Xây dựng hệ điều khiển giám sát SCADA – hệ thống tự động hóa dây chuyền sản xuất cồn chất lượng cao

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM MẠNH TOÀN XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT SCADA – HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT CỒN CHẤT LƢỢNG CAO LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐINH VĂN NHÃ Hà Nội – Năm 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tập luận văn Thạc sĩ tự thực hướng dẫn khoa học PGS.TS Đinh Văn Nhã, số liệu hoàn toàn trung thực, rõ ràng có nguồn gốc trích dẫn Để hoàn thành tập luận văn này, sử dụng tài liệu tham khảo ghi mục tài liệu tham khảo, không sử dụng tài liệu tham khảo khác mà không liệt kê phần tài liệu tham khảo Học viên Phạm Mạnh Toàn LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Đinh Văn Nhã cung cấp tài liệu, hướng dẫn khoa học giúp đỡ suốt trình nghiên cứu viết luận văn Tôi xin cảm ơn anh/chị đồng nghiệp Công ty Cổ phần Cơ – Điện – Môi trường LILAMA (LILAMA EME), Công ty Cổ phần Rượu Sản phẩm tự nhiên cung cấp vẽ, hồ sơ kỹ thuật liên quan tới nhà máy sản xuất sản phẩm Rượu – Cồn chất lượng cao Tôi xin cảm ơn tới Viện Kỹ thuật Hóa học – Trường ĐHBK Hà Nội tạo điều kiện giúp đỡ làm thí nghiệm chưng cất điều khiển trình chưng cất Rượu – Cồn xưởng thực hành Viện Học viên Phạm Mạnh Toàn MỤC LỤC Lời cam đoan Lời cảm ơn Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục hình vẽ, đồ thị Mở đầu CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN 1.1 Cồn ứng dụng cồn 1.1.1 Cồn gì? .1 1.1.2 Những ứng dụng cồn .1 1.2 Tổng quan công nghệ sản xuất cồn .2 1.2.1 Nguyên liệu sản xuất cồn nước ta .4 1.2.2 Nghiền nguyên liệu 1.2.3 Nấu nguyên liệu 1.2.3.1 Nấu gián đoạn 1.2.3.2 Nấu bán liên tục .6 1.2.3.3 Nấu liên tục 1.2.4 Đường hóa 10 1.2.4.1 Đường hóa liên tục .10 1.2.4.2 Đường hóa gián đoạn 11 1.2.5 Lên men dịch đường 12 1.2.5.1 Lên men gián đoạn 12 1.2.5.2 Lên men liên tục 13 1.2.5.3 Lên men cải tiến - liên tục 14 1.3 Chưng cất tinh chế cồn 15 1.3.1 Chưng cất 15 1.3.2 Tinh chế cồn .17 1.3.3 Sơ đồ thiết bị tiến hành chưng cất, tinh chế cồn 19 1.3.3.1 Chưng luyện bán liên tục 20 1.3.3.2 Chưng luyện liên tục 21 Sơ đồ chưng luyện liên tục tháp: Sơ đồ thực Công ty cổ phần Rượu Đồng Xuân – Phú Thọ Hệ thống cho phép nhận 70 ÷ 80% cồn loại I theo TCVN – 71; 20 ÷ 30% cồn loại II ÷ 5% cồn đầu 22 Sơ đồ chưng luyện để nhận cồn tuyệt đối: .26 1.4 Đánh giá chất lượng cồn lưu kho 28 1.4.1 Đánh giá chất lượng cồn 28 1.4.2 Lưu kho 29 1.4 Sản xuất cồn theo công nghệ Pháp 30 1.4.1 Giới thiệu chung .30 1.4.2 Tổng quan công nghệ 31 1.4.2.1 Xay nghiền làm nguyên liệu 31 1.4.2.2 Hệ nấu 33 1.4.2.3 Hệ lên men liên tục 36 1.4.2.4 Công đoạn chưng cất 36 CHƢƠNG 2: CÔNG ĐOẠN LÊN MEN 37 2.1 Công nghệ công đoạn lên men liên tục – Công ty rượu Bình Tây 37 2.1.1 Khảo sát công nghệ 37 2.1.2 Các thiết bị sử dụng cho công đoạn lên men .39 2.1.3 Thiết kế điện cho công đoạn lên men 44 2.1.3.1 Mạch nguồn điều khiển 45 2.1.3.2 Sơ đồ mạch điện điều khiển nhiệt độ 46 2.1.3.3 Sơ đồ mạch điện đèn báo .47 2.1.3.4 Sơ đồ mạch điện điều khiển động bơm 48 2.1.3.5 Sơ đồ mạch động lực động bơm .49 2.1.3.6 Sơ đồ mạch điện điều khiển động cánh khuấy .50 2.1.3.7 Sơ đồ mạch động lực động cánh khuấy 51 2.1.3.8 Sơ đồ mạch điện điều khiển động bơm P411÷P415 52 2.1.3.9 Sơ đồ mạch động lực động bơm P411÷P415 53 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO CÔNG ĐOẠN LÊN MEN 54 3.1 Lựa chọn giải pháp điều khiển 54 3.1.1 Điều khiển tập trung 54 3.1.1.1 Cấu trúc điều khiển tập trung với vào/ra tập trung 54 3.1.1.2 Cấu trúc điều khiển tập trung với vào/ra phân tán sử dụng Bus trường 56 3.1.2 Điều khiển phân tán 57 3.1.2.1 Cấu trúc điều khiển phân tán với vào/ra tập trung .57 3.1.2.2 Cấu trúc điều khiển phân tán với vào/ra phân tán sử dụng Bus trường 58 3.1.2.3 Cấu hình hệ điều khiển phân tán 60 3.1.3 Hệ thống điều khiển dây chuyền sản xuất cồn tinh bột chất lượng cao nhà máy Rượu – Cồn Bình Tây 60 3.1.3.