Nghiên cứu thiết kế hệ thống tự động giám sát các thông số của mô hình nhà máy nhiệt điện dầu, ứng dụng trong đầu tạo

luận văn

B GIO DC V O TO TRNG I HC NễNG NGHIP H NI -----------------------o0o------------------------- TRƯƠNG VĩNH THịNH NGHIấN CU, THIT K H T NG GIM ST CC THễNG S CA Mễ HèNH NH MY NHIT IN DU V10CF/D0/125 - NG DNG TRONG O TO. Chuyờn ngnh: in khớ hoỏ sn xut nụng nghip v nụng thụn Mó s : 60 52 54 Ng i hng dn khoa hc: TS. HONG NGC NHN H N I 2010 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp i L ỜI CAM ðOAN Tôi xin cam ñoan rằng: số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa hề sử dụng ñể bảo vệ một học vị nào. Tôi xin cam ñoan rằng: mọi sự giúp ñỡ cho việc thực hiện luận văn ñã ñược cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn ñều ñược chỉ rõ nguồn gốc. Tác giả luận văn Trương Vĩnh Thịnh Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận văn, tôi ñã nhận ñược sự giúp ñỡ nhiệt tình của các tập thể và cá nhân các Thầy Cô giáo: Trường ðHNN Hà Nội, Trường ðHBK Hà Nội, Trường ðHðL Hà Nội và của các bạn bè, ñồng nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Hoàng Ngọc Nhân, Thạc sỹ Vũ Duy Thuận, Thạc sỹ Lã Văn Thắng Trường ðHðL Hà Nội. Cảm ơn các Thầy Cô giáo trong Bộ môn ñiện, Khoa cơ ñiện, Viện sau ñại học Trường ðHNN Hà Nội. Cảm ơn Khoa công nghệ tự ñộng - Trường ðHðL Hà Nội. Cảm ơn các bạn bè và ñồng nghiệp ñã tận tình giúp ñỡ tôi nghiên cứu hoàn thành luận văn này. Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn, vì thời gian và trình ñộ có hạn, nên không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận ñược ý kiến ñóng góp chân thành của các Thầy Cô và bạn bè ñồng nghiệp. Tác gi ả luận văn Tr ương Vĩnh Thịnh Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp iii MỤC LỤC. Trang Lời cam ñoan i Lời cảm ơn .ii Mục lục .iii Danh mục các bảng .vi Danh mục các hình .vii MỞ ðẦU. 1 1. ðặt vấn ñề .1 2. Mục ñích và nhiệm vụ nghiên cứu của luận văn 2 2.1. Mục ñích nghiên cứu của ñề tài .2 2.2. Nhiệm vụ nghiên cứu của ñề tài .2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT……3 1.1. ðịnh nghĩa hệ thống SCADA……………………………………… .3 1.2. Phân loại hệ thống SCADA………………………………… .……… … 4 1.3. Những chuẩn ñể ñánh giá một hệ thống SCADA…………… 5 1.4 Cấu trúc chung của hệ SCADA…………………………………… .……6 1.5 Mô hình phân cấp chức năng…………………………………… 8 1.5.1 Mô hình phân cấp……………………………………………… .… …….……8 1.5.2 Chức năng nhiệm vụ từng cấp………………………………………… ….10 1.6. Kết luận………………………………………………………………… .…… .12 CHƯƠNG 2. KHẢO SÁT MÔ HÌNH NHÀ MÁY NHIỆT ðIỆN V10CF/D0/125 ……………………………………………………………………….13 2.1. Giới thiệu về mô hình nhà máy nhiệt ñiện………………… … .… …… 13 2.2. Hiện trạng của mô hình nhà máy nhiệt ñiện…………… … .…… … …18 2.3. Giải pháp tự ñộng hóa cho mô hình nhà máy ñiện…… .…… .……… …18 2.3.1. Bảo dưỡng, vận hành lại mô hình nhà máy nhiệt ñiện…………… … ……… .18 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp iv 2.3.2. Tự ñộng hoá cho nhà máy nhiệt ñiện……………………………… … ……… 19 2.3.3. Yêu cầu bài toán thực tế cho giám sát mô hình nhà máy nhiệt ñiện… …… … … 20 2.4. Kết luận …………………………………………………………………………………21 CHƯƠNG 3. GIẢI PHÁP THỰC HIỆN……………………………….… .