Hệ thống điều khiển tự động DCS trong nhà máy sản xuất khí công nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - - TNG KIM THANH NGHIÊN CứU ảNH HƯởng số thông số chế độ làm việc dao đĩa đến chất lợng cắt gốc mía máy chặt mía rải hàng liên hợp với máy kéo bánh cỡ 18-25hp Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành : Kỹ thuật máy Thiết bị giới hoá Nông - Lâm nghiệp MÃ số : 60-52-14 Người hướng dẫn khoa học: TS Ngun Sü HiƯt HÀ NỘI - 2010 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận văn cao học sản phẩm tơi viết ra, hướng dẫn thầy giáo PGS.TS Võ Minh Chính Để hồn thành luận văn này, sử dụng tài liệu ghi bảng tài liệu tham khảo mà không sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép, tơi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Học viên Tống Kim Thanh LỜI NÓI ĐẦU Hiện hệ thống điều khiển phân tán nói chung hệ thống điều khiển CENTUM CS 3000 hãng Yokogawa nói riêng trở nên phổ biến nhà máy đại giới, nước ta, ứng dụng chúng cịn hạn chế Có thể nói việc xây dựng nhà máy sử dụng hệ thống điều khiển đại điểm nhấn công cơng nghiệp hố, đại hố đất nước Ở nước ta có số nhà máy sử dụng hệ thống điều khiển hãng Yokogawa nhà máy sản xuất Super-phốt phát hoá chất Lâm Thao, nhà máy nhiệt điện Phả Lại, nhà máy xeo - cơng ty giấy Bãi Bằng… Nhà máy khí cơng nghiệp Messer Hải Dương nhà máy đại, có yêu cầu cao hệ thống đo lường điều khiển, nên việc sử dụng hệ thống điều khiển thích hợp có vai trị quan trọng Luận văn thực việc nghiên cứu hệ thống DCS ứng dụng nhà máy khí Messer Hải Dương với nội dung sau: Chương 1: Tổng quan hệ thống điều khiển phân tán Chương trình bày vấn đề hệ thống điều khiển giám sát cấu trúc, thành phần,… thành phần, giải pháp, vấn đề kỹ thuật hệ thống điều khiển phân tán Chương 2: Dây chuyền cơng nghệ nhà máy khí cơng nghiệp Messer Hải Dương Chương đề cập đến quy trình cơng nghệ nhà máy, bao gồm: quy trình tách khí, quy trình hóa lỏng, quy trình cung cấp sản phẩm Chương 3: Hệ thống DCS CENTUM CS3000 hãng Yokogawa Chương nêu đặc điểm bật hệ thống CS3000 phần cứng phần mềm Chương 4: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống DCS CENTUM CS3000 vào nhà máy khí cơng nghiệp Messer Hải Dương, lựa chọn cấu trúc phần cứng, đồng thời nêu trình tự lập trình phần mềm Trong trình thực luận văn, em nhận hướng dẫn nhiệt tình, tận tâm thầy giáo hướng dẫn – PGS.TS Võ Minh Chính Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy giáo giúp đỡ em hồn thành luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn đến nhân viên nhà máy Messer Hải Dương, nhân viên kỹ thuật công ty Yokogawa đồng nghiệp tơi, nhiệt tình giúp đỡ tơi q trình thực luận văn Mặc dù cố gắng, hiểu biết thân cịn hạn chế nên luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận