Nghiên cứu xây dựng hệ SCADA để quản lý và điều khiển hệ cấp nước cho nhà máy xi măng hạ long

Bộ giáo dục đào tạo Trờng đại học bách khoa hà nội Cao thị Mai Phơng Nghiên cứu xây dựng hệ SCADA để quản lý điều khiển hệ cấp nớc cho nhà máy xi măng hạ long Điều khiển Tự động hóa Luận văn thạc sĩ khoa học Điều khiển tự động hóa NGời hớng dẫn khoa học: GS-TS Nguyễn trọng Hà Nội- Năm 2010 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu thực hiện, kết trung thực khách quan Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm kết nghiên cứu ứng dụng đà đợc công bố luân văn Ngời thực Học viên Cao Thị Mai Phơng Mục Lục Trang Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị Mở Đầu Chơng 1- Giới thiệu c«ng nghƯ 1.1.Giíi thiƯu chung .2 1.2.Thut minh c«ng nghƯ 1.2.1.Thut minh hƯ thèng cÊp n−íc s¶n xt, sinh hoạt Nhà máy 1.2.2.Thuyết minh hệ thống xử lý nớc thải Nhà máy 1.2.3 Thut minh hƯ thèng cÊp n−íc s¶n xt, sinh ho¹t Tr¹m nghiỊn phÝa nam 12 1.2.4.Thuyết minh hệ thống xử lý nớc thải Trạm nghiền phía nam 16 Chơng 2- KháI quát hệ SCADA sở WinCC PLC Siemens 22 2.1.Tỉng quan vỊ SCADA 22 2.1.1.Kh¸i niƯm vỊ hƯ SCADA 23 2.1.2.Phân loại SCADA 23 2.1.3.Cấu trúc hệ SCADA .24 2.1.4.Cấu trúc hệ SCADA đại 25 2.1.5.Mô hình phân cấp chức 28 2.1.6.Phần cứng phần mềm SCADA 30 2.1.7.Nguyên tắc hoạt động hệ SCADA 30 2.1.8.Chức nhiệm vụ hệ SCADA 31 2.1.9.Phân quyền quản lý hệ SCADA .33 2.1.10 Tiªu chuÈn đánh giá xây dựng hệ SCADA .33 2.2.Thiết bị phần cứng hệ thống SCADA 34 2.2.1.PLC S7-300 .34 2.2.2.Cáp mạng 39 2.2.3.Máy tính điều khiĨn trung t©m 40 2.3.PhÇn mỊm WinCC .40 2.3.1.Chức Control Center 40 2.3.2.CÊu tróc cđa Contol Center .41 2.3.3.Các thành phần Project Control Center .42 2.4 Giao diƯn m¹ng 44 2.5 Mạng truyền thông Profibus .46 2.5.1 KiÕn tróc giao thøc 46 2.5.2 Profibus DP 47 Chơng 3- Xây dựng hệ SCADA cho hệ thống cấp nớc 54 3.1 Yêu cầu công nghệ 54 3.1.1.Mô tả công nghệ 54 3.1.2.Yêu cầu ®iỊu khiĨn vµ tù ®éng hãa 55 3.2.Xây dựng cấu hình SCADA thiÕt bÞ hƯ .56 3.2.1 CÊu h×nh cÊp n−íc .56 3.2.2.Chọn thiết bị phần cøng 61 3.2.3.Chọn thiết bị phần mềm 64 3.2.4.Mô hình mạng 64 3.2.5.Thiết lập cấu hình phần cứng 65 3.3.Thuật toán điều khiển hÖ 67 3.3.1.Các liệu trạng thái 67 3.3.2.L−u ®å thuËt to¸n 72 3.3.3.Chơng trình điều khiển PLC S7-300 .72 Ch−¬ng 4- Giao diƯn kết nối Wincc thuật toán PID chỉnh định tham số hệ thống 73 4.1.Tạo giao diÖn kÕt nèi b»ng WinCC .73 4.1.1 Giao diện để giám sát điều khiển 73 4.1.2 Các Tags nhóm Tags đà tạo chơng trình 73 4.1.3.Các giao diện cho chơng trình 75 4.2.Thuật toán PID chỉnh định tham số hệ thống 86 4.2.1.Phơng pháp tính toán tham số điều khiển PID thực tế 86 4.2.2.