Scada cho hệ thống bốc hơi nước mía trong công nghệ sản xuất đường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM VĂN TOÀN SCADA CHO HỆ THỐNG BỐC HƠI NƯỚC MÍA TRONG CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐƯỜNG Chun ngành: Tự động hóa Mã số: 11150097 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH 06/2014 Luận văn thạc sỹ Phạm Văn Tồn - 11150097 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS TRƯƠNG ĐÌNH CHÂU Cán chấm nhận xét 1: TS HỒNG MINH TRÍ Cán chấm nhận xét 2: TS VÕ HOÀNG DUY Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 18 tháng 07 năm 2014 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) PGS TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA – Chủ tịch hội đồng TS HỒ PHẠM HUY ÁNH – Thư ký TS HỒNG MINH TRÍ – Giáo viên phản biện TS VÕ HOÀNG DUY – Giáo viên phản biện PGS TS LÊ MINH PHƯƠNG - Ủy viên Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Trang Luận văn thạc sỹ Phạm Văn Toàn - 11150097 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: PHẠM VĂN TOÀN MSHV: 11150097 Ngày, tháng, năm sinh: 07/06/1986 Nơi sinh: Nam Định Chuyên ngành: Tự Động Hóa Mã số : 605260 I TÊN ĐỀ TÀI: SCADA CHO HỆ THỐNG BỐC HƠI NƯỚC MÍA TRONG CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐƯỜNG II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:  Lựa chọn công nghệ thiết kế hệ thống SCADA cho q trình bốc nước mía  Thiết kế sơ đồ công nghệ điều khiển P&ID (Process and Instrument Diagram)  Thiết kế chức hệ thống tự động hóa q trình bốc nước mía  Lập trình chương trình điều khiển, điều chỉnh thơng số hoạt động hệ thống  Lập trình điều khiển giám sát, hiển thị chức giao diện người máy máy tính  Thực kết nối hoàn chỉnh hệ thống III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 24/06/2013 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/06/2014 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS TRƯƠNG ĐÌNH CHÂU Tp HCM, ngày tháng năm 2014 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA….……… (Họ tên chữ ký) Trang Luận văn thạc sỹ Phạm Văn Toàn - 11150097 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, xin chân thành cảm ơn quý thầy cô gia đình dạy dỗ, động viên giúp đỡ tơi suốt q trình học tập Đặc biệt, tơi xin chân thành cảm ơn TS Trương Đình Châu nhiệt tình hướng dẫn, định hướng cho tơi suốt thời gian thực luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy Cô trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh nói chung Thầy Cơ mơn Điều khiển tự động nói riêng trang bị cho kiến thức quý báu để hoàn thành luận văn Cuối cùng, xin cảm ơn anh chị lớp Tự Động Hóa khố 2011 giúp đỡ tơi thời gian học tập Người thực luận văn Phạm Văn Toàn Trang Luận văn thạc sỹ Phạm Văn Toàn - 11150097 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ Trong quy trình sản xuất nhà máy mía đường q trình bốc nước mía có vị trí quan trọng việc tăng suất, hiệu suất toàn hệ thống Phần nhiều nhà máy mía đường Việt Nam sử dụng trang thiết bị lạc hậu, cũ kỹ dẫn đến hiệu kinh tế không cao Một số nhà máy trang bị thiết bị