góp ý, bổ sung thầy bạn bè để luận văn hồn thiện Tơi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 25 tháng 10 năm 2010 Học viên Tống Kim Thanh MỤC LỤC Trang phụ bìa Trang Lời cam đoan Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị Lời nói đầu Chương 1: Tổng quan hệ thống điều khiển phân tán 1.1 Tổng quan hệ thống điều khiển, giám sát 1.1.1 Đặt vấn đề .1 1.1.2 Cấu trúc thành phần hệ thống điều khiển, giám sát.3 1.1.3 Mơ hình phân cấp chức hệ thống điều khiển, giám sát .4 1.1.4 Các cấu trúc điều khiển 1.2 Hệ thống điều khiển phân tán DCS 10 2.1.1 Khái niệm hệ thống điều khiển phân tán 10 2.1.2 Các thành phần hệ thống điều khiển phân tán 11 a) Trạm điều khiển cục 12 b) Trạm vận hành 13 c) Trạm kỹ thuật 14 d) Hệ thống bus truyền thông .15 2.1.3 Các giải pháp cho hệ thống điều khiển phân tán .17 a) Các hệ DCS truyền thống 17 b) Các hệ DCS PLC .18 c) Các hệ DCS PC 20 2.1.4 Các vấn đề kỹ thuật .21 ML.1 Chương Dây chuyền công nghệ nhà máy khí cơng nghiệp Messer Hải Dương .23 2.1 Tổng quan Tập đoàn Messer 23 2.2 Nhà máy khí cơng nghiệp Messer Hải Dương 24 2.3 Mô tả quy trình tách khí 26 2.3.1 Lọc khí, nén khí 26 2.3.2 Làm lạnh sơ tinh khiết hóa 26 2.3.3 Chưng cất khí 27 2.4 Mơ tả quy trình hóa lỏng .27 2.4.1 Nguồn khí nạp vào 30 2.4.2 Hóa lỏng Nitơ 30 2.4.3 Hóa lỏng Oxy 31 2.5 Cung cấp sản phẩm cho khách hàng 32 2.5.1 Cung cấp sản phẩm khí cho nhà máy thép Hịa Phát 32 2.5.2 Cung cấp sản phẩm lỏng cho khách hàng 33 Chương 3: Hệ thống DCS CENTUM CS3000 hãng Yokogawa 34 3.1 Tổng quan hệ thống DCS CENTUM CS3000 .34 3.1.1 Giới thiệu chung 34 3.1.2 Lịch sử phát triển hệ thống CENTUM 35 3.1.3 Các đặc trưng hệ thống CENTUM CS 3000 37 3.2 Cấu trúc phần cứng hệ thống CENTUM CS3000 .39 3.2.1 Đặc điểm kỹ thuật hệ thống 39 3.2.2 Trạm vận hành (Operation Station) .31 3.2.3 Trạm điều khiển trường (Field Control Station) 44 3.2.4 Hệ thống bus, mạng truyền thông 48 3.3 Công cụ phần mềm hệ thống CENTUM CS3000 54 3.3.1 Công nghệ phần mềm hệ thống CENTUM CS3000 54 ML.2 a) Giao diện OPC .55 b) Các điều khiển ACTIVEX 56 c) Hiển thị cửa sổ đồ họa trình duyệt WEB 57 3.3.2 Cấu hình phần mềm hệ thống 58 a) System View 58 b) Project 59 c) Chức kiểm tra ảo (Virtual Test) 60 3.3.3 Các khối chức điều khiển 61 a) Khối điều khiển PID 61 b) Bộ điều khiển PI lấy mẫu (PI – HLD) 64 c) Bộ điều khiển PID Batch Switch (PID-BSW) .65 d) Bộ điều khiển PID với chức thiết lập lại tay (PID-MR) 66 e) Bộ điều khiển PID tự chỉnh PID-STC 67 Chương 4: Hệ thống DCS nhà máy khí cơng nghiệp Messer Hải Dương 72 4.1 Tổng quan hệ thống điều khiển nhà máy 72 4.1.1 Hệ thống máy nén khí 72 4.1.2 Hệ thống tiền làm lạnh khí 72 4.1.3 Hệ thống lọc khí 73 4.1.4 Bộ phận tuabin giãn nở .74 4.1.5 Hệ thống điều khiển tháp chưng cất 75 