øng dơng bé ®iỊu khiĨn PID cho hƯ thèng cÊp n−íc s¶n xt 90 Kết LuậN Tài liệu tham khảo Phụ lục Phụ lục 1: Các sơ đồ công nghệ Phụ lục 2: Lu đồ thuật toán Phụ lục 3: Chơng trình điều khiển PLC S7-300 Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt PC: (Personal Computer) Máy vi tính cá nhân PLC: (Programable Logic Controller) Bộ điều khiển logic khả trình PROFIBUS: (Process Field Bus) HÖ thèng bus tr−êng RTU: (Remote Terminal Unit) Khối thiết bị đầu cuối SCADA: (Supervisory Control And Data Acquisition) Hệ thống thu thập liệu, giám sát điều khiển trình WINCC: (Windows Control Center) Trung tâm điều khiển chạy Windows HMI (Human Manchine interface) : Giao diƯn ng−êi m¸y PID (proportional-integral-derivative controller) Bé ®iỊu khiĨn tØ lƯ tÝch ph©n TCP/IP( Tranfer control protocol/ Internet protocol) Bộ giao thức liên mạng Z-N-1: Phơng pháp Ziegler-Nichols thứ Z-N-2: Phơng pháp Ziegler-Nichols thứ hai L: Thêi gian trƠ T: H»ng sè thêi gian Kd: HƯ số khuyếch đại tỷ lệ Td: Hằng số thời gian vi ph©n Ti: H»ng sè thêi gian tÝch ph©n Kth: Hệ số khuyếch đại tỷ lệ tới hạn Pth: Chu kỳ dao động : Độ điều chỉnh (%) tqđ: Thời gian độ (s) h: Mức nớc lớn bể (m) Q : Lu lợng dòng chảy (m3/h) P: áp suất (bar) Danh Mục Các bảnG Trang Bảng thông số chất lợng đầu sau xử lý hệ thống xử lý nớc thải- nhà máy Bảng thông số chất lợng đầu sau xử lý hệ thống xử lý nớc thải-Trạm nghiÒn phÝa nam… 17 Bảng tín hiệu từ thiết bị trờng đợc thu thập lên SCADA cấp nớc xử lý nớc thải.61 Bảng liệu trạng thái 67 Bảng 1: Xác định tham số điều khiển PID phơng pháp thứ 88 Bảng 2: Xác định tham số điều khiển PID phơng pháp thứ hai. 89 Danh Mục Các Hình vẽ Trang Hình 2.1.1: Cấu trúc hệ SCADA 24 Hình 2.1.2: Sơ đồ khối hệ SCADA.25 Hình 2.1.3: Cấu trúc hệ SCADA đại25 Hình 2.1.4 Mô hình phân cấp 28 Hình 2.2.1: Chơng trình thực PLC 38 Hình 2.3.2: Mạng giao tiếp gia máy tính PLC 43 Hình 2.4.1: Phạm vi chức thành phần giao diện mạng 44 Hình 2.4.2: Sử dụng CPU tích hợp giao diện Profibus-DP…………………………45 H×nh 2.5.1: KiÕn tróc giao thøc cđa Profibus………………………………………47 H×nh 2.5.2:Giao tiếp trực tiếp trạm tớ.52 Hình 3.2.1: Sơ đồ khối cấu hình cấp nớc Trạm nghiền phía nam……………… 56 H×nh 3.2.2: Modul CPU 315-2DP………………………………………………….62 H×nh 3.2.3: Giao diện ET200M.63 Hình 3.2.4: Thiết lập địa ET200M 64 Hình 3.2.5 Mô hình truyền thông64 Hình 3.2.6: Cấu hình phần cứng67 Hình 4.1.2 Các Tags nhóm tags đà tạo chơng trình.75 Hình 4.1.3: Màn hình đăng nhập hệ thống76 Hình 4.1.4: Thông số hệ thống 77 Hình 4.1.5: Thông tin đăng nhập 77 Hình 4.1.6: Cảnh báo lỗi đăng nhập77 Hình 4.1.7: Màn hình Overview78 Hình 4.1.8: Màn hình hệ thống cấp nớc bổ xung . 79 Hình 4.1.9: Chọn chế độ làm việc Van 79 Hình 4.1.10: Chọn chế độ làm việc Bơm80 Hình 4.1.11: Xác nhận trạng thái làm việc Van Bơm chọn chế độ tay80 Hình 4.1.12: Màn hình hệ thống cấp nớc sản xuất làm mát nớc thu hồi từ sản xuất 82 Hình 4.1.13: Màn hình hệ thống cấp nớc sinh hoạt cứu hỏa 83 Hình 4.1.14: Màn hình hệ thống lọc nớc84 Hình 4.1.15: Màn hình hệ thống xử lý nớc thải 85 Hình 4.1.16: Màn hình thông báo.86 Hình 4.2.1 Sơ đồ khối điều khiển PID đối tợng.86 Hình 4.2.2.