đại việc cài đặt, điều khiển, kết nối lại chuyên gia nước đảm nhiệm, chi phí lớn Do việc người Việt Nam làm chủ công nghệ đại, xây dựng hệ thống cho q trình bốc nước mía nói riêng, quy trình sản xuất đường nói chung cần thiết để giảm chi phí, nâng cao hiệu kinh tế Luận văn đưa để giải vấn đề nêu Nội dung luận văn xây dựng hệ thống SCADA cho trình bốc nước mía, bao gồm từ việc lựa chọn cơng nghệ, trang thiết bị, lập trình điều khiển, vận hành giám sát hệ thống Ngồi cịn việc xây dựng mơ hình ứng dụng, giải tốn tự động hóa điều khiển q trình, nhiệt độ, mực nước, giám sát điều chỉnh lưu lượng Trang Luận văn thạc sỹ Phạm Văn Toàn - 11150097 ABSTRACT The evaporation of sugar-cane-juice is important to increase labour productivity in sugar manufacturing process of a cane sugar company Almost all the cane sugar companies are using old equipment in Vietnam, that are the reasons for low productivity There are some companies using modern equipments but the installation, controlling and connection are supervised by the foreign professional So how to use and control the evaporation of sugar-cane-juice system by Vietnam engineer become important to decrease the cost and increase labour productivity In my abstract there are some methods to solve our problems above Contents of my abstract is building SCADA system for the Evaporation of sugar-cane-juice, include choosing the technology, equipment, control method, operations and how to supervise Plus, my abstract is also solve the automation control process, such as temperature, water level, supervise and flow control Trang Luận văn thạc sỹ Phạm Văn Toàn - 11150097 LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ LUẬN VĂN Tôi xin cam đoan nội dung trình bày luận văn kết nghiên cứu, tìm hiểu thân Những tài liệu, quy trình cơng nghệ liên quan đến lĩnh vực sản xuất mía đường đưa luận văn đồng ý công ty liên quan Trang Luận văn thạc sỹ Phạm Văn Toàn - 11150097 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết đề tài 12 1.2 Sự phát triển cơng nghiệp đường mía 12 1.2.1 Sự phát triển cơng nghiệp đường mía giới 12 1.2.2 Tình hình cơng nghiệp đường mía nước ta 13 1.2.3 Vấn đề nâng cao hiệu sản xuất đường mía 13 1.3 Ứng dụng cơng nghệ đại tự động hóa q trình sản xuất đường 15 1.4 Tình hình nghiên cứu 15 1.5 Nhu cầu thực tế 16 1.6 Nội dung đề tài phương pháp thực 16 1.7 Những vấn đề đề tài 16 CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG BỐC HƠI NƯỚC MÍA TRONG SẢN XUẤT ĐƯỜNG Giới thiệu tổng quan trình sản xuất đường 18 2.1.1 Tiếp nhận mía 19 2.1.2 Trích ly nước mía từ mía 19 2.1.3 Xử lý tạp chất nước mía 19 2.1.4 Cơ đặc nước mía thành sirơ 19 2.1.5 Nấu đường thơ: 19 2.1.6 Tinh luyện đường trắng 19 2.1.7 Nấu đường trắng tinh luyện 19 2.1.8 Sấy, lưu trữ, đóng bao 20 2.2 Vị trí vai trị hệ thống bốc trình sản xuất đường 20 2.3 Các hệ thống bốc sử dụng 21 2.3.1 Yêu cầu chung thiết bị bốc 21 2.3.2 Bốc dạng ống chùm 21 2.3.3 Bốc dạng 23 Cơ sở lý thuyết trình bốc 26 2.4.1 Lượng nước bốc 26 2.4.2 Lượng nhiệt dùng bốc 26 2.4.3 Lượng tiêu hao