4.1.6 Mạch điều chỉnh tự động 75 4.2 Yêu cầu hệ điều khiển 77 4.3 Các thiết bị đo lường cấu chấp hành .78 4.3.1 Các thiết bị đo lường 78 4.3.2 Các cấu chấp hành 79 4.3.3 Các hệ thống phụ .79 4.4 Xây dựng cấu trúc hệ thống DCS .80 4.4.1 Cấp điều khiển 80 ML.3 4.4.2 Cấp điều khiển giám sát 84 a) Trạm vận hành .84 b) Trạm kỹ thuật 85 4.4.3 Truyền thông .85 4.5 Thiết lập chương trình cho hệ thống DCS .85 4.5.1 Các gói phần mềm .85 4.5.2 Trình tự xây dựng chương trình cho hệ thống DCS 87 4.5.3 Chức “Kiểm tra ảo” 97 Kết luận Tài liệu tham khảo Phụ lục A: Các thông số kỹ thuật nhà máy khí Messer Hải Dương Phụ lục B: Sơ đồ P&ID nhà máy ML.4 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT DCS ETS BCV FCS OWS EWS HIS Distribution Control System Enterprise Technology Solutions Bus Converter Field Control Station Operation Workstation Engineering Workstation Human Interface Station Hệ thống điều khiển phân tán Giải pháp công nghệ kinh doanh Bộ chuyển đổi Bus Trạm điều khiển trường Trạm vận hành Trạm kỹ thuật Trạm vận hành với giao diện người – máy DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1.1 Các thành phần hệ thống điều khiển giám sát Hình 1.1.2 Mơ hình phân cấp chức nhà máy công nghiệp .5 Hình 1.1.3 Điều khiển tập trung với cấu trúc vào/ra tập trung .7 Hình 1.1.4 Điều khiển tập trung với cấu trúc vào/ra phân tán Hình 1.1.5 Điều khiển phân tán với cấu trúc vào/ra tập trung Hình 1.1.6 Điều khiển phân tán với cấu trúc vào/ra phân tán .9 Hình 1.2.1 Sơ đồ cấu trúc chung hệ thống điều khiển phân tán .12 Hình 1.2.2 Hệ thống CENTUM CS3000 Yokogawa .18 Hình 1.2.3 Hệ thống DeltaV 18 Hình 1.2.4 Hệ thống PCS7 Siemens .19 Hình 2.2.1 Sơ đồ công nghệ nhà máy 24 Hình 2.2.2 Sơ đồ quy trình sản xuất nhà máy 25 Hình 3.1.1 Mơ hình hệ thống CENTUM CS3000 .34 Hình 3.1.2 Lịch sử phát triển hệ thống CENTUM 36 Hình 3.2.1 Ví dụ cấu hình hệ thống CENTUM CS3000 39 Hình 3.2.2 Các thiết bị hệ thống CENTUM CS3000 40 Hình 3.2.3 Các dạng trạm HIS 41 Hình 3.2.4 Enclosed Display Style Console type HIS 42 Hình 3.2.5 Open Display Style Console type HIS 42 Hình 3.2.6 Cửa sổ giao diện vận hành 44 Hình 3.2.7 Cấu hình FCS 45 Hình 3.2.8 Kết nối node KFCS ESB bus ER bus 48 Hình 3.2.9 Mạng RIO bus .49 Hình 3.2.10 Khả mở rộng Vnet 50 Hình 3.2.11 Fieldbus hệ thống CENTUM CS3000 .51 Chương 4: Hệ thống điều khiển CS3000 nhà máy khí Messer Hải Dương  - Tạo HIS mới: lựa chọn HIS loại PC với chức vận hành giám sát Xây dựng trạm HIS, HIS0162, HIS0163, HIS0164 - Tạo node mới: 88 Chương 4: Hệ thống điều khiển CS3000 nhà máy khí Messer Hải Dương  - Tạo module mới: - Tạo slot 1: 89 Chương 4: Hệ thống điều khiển CS3000 nhà máy khí Messer Hải Dương  Thực thao tác trên, ta xây dựng cấu trúc trạm FCS0101 với node sau: Trong node có