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển 60 3.1.3.2 Hệ thống điều khiển phân cấp dây chuyền sản xuất cồn tinh bột 61 3.1.3.3 Sơ đồ hệ thống điều khiển toàn dây chuyền sản xuất cồn tinh bột 62 3.1.3.4 Vấn đề truyền thông .63 3.1.3.5 Vấn đề dự phòng 64 3.1.4 Mô hình điều khiển công đoạn lên men .65 3.1.4.1 Cấp trường 66 3.1.4.2 Cấp điều khiển .66 3.1.4.3 Cấp điều khiển giám sát .67 3.2 PLC ứng dụng .67 3.2.1 Tổng quan PLC .67 3.2.2 Thông số kỹ thuật PLC S7-300, CPU315-2DP 69 3.2.3 Phần mềm lập trình 70 3.2.4 Phương pháp lập trình 70 3.2.5 Các thiết bị quan trọng khác hệ thống điều khiển 72 3.2.5.1 Module nguồn nuôi PS307-230VAC 72 3.2.5.2 Màn hình giao diện người – máy KTP600 72 3.2.5.3 Kết nối Bus cable quang .72 3.2.5.4 Module I/O mở rộng với ET200M 72 3.2.6 Địa vào/ra PLC 73 3.3 Kết nối PLC với thiết bị ngoại vi .78 3.3.1 Kết nối đầu vào PLC với thiết bị ngoại vi 78 3.3.2 Kết nối đầu PLC với thiết bị ngoại vi 81 3.4 Thiết kế thuật toán điều khiển cho công đoạn lên men 84 3.4.1 Nhiệm vụ điều khiển PLC 84 3.4.2 Thiết kế lưu đồ thuật toán điều khiển cho thiết bị .85 3.4.2.1 Lưu đồ điều khiển cho nhóm bơm hồi lưu nhóm động cánh khuấy 85 3.4.2.2 Lưu đồ điều khiển nhóm bơm P310 P402A 88 3.4.2.3 Lưu đồ điều khiển bơm P421A bơm sản phẩm chưng cất 89 3.4.2.4 Lưu đồ điều khiển bơm P403 – bơm hồi lưu tháp lọc CO2 .90 3.4.2.5 Lưu đồ điều khiển nhóm bơm P421B – chế độ lên men theo mẻ 91 3.4.2.5 Lưu đồ điều khiển thiết bị chế độ tay 93 CHƢƠNG 4: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT SCADA CHO CÔNG ĐOẠN LÊN MEN 94 4.1 Hệ thống điều khiển giám sát SCADA 94 4.1.1 Khái niệm 94 4.1.2 Phân loại hệ thống SCADA .94 4.1.3 Đánh giá hệ SCADA 95 4.1.4 Các ứng dụng hệ thống SCADA 96 4.2 Cấu trúc hệ thống SCADA .96 4.2.1 MTU (Master Terminal Unit) 96 4.2.2 RTU (Remote Terminal Unit) 97 4.2.3 Khối truyền thông .97 4.3 Hệ thống SCADA đại .97 4.3.1 Cấu trúc hệ thống 98 4.3.2 Các đặc tính hệ thống 99 4.3.3 Đặc điểm giao tiếp người máy (HMI) 100 4.4 Mạng SIMATIC .100 4.4.1 Mạng (Subnet) 100 4.4.2 Các ứng dụng Subnet .100 4.4.3 Các subnet SIMATIC 102 4.5 Phần mềm WinCC 103 4.5.1 Tổng quan WinCC .103 4.5.2 Cấu hình WinCC 7.0 .103 4.5.3 WinCC Explorer .104 4.5.4 Các thành phần project WinCC 104 4.6 Hệ thống SCADA cho công đoạn lên men 105 4.6.1 Phân tích nhiệm vụ xây dựng hệ SCADA 105 4.6.2 Cấu hình truyền thông .105 4.6.2.1 Tạo hình ảnh thiết lập thuộc tính 105 4.6.2.2 Truyền thông máy tính giám sát với PLC 106 4.6.2.3 Truyền thông PLC với module vào/ra .107 4.6.3 Thiết kế phần mềm điều khiển giám sát SCADA 108 4.6.3.1 Cơ sở thiết kế phần mềm giao diện người – máy 108 4.6.3.1 Giới thiệu giao diện người – máy 109 Giao diện người – máy tổ chức thành nhiều hình theo kiểu phân cấp, hình trang chủ, hình công đoạn lên men hình phụ 109 KẾT LUẬN 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO 114 CHƢƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CÔNG ĐOẠN LÊN MEN 115 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT TT Viết tắt Diễn dải tiếng Anh Diễn dải tiếng Việt CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm DCS Distributed Control System Hệ thống điều khiển phân tán HMI Human Machine Interface Màn hình giao diện người máy MPI Multi Point Interface Giao thức đa điểm MTU Master Terminal Unit Bộ MTU PC Personal Conputer Máy vi tính PID Proportional Integral Derivative Bộ điều khiển Tỉ lệ - Tích phân – Vi phân (bộ điều khiển PID) PLC Programmable Logic Controller Bộ điều khiển khả trình RTU Remote Terminal Unit Bộ RTU 10 SCADA Supervisory Control And Data Hệ điều khiển giám sát thu Acquisition thập liệu 11 SP Set Point Giá trị đặt 12 TC Temperature Controller Bộ điều khiển nhiệt độ 13 TCP/IP Transmission Control Giao thức TCP/IP Protocol/Internet Protocol Tiêu chuẩn quốc gia Việt Nam 14 TCVN 15 VDU Video Display Unit Khối hiển thị hình ảnh 16 WinCC Windows Control Center Cửa sổ điều khiển trung tâm DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 – Quan hệ áp suất, nhiệt độ nồng độ rượu 17 Bảng 1.2 – Hệ số bay rượu tạp chất rượu 18 Bảng 1.3 – Phân loại cồn theo Liên Xô (cũ) .28 Bảng 1.4 – Phân loại cồn theo TCVN – 1052 – 71 29 Bảng 2.1 – Bảng nhiệt độ cho phép tank lên men 37 Bảng 2.2 – Các thiết bị kim loại 39 Bảng 2.3 – Các thiết bị hóa chất .40 Bảng 2.4 – Các thiết bị đo cho công đoạn lên men 41 Bảng 2.5 – Các thiết bị động lực cho công đoạn lên men 44 Bảng 3.1 – Bảng địa vào/ra PLC 73 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Phạm Mạnh Toàn HVTH: Phạm Mạnh Toàn -125- Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Phạm Mạnh Toàn HVTH: Phạm Mạnh Toàn -126- Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Phạm Mạnh Toàn HVTH: Phạm Mạnh Toàn -127- Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Phạm Mạnh Toàn HVTH: Phạm Mạnh Toàn -128- Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Phạm Mạnh Toàn HVTH: Phạm Mạnh Toàn -129- Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Phạm Mạnh Toàn HVTH: Phạm Mạnh Toàn -130- Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Phạm Mạnh Toàn HVTH: Phạm Mạnh Toàn -131- Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Phạm Mạnh Toàn HVTH: Phạm Mạnh Toàn -132- Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Phạm Mạnh Toàn HVTH: Phạm Mạnh Toàn -133- Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Phạm Mạnh Toàn HVTH: Phạm Mạnh Toàn -134- Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Phạm Mạnh Toàn HVTH: Phạm Mạnh Toàn -135- Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Phạm Mạnh Toàn HVTH: Phạm Mạnh Toàn -136- Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Phạm Mạnh Toàn HVTH: Phạm Mạnh Toàn -137- Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Phạm Mạnh Toàn HVTH: Phạm Mạnh Toàn -138- Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Phạm Mạnh Toàn HVTH: Phạm Mạnh Toàn -139- ... Cấu hình hệ điều khiển phân tán 60 3.1.3 Hệ thống điều khiển dây chuyền sản xuất cồn tinh bột chất lượng cao nhà máy Rượu – Cồn Bình Tây 60 3.1.3.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển ... thiết mà thực tế đặt Chính lý nên định chọn đề tài: Xây dựng hệ điều khiển giám sát SCADA – Hệ thống tự động hóa dây chuyền sản xuất cồn chất lƣợng cao” cho luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Tập luận... 3.4 – Cấu trúc điều khiển phân tán với vào/ra phân tán 59 Hình 3.5 – Cấu hình hệ điều khiển phân tán 60 Hình 3.6 – Sơ đồ hệ thống điều khiển toàn dây chuyền sản xuất cồn 62 Hình 3.7 –