…… 22 3.1. Lựa chọn cấu trúc phần cứng cho hệ ñiều khiển giám sát……… ………… 22 3.1.1. Lựa chọn phần cứng………………………………………………… … ….…23 3.1.1.1. Sơ ñồ cấu trúc phần cứng…………………………………………… … .….23 3.1.1.2. Thiết bị phần cứng…………………………………………………… … .23 3.1.2. Sơ ñồ ñấu dây ñầu vào module SM 331 8AI 13 bits……………… .… … .24 3.2. Nghiên cứu kỹ thuật phần cứng hệ SIMATIC PLC S7 – 300….……… ……27 3.2.1. Những khái niệm chung về PLC……………………………………………… 27 3.2.2. Các module của PLC S7-300………………………………………… ……… 29 3.2.3. Cấu trúc bộ nhớ của PLC S7 – 300………………………………………… 32 3.2.4. Vòng quét chương trình .…………………………………….…… … .34 3.2.5. Cấu trúc chương trình………………………………………………… . …… .35 3.2.6. Ngôn ngữ lập trình…………………………………………………… .36 3.3. Phần mềm lập trình………….……………………………………………… .37 3.4. Các bước ñể tạo một Project mới với WinCC (Xem phụ lục 1)…………… .37 3.5. Chương trình thu thập và xử lý thông tin ño ñược từ cảm biến…………… 38 3.5.1. Chương trình chính thu thập và xử lý thông tin…………….….………… … .38 3.5.2. Chương trình con…….…………………………………………….………… .40 3.5.2.1. Thuật toán quét dữ liệu……………………………………….…….…… .40 3.5.2.2. Thuật toán chuyển ñổi………………………………………….….………….41 3.5.2.3. Thuật toán ñọc và hiển thị kết quả……………………………….…… .42 3.5.2.4. Thuật toán chuyển ñổi giá trị ñặt………………………………….…….… 43 3.6. Khảo sát, thực nghiệm các ñường ñặc tuyến của cảm biến và xây dựng hàm của các ñầu vào tương tự…………………………………………… .……….… .44 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp v 3.6.1. Khảo sát các ñường ñặc tuyến……………………………………….……… 44 3.6.2. Thực nghiệm các ñường ñặc tuyến trên PLC…………………………… 45 3.6.3. Xây dựng ñồ thị biểu diễn quan hệ giữa ñầu vào và ñầu ra………………… .47 3.6.4. Xây dựng hàm…………………………………………… ………… …… 47 3.6.4.1. Cơ sở lý thuyết…………………………………………………………… 47 3.6.4.2. Phần lập trình xây dựng hàm (phụ lục 2)………………………………….…48 3.7. Khảo sát thực nghiệm ñầu vào số………………………………………….… 48 3.8. Chương trình giám sát và thu thập từ cảm biến (phụ lục 3)………… ….… 50 3.9. Phần mềm thiết kế giao diện giám sát……………………… 50 3.10. Thiết kế cấu hình mạng MPI cho việc truyền thông giữa PLC – PC – TP177A (phụ lục 4) ………………………………………………………………………… …53 3.11. Phần mềm thiết kế giao diện với màn hình cảm ứng…………………… .54 3.11.1. Xây dựng phần mềm giao diện giữa người và màn hình cảm ứng.……… ….56 3.11.2. Xây dựng phần mềm giao diện cảnh báo, báo cáo hệ thống…………….…….56 3.12. Giới hạn các thông số và ñánh giá về sai số 58 3.13. Kết luận…………………………………………………………………………59 KẾT LUẬN, ðỀ XUẤT GIẢI PHÁP………………….………………………… 60 Tài liệu tham khảo ……………………………….…………………………… … 61 Phụ lục 1. Các bước ñể tạo một Project mới với WinCC……… .……………… ….62 Phụ lục 2. Lập trình xây dựng hàm .69 Phụ lục 3. Chương trình giám sát thu thập từ cảm biến . 78 Phụ luc 4. Thiết kế cấu hình mạng MPI cho việc truyền thông giữa PLC-PC-Tp177A 90 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Các ñại lượng và số lượng ñiểm cần giám sát tự ñộng…………… 20 Bảng 3.1. So sánh ñặc ñiểm các nguyên lý ñiều khiển chính trong công nghiệp…… 22 Bảng 3.2. Miêu tả dải ño của Module Analog SM 331 8AI 13 bits…… .24 Bảng 3.3. Hệ thống cảm biến và thiết bị cảnh báo……………… …………… .27 Bảng 3.4: Qui tắc xác ñịnh ñịa chỉ cho các module số và module tương tự………… 31 Bảng 3.5. ðịa chỉ vào/ra của module: (CPU 313C & SM 331 8AI 13bits)……… .