slot Các node đến thực tương tự - Phân công I/O slot 1, node 1: - Tạo I/O ảo: I/O khơng có thực Các I/O ảo sử dụng trình lập trình hệ thống 90 Chương 4: Hệ thống điều khiển CS3000 nhà máy khí Messer Hải Dương  Bước 4: Xây dựng khối chức (FUNCTION BLOCK): + Đặt tên cho khối chức năng: Để dễ dàng quản lý, phần comment khối chức ta ghi lại nội dung chức Tùy theo phân chia cơng đoạn nhà máy ta có khối chức sau: 91 Chương 4: Hệ thống điều khiển CS3000 nhà máy khí Messer Hải Dương  + Xây dựng sơ đồ điều khiển: thể “control drawing builder” Ví dụ: Function Block DR0004 bao gồm khối PVI cơng đoạn lọc khí tiền làm mát có sơ đồ điều khiển sau: 92 Chương 4: Hệ thống điều khiển CS3000 nhà máy khí Messer Hải Dương  Bước 5: Tạo trang đồ họa (Graphic) - HIS → WINDOW → Create New → Window → Graph 93 Chương 4: Hệ thống điều khiển CS3000 nhà máy khí Messer Hải Dương  - Phần mềm CS3000 có chứa thư viện hình vẽ tiêu biểu, “Link part” Để sử dụng thư viện này: nháy chuột vào Insert → Link part Dựa theo sơ đồ P&ID công đoạn, ta tạo trang đồ họa tương ứng Toàn hoạt động nhà máy thể trang hình hiển thị sau: 94 Chương 4: Hệ thống điều khiển CS3000 nhà máy khí Messer Hải Dương  - Các q trình (Main Process): Air Filter (thiết bị lọc khí) DCAC/N2 Chiller (Thiết bị làm lạnh) Adsorber (Sàng phân tử) Air Turbo Expander (Turbo giãn nén khí) Main Exchanger (Thiết bị trao đổi nhiệt chính) Main column (tháp chưng cất chính) Argon column (Tháp chưng argon) Liquefier (Thiết bị hóa lỏng) O2 storage (Bồn chứa O2) 10 N2 storage (Bồn chứa N2) 11 Argon storage (Bồn chứa Ar) 12 Water cooling tower (Tháp làm lạnh) - Các máy nén: Air comp TC1001 (Máy nén khí) Feed N2 comp NC4101 (Máy nén nitơ đầu vào) Recycle N2 comp NC4102 (Máy nén nitơ tuần hoàn) Product N2 comp NC4103 (Máy nén nitơ sản phẩm) LP O2 comp OP0301 (Máy nén oxy thấp áp) LP O2 comp OP0302 (Máy nén oxy thấp áp) HP O2 comp OP0311 (Máy nén oxy cao áp) HP O2 comp OP0312 (Máy nén oxy cao áp) HP O2 comp OP0313 (Máy nén oxy cao áp) 10 N2 expander ET4401A/B (Turbin giãn N2) 11 N2 expander oil page (Dầu turbin giãn N2) 12 Electric 6kV (Hệ thống điện 6kV) Ngồi hệ thống cịn hiển thị trang thơng số q trình thiết bị đo (Process value) biểu đồ xu hướng (Trend) 95 Chương 4: Hệ thống điều khiển CS3000 nhà máy khí Messer Hải Dương  Ví dụ: Trang đồ họa thể q trình làm mát khí, nước (DCAC/N2 Chiller) sau: 4.5.3 Chức “kiểm tra ảo” Phần mềm CS3000 cho phép người lập trình kiểm tra hệ thống nhờ chức kiểm tra ảo Với chức này, FCS ảo hoạt động giống FCS thật, nghĩa người sử dụng thực thao tác vận hành, giám sát (các chức trạm HIS) hoàn toàn giống thực FCS thật Thao tác thực chức sau: 96 Chương 4: Hệ thống điều khiển CS3000 nhà máy khí Messer Hải Dương  97 KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp cao học với đề tài: “Hệ thống điều khiển tự động DCS nhà máy sản xuất khí cơng nghiệp” Cụ thể, tơi thu kết sau: - Nghiên cứu, tìm hiểu hệ thống điều khiển CENTUM CS 3000 hãng Yokogawa phần cứng công cụ phần mềm - Tìm hiểu dây chuyền sản xuất nhà máy sản xuất khí cơng nghiệp Messer Hải Dương - Trên sở tìm hiểu thực tế nhà máy, tơi xây dựng cấu trúc hệ thống DCS cho nhà máy thiết lập chương trình cho hệ thống Do thời gian nghiên cứu hiểu biết tác giả hạn chế, luận văn dừng lại bước thiết lập chương trình mà chưa sâu vào việc lập trình với cơng cụ phần mềm CS3000, kiểm tra chương trình với chức kiểm tra ảo Tơi mong nhận đóng góp thầy bạn bè để luận văn hồn thiện TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hoàng Minh Sơn, “Mạng truyền thơng cơng nghiệp”, NXB KHKT, 2001 [2] Tạp chí “Tự động hoá ngày nay”, số 12/2001; 1,2,3,12/2002; 1,2,3,4/2003 [3] Sichuan Air Separation Plant (group) Co., Ltd, Instrument Control System – Operation Manual, June 2008 [4] Yokogawa Electric Corpotion, “Centum CS 3000 Electric manual” [5] Konishi Nobuaki, “System architecture of Centum CS 3000” [6] Yokogawa Australia, “Engineering training course manual” [7] Yokogawa Electric Corpotion, “CS 3000-Technical Information”, 2001 [8] Yokogawa Electric Corpotion, “Yokogawa technical report”, No23, 1997 [9] Messer Operation Training, Process description, 2008 [10] www.yokogawa.com/dcs PHỤ LỤC A: CÁC THƠNG SỐ KỸ THUẬT CỦA NHÀ MÁY KHÍ MESSER HẢI DƯƠNG Các thông số hoạt động Sản phẩm Công suất (Nm3/h） Độ tinh khiết Áp suất khỏi tháp lạnh (cold box) (MpaA） Khí Ơxy 8500 99,6% 0,117 Ôxy lỏng 100 99,6% 0,213 Khí Ni tơ 12000 O2≤ PPm 0,108 Acgông lỏng 280 O2≤ 2PPm N2 ≤ 3PPm 0,35 Danh sách thiết bị Mã Thiết Bị Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt AIR SEPARATION PLANT – DÂY CHUYỀN TÁCH KHÍ WT1100 Water Cooling Tower Tháp làm mát nước WP1100 Water circulation pumps Bơm nước tuần hồn A/B/C/D AF1001 Air Filter Thiết bị lọc khí TC1001 Air Compressor Máy nén khí AT1101 Air Cooling Tower Tháp làm mát khí WT1101 Water Cooling Tower Tháp làm mát nước RU1101 Water Chiller Thiết bị làm lạnh nước WP1101A/B Cooling water pump Máy bơm nước WP1101A/B Cooling water pump Máy bơm nước MS1201 A/B Molecular Sieve Absorber Bộ hấp thụ sàng phân tử ET401 A/B Turboexpander Turbin giàn BT401 A/B Booster Turbin nén WA401 A/B Booster after cooler Thiết bị làm mát khí sau nén AF401 A/B Booster Inlet filter Phin lọc đầu vào máy nén tăng cường AF402 A/B Expander Inlet Filter Phin lọc đầu vào máy dãn E1-A/E1-B Main Heat Exchanger Thiết bị trao đổi nhiệt PL.1 K1 E2 Condenser-Evaporator Thiết bị Ngưng tụ – Bay Liquid Air & Nitrogen Sub- Thiết bị làm lạnh lỏng khí lỏng cooler nitơ C1 Lower Column Phần tháp chưng