hệ cô đặc nhiều hiệu 28 2.1 2.4 Trang Luận văn thạc sỹ 2.5 Phạm Văn Toàn - 11150097 2.4.4 Sử dụng thứ hiệu cuối 28 Sơ đồ nguyên lý trình bốc dạng 29 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT 3.1 Thiết kế sơ đồ công nghệ P&ID (Process and Instrument Diagram) 31 3.2 Thống kê thiết bị Input/ Output 31 3.3 Qui trình vận hành hệ thống 41 3.3.1 Mơ tả thiết bị 41 3.3.2 Nguyên tắc hoạt động 42 3.3.3 Mô tả hoạt động 44 3.4 Lưu đồ thuật tốn điều khiển 47 3.5 Xây dựng cấu hình phần cứng PLC 48 3.5.1 Danh mục thiết bị PLC SIEMEN 48 3.5.2 Cấu hình phần cứng PLC 49 Lập trình PLC 50 3.6.1 Cấu hình phần cứng Step 50 3.6.2 Tổ chức khối chương trình PLC 52 3.6.3 Cấu trúc chương trình ứng dụng PLC S7-400 53 Hệ thống điều khiển giám sát & thu thập liệu 58 3.7.1 Mô tả 58 3.7.2 Thiết lập chung cho tồn trang hình SCADA 59 3.7.3 Tổ chức trang hình SCADA 60 Thử nghiệm ứng dụng thực tế 68 3.6 3.7 3.8 CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM 4.1 Tổng quan mơ hình 71 4.2 Các cấu chấp hành 72 4.2.1 Bồn nước 72 4.2.2 Bơm nước 72 4.2.3 Động khuấy 73 4.2.4 Thiết bị gia nhiệt 74 Các thiết bị đo lường 75 4.3 Trang Luận văn thạc sỹ Phạm Văn Toàn - 11150097 4.3.1 Đồng hồ đo lưu lượng 75 4.3.2 Đồng hồ đo áp suất 75 4.3.3 Cảm biến nhiệt độ 76 4.3.4 Cảm biến đo mực nước 76 4.4 Thiết bị điều khiển 77 4.5 Sơ đồ kết nối thiết bị 77 4.6 Mơ hình vật lý đạt 79 4.7 Lưu đồ thuật toán hệ thống 82 4.7.1 Lưu đồ hoạt động hệ thống 82 4.7.2 Lưu đồ thuật toán điều khiển mực nước 82 4.7.3 Lưu đồ thuật tốn điều khiển nhiệt độ 83 Lập trình PLC 83 4.8.1 Cấu hình phần cứng PLC 83 4.8.2 Tổ chức khối chương trình PLC 84 Cây dựng giao diện SCADA WINCC 86 4.8 4.9 4.10 Kết hoạt động mơ hình 88 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 5.1 Kết đạt đề tài 89 5.2 Hạn chế đề tài 89 5.3 Hướng mở rộng phát triển đề tài 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 91 Trang Luận văn thạc sỹ Phạm Văn Toàn - 11150097 Sử dụng cảm biến để đo mức nước bồn, tín hiệu ngõ cảm biến truyền PLC xử lý Tín hiệu ngõ cảm biến dạng tín hiệu dịng đến 20mA 4.4 Thiết bị điều khiển Thiết bị điều khiển lựa chọn sử dụng hệ thống PLC S7 300 hãng Siemens với module I/O số, I/O analog Hình 42 Thiết bị điều khiển 4.5 Sơ đồ kết nối thiết bị Motor Motor Motor Motor Hình 43 Sơ đồ kết nối biến tần điều khiển động bơm Trang 77 Luận văn thạc sỹ Phạm Văn Tồn - 11150097 Hình 44 PLC module Hình 45 Sơ đồ kết nối ngõ vào số Hình 46 Sơ đồ kết nối ngõ số Trang 78 Luận văn thạc sỹ Phạm Văn Tồn - 11150097 Hình 47 Sơ đồ kết nối ngõ vào Analog Hình 48 Sơ đồ kết nối Ngõ Analog 4.6 Mơ hình vật lý đạt Mơ hình xây dựng khung nhơm định hình cứng vững, xây dựng có bồn nước mô hiệu hệ thống bốc thực tế Trang 79 Luận văn thạc sỹ Phạm Văn Tồn - 11150097 Hình 49 Mơ hình vật lý đạt Trang 80 Luận văn thạc sỹ Phạm Văn Tồn - 11150097 Hình 50 Mạch điều khiển Mạch điều khiển thể việc kết nối PLC với thiết bị thực tế, hình thể vị trí lắp đặt PLC, biến tần, relay, domino kết nối với phần động lực Hình 51 Cơ cấu chấp hành Trang 81 Luận văn thạc sỹ Phạm Văn Toàn - 11150097 Hình cấu chấp hành thể vị trí lắp đạt bơm đường ống, van tay, van điện 4.7 Lưu đồ thuật toán hệ thống 4.7.1 Lưu đồ hoạt động hệ thống Hình 52 Lưu đồ hoạt động hệ thống 4.7.2 Lưu đồ thuật toán điều khiển mực nước Hình 53 Lưu đồ thuật tốn điều khiển mực nước Trang 82 Luận văn thạc sỹ Phạm Văn Tồn - 11150097 4.7.3 Lưu đồ thuật tốn điều khiển nhiệt độ Hình 54 Lưu đồ thuật tốn điều khiển nhiệt độ 4.8 Lập trình PLC 4.8.1 Cấu hình phần cứng PLC Hình 55 Cấu hình phần cứng PLC – Mơ hình thực nghiệm Trang 83 Luận văn thạc sỹ Phạm Văn Toàn - 11150097 4.8.2 Tổ chức khối chương trình PLC Hình 56 Tổ chức khối PLC – Mơ hình thực nghiệm Bảng 3: SYMBOL TABLE: Symbol DB_TANK DB_TANK_2 DB_TANK_3 DB_TCONT_CP DB_FB58_TANK2 DB_FB58_TANK3 DB_FB41_TANK1 DB_FB41_TANK2 DB_FB41_TANK3 DB_PROC_C DB_PROC_P Address DB DB DB DB 58 DB 59 DB 60 DB 61 DB 62 DB 63 DB 100 DB 102 Type DB DB DB FB 58 FB 58 FB 58 FB 41 FB 41 FB 41 FB 100 FB 102 CONT_C FB 41 FB 41 TCONT_CP FB 58 FB 58 Trang 84 Comment Continuous Control temperature PID controller with pulse generator Luận văn thạc sỹ Phạm Văn Toàn - 11150097 and self-tuning PROC_C PROC_P TANK Control Pump_1 TANK TANK FB FB FC FC FC FC 100 102 FB FB FC FC FC FC Scale FC Start_Pump_1 SP_Pump_1 M 10.0 MD 100 BOOL REAL CYC_OB35 OB 35 OB 35 OB 100 OB 100 COMPLETE RESTART A_TT_1 A_TT_3 A_TT_2 A_LT_1 A_LT_2 A_LT_3 A_SETPOINT_1 A_SETPOINT_2 A_SETPOINT_3 A_SETPOINT_4 O_GIANHIET_1 O_GIANHIET_2 O_GIANHIET_3 O_PUMP_4 O_PUMP_3 O_PUMP_2 O_PUMP_1 O_VALVE_1 O_VALVE_4 O_VALVE_2 O_VALVE_3 10 FC 100 102 PIW 10 PIW 12 PIW 14 PIW 18 PIW 20 PIW 22 PQW 10 PQW 12 PQW 14 PQW 16 Q 0.0 Q 0.1 Q 0.2 Q 0.4 Q 0.5 Q 0.6 Q 0.7 Q 1.0 Q 1.1 Q 1.2 Q 1.3 10 INT INT INT INT INT INT INT INT INT WORD BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL Trang 85 Scale Temperature, Weighting Value, Analog Control, Cyclic Interrupt Complete Restart Luận văn thạc sỹ O_AGITATOR_3 O_AGITATOR_2 O_AGITATOR_1 VAT_LoopControlC VAT_2 VAT_LoopControltank2 4.9 Phạm Văn Toàn - 11150097 Q 1.4 Q 1.5 Q 1.6 VAT VAT VAT BOOL BOOL BOOL Xây dựng giao diện scada WINCC Hình 57 Giao diện SCADA – Mơ hình thực nghiệm Trên giao diện cho phép:  Cài đặt giá trị nhiệt độ, mực nước hiệu  Theo dõi giá trị nhiệt độ, mực nước hiệu  Khởi động, tắt bơm nước từ bồn đến bồn khác  Điều chỉnh lưu lượng hệ thống  Theo dõi trạng thái hoạt động cấu chấp hành hệ thống Trang 86 Luận văn thạc sỹ Phạm Văn Tồn - 11150097 Hình 58 Cài đặt thông số điều khiển PID mức nước nhiệt độ Hình 59 Màn hình theo dõi thu thập liệu Trang 87 Luận văn thạc sỹ Phạm Văn Toàn - 11150097 4.10 Kết hoạt động mơ hình Mơ hình xây dựng điều khiển mực nước, nhiệt độ theo giá trị cài đặt giao diện SCADA theo cách vận hành: Cách 1: Cấp nước lạnh liên tục cho hệ thống vào bồn 0, lấy nước nóng từ bồn Cách 2: Để lưu lượng tuần hồn bồn cho nước đá nhằm mục đích hạ nhiệt độ nước trước bồn Trang 88 Luận văn thạc sỹ Phạm Văn Toàn - 11150097 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 5.1 Kết đạt đề tài - Tác giả giới thiệu hệ thống bốc nước mía tiên tiến áp dụng