…32 Bảng 3.6. Quy ước ñịa chỉ các ñầu vào PLC của cảm biến…………… …………….38 Bảng 3.7. Quy ước ñịa chỉ các ñầu ra cảnh báo…………………………………… 38 Bảng 3.8. Giao diện cảnh báo hệ thống thu thập dữ liệu………… ………………….57 Bảng 3.9. Màn hình hiển thị các giá trị ño theo thời gian………………… 58 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp vii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Cấu trúc chung của hệ SCADA………………………………………… …6 Hình 1.2. Tổ chức truy cập …………………………… .…………………….……… 7 Hình 1.3. Mô hình phân cấp………………………………………………………… 8 Hình 2.1. Hình ảnh tổng thể của mô hình nhà máy nhiệt ñiện…………………… 13 Hình 2.2. Sơ ñồ công nghệ của mô hình nhà máy nhiệt ñiện………………………….14 Hình 2.3. Turbine và máy phát……………………………………………………… .16 Hình 2.4. Sơ ñồ cấu trúc của hệ SCADA cho mô hình nhà máy ñiện……………… .20 Hình 2.5. Sơ ñồ các ñiểm ño của mô hình nhà máy nhiệt ñiện……………………… 21 Hình 3.1. Sơ ñồ cấu trúc phần cứng ứng dụng cho hệ ñiều khiển giám sát………… .23 Hình 3.2. Sơ ñồ ñấu dây kỹ thuật khi ñầu vào là V………………………………… .25 Hình 3.3. Sơ ñồ ñấu dây kỹ thuật khi ñầu vào là mA 25 Hình 3.4. Sơ ñồ ñấu dây các cảm biến vào module SM331 26 Hình 3.5. Nguyên lý chung về cấu trúc của một bộ ñiều khiển logic khả trình……….28 Hình 3.6. Sơ ñồ bố trí các Modul của PLC………………………… .…………… .30 Hình 3.7. Vòng quét chương trình………………………………………………… .34 Hình 3.8. Sơ ñồ khối kiểu lập trình tuyến tính…………………… .……………… 35 Hình 3.9. Sơ ñồ khối kiểu lập trình có cấu trúc…………………………………… .35 Hình 3.10. Ba kiểu ngôn ngữ lập trình chính chính của S7-300……… .…………….36 Hình 3.11. Thuật toán chính thu thập và xử lý thông tin ño ñược từ cảm biến.…… 39 Hình 3.12. Thuật toán quét dữ liệu……………………………………… .………….40 Hình 3.13. Thuật toán chuyển ñổi …………………………… .……………… .41 Hình 3.14. Thuật toán ñọc và hiển thị kết quả……………………………………… .42 Hình 3.15. Thuật toán cảnh báo quá giá trị ñặt…………………………………… 43 Hình 3.16. ðặc tuyến quan hệ giữa Nhiệt ñộ với ñiện trở của Pt100…………… .….44 Hình 3.17. ðặc tuyến quan hệ giữa Ura với cảm biến áp suất (Pressure sensor)…… 44 Hình 3.18. Thực nghiệm quan hệ giữa Nhiệt ñộ với số hóa trong PLC của Pt100 .….45 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp viii Hình 3.19. Thực nghiệm quan hệ giữa Dòng ñiện với số hóa trong PLC…… 46 Hình 3.20. ðồ thị biểu diễn quan hệ giữa ñầu vào và ñầu ra……………… .47 Hình 3.21. Giao diện chính trên màn hình giám sát……………… .…………… 50 Hình 3.22. Giao diện calib trước khi ño…………………………………………… .51 Hình 3.23. Giao diện dạng biểu ñồ…………………………………… .… .52 Hình 3.24. Giao diện ñồ hoạ………………………………………………… …53 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp 1 MỞ ðẦU. 1. ðẶT VẤN ðỀ. Khát vọng về một thế giới ngày càng có nhiều ñiện năng hơn chưa từng ñược thỏa mãn. ðiều ñó ñòi hỏi phải có những ñầu tư cho việc nghiên cứu các nguồn năng lượng khác nhau. Bên cạch các nguồn năng lượng truyền thống như thuỷ ñiện, nhiệt ñiện còn có các nguồn năng lượng khác như năng lượng tái tạo, năng lượng gió, năng lượng ñịa nhiệt, năng lượng mặt trời, năng lượng hạt nhân . Nhu