cất C2 Upper Column Phần tháp chưng cất C701-1 Crude Argon Column I Tháp chưng Argon thô sơ cấp (I) C701-2 Crude Argon Column II Tháp chưng Argon thô thứ cấp (II) ArP701-A/B Process Argon Pump Bơm Argon lỏng công nghệ K701 Crude Argon Condenser Thiết bị ngưng tụ Argon thô K702 Pure Argon Evaporator Thiết bị bay Argon tinh K703 Pure Argon Condenser Thiết bị ngưng tụ Argon tinh Control Valve system Hệ thống van điều khiển Instrument Control system Hệ thống thiết bị đo Analyzers Các máy phân tích Electric Control system Hệ thống điều khiển điện LIQUIFIER PLANT – DÂY CHUYỀN HÓA LỎNG NC4101 Feed N2 Comressor Máy nén nitơ nạp NC4102 Recycling N2 Compressor Máy nén nitơ hồi E4001 Upper section of N2 Liquifier Phần Trao đổi nhiệt củ thiết bị hóa lỏng Nitơ Heat Exchanger E4002 Lower section of N2 Liquifier Phần Trao đổi nhiệt Heat Exchanger thiết bị hóa lỏng Nitơ E4003 LN2 Sub-cooler Thiết bị làm lạnh Nitơ lỏng E4004 O2 Liquifier Thiết bị hóa lỏng Ơxy PV4001 Gas-Liquid Separated Buffer Bồn tách khí ơxy & lỏng Ơxy of Oxygen ET4001A Warm Turbo expander Tua bin giãn đầu ấm ET4001B Cold Turboexpander Tua bin giãn đầu lạnh WC4101 Warm Booster After Cooler Thiết bị làm mát sau nén đầu ấm OP4001 Liquid Argon Pump Bơm Argon lỏng WC4102 Cold Booster After Cooler Thiết bị làm mát sau nén đầu lạnh CE244.10000 Instrument Control system Hệ thống điều khiển thiết bị đo CE244.20000 Electric Control system Hệ thống điều khiển điện LIQUID STORAGE SYSTEM – HỆ THỐNG TRỮ LỎNG SV1701 LOX tank – 1000m3 Bồn chứa ôxy lỏng - 1000m3 SV1702 LOX tank – 10m3 Bồn chứa ôxy lỏng - 10m3 PL.2 SV1801 LIN tank – 1000m3 SV1802 LIN tank – 10m3 SV2201A/B LAr tanks 50m3 & 10m3 LV1701A/B/CLOX vaporizer LV1801A/B/CLIN vaporizer LV2201A/B LAr vaporizer OP1701 LOX pump NP1801 LIN pump ArP2201 LAr pump GOX buffer tank GN buffer tank Instrument Control System Electrical control system PL.3 Bồn chứa nitơ lỏng - 1000m3 Bồn chứa nitơ lỏng - 10m3 Các bồn chứa Argon lỏng 50m3 & 10m3 Dàn hóa Ơxy lỏng Dàn hóa Nitơ lỏng Dàn hóa Argon lỏng Bơm ôxy lỏng Bơm nitơ lỏng Bơm argon lỏng Bồn chứa khí Ơxy đệm Bồn chứa khí Nitơ đệm Hệ thống điều khiển thiết bị đo Hệ thống điều khiển điện ... Chương 4: Hệ thống DCS nhà máy khí cơng nghiệp Messer Hải Dương 72 4.1 Tổng quan hệ thống điều khiển nhà máy 72 4.1.1 Hệ thống máy nén khí 72 4.1.2 Hệ thống tiền làm lạnh khí ... mạng máy tính nội cho phép tăng suất lao động nhà thiết kế, nhà công nghệ nhà tổ chức sản xuất nâng cao suất chất lượng sản phẩm Các hệ thống sản xuất gọi hệ thống sản xuất tích hợp có trợ giúp máy. .. việc xây dựng nhà máy sử dụng hệ thống điều khiển đại điểm nhấn công công nghiệp hoá, đại hoá đất nước Ở nước ta có số nhà máy sử dụng hệ thống điều khiển hãng Yokogawa nhà máy sản xuất Super-phốt