Đờng cong với độ điều chỉnh 25% tín hiệu vào hàm nhảy cấp 87 Hình 4.2.3 Đáp ứng đối tợng tín hiệu vào bớc nhảy87 Hình 4.2.4: Đặc tính thực nghiệm để xác định L T 88 Hình 4.2.5: Sơ đồ khối ®iỊu chØnh chØ dïng lµ tØ lƯ víi hƯ sè KP đối tợng 89 Hình 4.2.6: Dao động điều hòa với chu kỳ dao động Pth 89 Hình 4.2.7: Sơ đồ nguyên lý hệ thống cấp nớc sản xuất 90 Hình 4.2.8: Sơ đồ hệ thống cấp n−íc s¶n xt bá qua hƯ thèng läc n−íc…90 Hình 4.2.9: Sơ đồ khối điều khiển PID cho Van 91 Hình 4.2.10: Đáp ứng hệ thống K p = 12 , Ti = 0.993 5, Td= 0.2484 93 Hình 4.2.11: Đáp ứng hệ thống K p = 12 , Ti = 2.2675 , Td = 0.7692 94 Hình 4.2.12: Đáp ứng hÖ thèng K p = 12 , Ti1 = 2.2675 , Td = 0.3482 95 Hình 4.2.13: Đáp øng cđa hƯ thèng K p = 12 , Ti = 0.9825 , Td = 0.7692 ……….96 Hình 4.2.14: Đáp ứng hệ thống K p = 12 , Ti = 0.9825 , Td = 0.3482 .97 mở đầu SCADA tên viết tắt từ tiếng Anh (Supervisory Control And Data Acquisition) đợc hiểu theo nghĩa hệ thống giám sát, điều khiển thu thập liệu thông qua thiết bị kỹ thuật phầm mềm ứng dụng Ngày SCADA đợc ứng dụng rộng rÃi nghành công nghiệp khác nh: lợng, thuỷ lợi, khai thác tài nguyên, khoáng sản, dự báo thời tiết, khí hậu Đề tài nghiên cứu ứng dụng SCADA đề tài không mới, nhiên việc thiết kế ứng dụng đợc hệ SCADA vào thực tế nớc ta lại đợc nhiều ngời quan tâm, đặc biệt sở sản xuất lớn đòi hỏi việc nâng cao mức độ tự động hóa nhằm nâng cao suất,tiết kiệm lợng hiệu kinh tế Hớng đề tài Nghiên cứu xây dựng hệ SCADA để quản lý điều khiển hệ cấp nớc cho nhà máy xi măng Hạ Long nhằm đáp ứng yêu cầu SCADA đợc đời vào năm 1980 sở ứng dụng kỹ thuật tin học, mạng máy tính truyền thông công nghiệp Cùng với phát triển công nghiệp SCADA ngày đợc thiết kế đại, linh hoạt có tính mở rộng hơn, SCADA đà thực trở thành phần thiếu đợc ngành công nghiệp tiên tiến Ơ Việt Nam SCADA dần đợc ứng dụng rộng rÃi nh quản lý điện năng, thuỷ lợi, nhà thông minh Mặt khác việc ứng dụng SCADA để quản lý hệ thống điều khiển cũ hay tích hợp dây truyền sản xuất cũ cha có điều kiện ®Ĩ thay thÕ míi hoµn toµn cịng lµ viƯc hÕt sức quan trọng giai đoạn phát triển đất nớc Mục đích để tài nghiên cứu ứng dụng hệ SCADA để nâng cấp hệ điều khiển tự động hóa hệ thống cấp nớc cho nhà máy xi măng Hạ Long-Quảng Ninh Từ xây dựng mạng SCADA thuật toán điều chỉnh nhằm nâng cao độ tin cậy,chất lợng cấp nớc tiết kiệm lợng cho nhà máy Đóng góp tác giả đà dựa thực tiễn công nghệ để xây dựng đợc hệ SCADA cho đối tợng cụ thể kết mô pháng lý thut ,thiÕt kÕ giao diƯn trªn nỊn WinCC góp phần cho việc khai thác, vận hành hệ thống sau này.Tạo định hớng ứng dụng công cụ tự động hóa đại vào sản xuất nớc ta.Tuy kết đạt đợc bớc đầu FB2 Begin Chọn chế độ làm viêc (MODE) Chế độ tay (MAN) Chế ®é tù ®éng (AUTO) MAN_OP KiÓm tra më van (AUT_LI) Më van §ãng van END FB1 Begin Chọn chế độ làm viêc (MODE) Chế độ b»ng tay (MAN) ChÕ ®é tù ®éng (AUTO) MAN_OP Kiểm tra khởi động bơm(AUT_LI) Kiểm tra LOCK=0 Đ S Dừng bơm Chạy bơm END PHụ lục 3: chơng trình điều khiển ... cầu điều khiển tự động hóa hệ thống,thiết kế phân tích hệ thống qua kết mô máy tính nhằm xây dựng hệ thống SCADA để quản lý điều khiển hệ cấp nớc cho nhà máy xi măng Hạ Long mà cụ thể hệ thống cấp. .. nớc Mục đích để tài nghiên cứu ứng dụng hệ SCADA để nâng cấp hệ điều khiển tự động hóa hệ thống cấp nớc cho nhà máy xi măng Hạ Long- Quảng Ninh Từ xây dựng mạng SCADA thuật toán điều chỉnh nhằm... tài Nghiên cứu xây dựng hệ SCADA để quản lý điều khiển hệ cấp nớc cho nhà máy xi măng Hạ Long nhằm đáp ứng yêu cầu SCADA đợc đời vào năm 1980 sở ứng dụng kỹ thuật tin học, mạng máy tính truyền