,x_sp,' r',t,x_Decoupler,'b','LineWidth',2) grid on grid on title('concentration: x','FontSize',12) xlabel('Time t', 'FontSize',12) legend('x-sp','x-Decoupler') subplot(212) plot(t,h_sp,' r',t,h_Decoupler,'b','LineWidth',2) grid on title('level: 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 ... H THNG SCADA CHO CễNG ON SN XUT DAP CA NH MY HểA CHT LUN VN THC S K THUT IU KHIN V T NG HểA H NI 2015 B GIO DC V O TO TRNG I HC BCH KHOA H NI - - TH LY NGHIấN CU THIT K H THNG SCADA CHO CễNG... kờ h thụng SCADA cho cụng on sn xut DAP ca nh mỏy húa cht Mc ich nghiờn cu ca lun nhm nõng cao cht lng h iu khin, t ú nõng cao cht lng sn phm ca cụng on sn xut DAP Cht lng sn phm DAP c quyờt... ụng V0302 ca phõn xng DAP Nghiờn cu v xõy dng thnh cụng h thụng iu khin v giỏm sỏt, thu thp d liu bng SCADA cho quỏ trỡnh sn xut DAP ca nh mỏy húa cht, s em li nhiu li ich cho nh mỏy nh: - Gim