sản xuất đường - Tác giả đưa giải pháp toàn diện cho vấn đề tự động hóa hệ thống bốc sản xuất đường từ việc lựa chọn công nghệ, trang thiết bị, xây dựng lưu đồ giải thuật, lập trình điều khiển chương trình PLC, chương trình giám sát điều khiển SCADA cho hệ thống Đặc biệt giải pháp áp dụng thành công vận hành nhà máy thực tế - Tác giả xây dựng mơ hình thực nghiệm nhằm thể việc giải tốn tự động hóa điều khiển q trình, lưu lượng, nhiệt độ 5.2 Hạn chế đề tài - Mơ hình đề tài chưa mơ tả trọn vẹn hệ thống thực tế - Về phương pháp điều khiển áp dụng thuật toán điều khiển PID, chưa áp dụng thuật toán điều khiển đại - Đề tài chưa tích hợp chức bảo mật liệu, chức điều khiển dự phòng điều khiển từ xa hệ thống Web Server 5.3 Hướng mở rộng phát triển đề tài - Dựa phân tích hạn chế đề tài, tác giả đề nghị hướng phát triển đề tài sau: - Thiết kế tích hợp chức bảo mật liệu - Thiết kế tích hợp chức điều khiển dự phòng cho hệ thống SCADA - Áp dụng phương pháp điều khiển đại - Thiết kế tích hợp chức điều khiển giám sát hệ thống từ xa Web Server Trang 89 Luận văn thạc sỹ Phạm Văn Toàn - 11150097 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tự động hóa với SIMATIC Nguyễn Dỗn Phước NXB Khoa Học & Kỹ Thuật 2007 [2] Qui trình sản xuất mía đường Cơng ty cổ phần mía đường Bourbon tây Ninh [3] Cane Sugar Manufacturing Technology E.Hugo NXB Elsevier Sciene Publishing Company Year 1986 [4] David Bailey; And Edwin Wright, “Practical ACADA for Industry”, Beng, Bailey and Associates, Perth, Australia Mipenz, BSc(Hons), BSc(Elec Eng), IDC Technologies, Perth, Australia Trang 90 Luận văn thạc sỹ Phạm Văn Toàn - 11150097 PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG  Họ tên: PHẠM VĂN TOÀN  Ngày, tháng, năm sinh: 07/06/1986  Nơi sinh: Nam Định  Địa liên lạc: Khoa Công Nghệ Cơ Khí, Trường ĐH Cơng Nghiệp Thực Phẩm Tp.HCM, 140 Lê Trọng Tấn, Quận Tân Phú, Tp Hồ Chí Minh QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 2004 – 2009: Là sinh viên trường ĐH Cơng Nghệ Tp Hồ Chí Minh 2011 – 2014: Là học viên cao học, chuyên ngành tự động hóa, ĐH Bách Khoa Tp HCM Q TRÌNH CƠNG TÁC 2009 – 2010: Là kỹ sư phát triển dự án, cơng ty CP Cơng Nghệ Tự Động Trí Việt 2010 – 2011: Giáo viên trường CDN số – Bộ Quốc Phịng 2011 – nay: Giáo viên Khoa Cơng Nghệ Cơ Khí, Trường ĐH Cơng Nghiệp Thực Phẩm Tp.HCM, 140 Lê Trọng Tấn, Quận Tân Phú, Tp Hồ Chí Minh Trang 91 ... TÀI: SCADA CHO HỆ THỐNG BỐC HƠI NƯỚC MÍA TRONG CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐƯỜNG II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:  Lựa chọn công nghệ thiết kế hệ thống SCADA cho trình bốc nước mía  Thiết kế sơ đồ cơng nghệ điều... HƠI NƯỚC MÍA TRONG SẢN XUẤT ĐƯỜNG Giới thiệu tổng quan trình sản xuất đường 18 2.1.1 Tiếp nhận mía 19 2.1.2 Trích ly nước mía từ mía 19 2.1.3 Xử lý tạp chất nước mía 19 2.1.4 Cơ đặc nước mía thành... chủ công nghệ đại, xây dựng hệ thống cho trình bốc nước mía nói riêng, quy trình sản xuất đường nói chung cần thiết để giảm chi phí, nâng cao hiệu kinh tế Luận văn đưa hướng xây dựng hệ thống SCADA