cầu sử dụng ñiện năng của nước ta ngày càng cao cùng với sự phát triển về kinh tế xã hội. Vì vậy trong những năm gần ñây dự án các nhà máy ñiện ñã và ñang ñược phát triển nhanh chóng. ðòi hỏi phải có một nguồn nhân lực chất lượng cao, ñặt biệt trong lĩnh vực tự ñộng ñiều khiển, do ñó việc ñào tạo sát với thực tiễn là rất cần thiết. Hiện nay hàng năm nước ta sản xuất ra khoảng 50 tỷ KWh. Theo quy hoạch phát triển của ðiện lực Việt nam, trong năm 2010 sẽ xây dựng thêm 32 nhà máy ñiện với tổng công suất 9500MW và ñến năm 2020, khi nước ta cơ bản trở thành nước công nghiệp thì phải cần ñến 250 tỷ KWh. ðể nâng cao chất lượng ñiện năng, ñòi hỏi các nhà máy ñiện phải ñược tự ñộng hoá ở mức cao. Trong hệ thống tự ñộng, việc giám sát tự ñộng các thông số của nhà máy ñiện là công ñoạn ñầu tiên và rất quan trọng của quá trình, nó quyết ñịnh ñến hoạt ñộng chính xác hay không của hệ thống. Việc giám sát này không những góp phần tự ñộng hoá của hệ thống mà còn giúp cho quá trình giám sát biến ñổi nhanh ñược tốt hơn, nhằm phân tích các quá trình công nghệ một cách hiệu quả. ðược sự hướng dẫn của Giảng viên: TS. Hoàng Ngọc Nhân. Trường ðại học ðiện lực Hà nội và các Thầy cô trong khoa cơ ñiện Trường ðại học Nông nghiệp Hà nội, chúng tôi chọn ñề tài luận văn: “ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ TỰ ðỘNG GIÁM SÁT CÁC THÔNG SỐ CỦA MÔ HÌNH NHÀ MÁY NHIỆT ðIỆN DẦU V10CF/D0/125 - ỨNG DỤNG TRONG ðÀO TẠO.” [...]... 1.4 C u trỳc chung c a h SCADA C u trỳc chung c a h SCADA ủ c minh ho trong hỡnh 1.1 Hệ thống điều khiển giám sát NI Nối trực tiếp NI Thiết bị điều khiển tự động NI I/O NI Nối qua mạng NI: (Network Interface) Giao diện mạng I/O: (Input/Output) V o/Ra I/O NI Cảm biến v chấp h nh NI Qúa trình kỹ thuật Hỡnh 1.1 C u trỳc chung c a h SCADA Trong h th ng ủi u khi n giỏm sỏt, cỏc c m bi n v c c u ch p hnh ủúng... máy Lập báo cáo tự động Cảnh báo, báo động Điều khiển cấp cao Cơ sở dữ liệu quá trình I/O Server I/O Driver Hỡnh 1.2 T ch c truy c p Tr ng i h c Nụng nghi p H N i Lu n vn th c s nụng nghi p 7 1.5 Mụ hỡnh phõn c p ch c nng 1.5.1 Mụ hỡnh phõn c p Ton b h th ng ủi u khi n giỏm sỏt ủ c phõn chia thnh cỏc c p ch c nng nh hỡnh v minh ho d i ủõy: Quản lý công ty PC Điều h nh sản xuất Điều khiển giám sát. .. ng v thi t b cú nhi m v thu n tuý l thu th p d li u t cỏc tr m xa v truy n t i v khu trung tõm ủ x lý Trong cỏc h th ng nh v y thỡ h truy n thụng v ph n c ng ủ c ủ t lờn hng ủ u v c n s quan tõm nhi u hn Trong nh ng nm g n ủõy s ti n b v t b c c a cụng ngh truy n thụng cụng nghi p v cụng ngh ph n m m trong cụng nghi p ủó ủem l i nhi u kh nng v gi i phỏp m i nờn tr ng tõm c a cụng vi c thi t k xõy d ng... d ng hi n c (120kg/h) ủ c th hi n trong hỡnh 2.1 d i ủõy: Hỡnh 2.1 Hỡnh nh t ng th c a mụ hỡnh nh mỏy nhi t ủi n V s ủ t ng th v m t cụng ngh c a mụ hỡnh ủ c th hi n trong hỡnh 2.2: Tr ng i h c Nụng nghi p H N i Lu n vn th c s nụng nghi p 13 Hỡnh 2.2 S ủ cụng ngh c a mụ hỡnh nh mỏy nhi t ủi n * Mụ hỡnh bao g m cỏc kh i c th sau: 1 Kh i x lý n c ủ u vo (A): A1- Trong kh i ny cú b ph n lm m m n c... t s c a hi QD- B ủo lu l ng kh ng ch ngu n n c vo 6 Kh i ủo lu l ng c a hi quỏ nhi t (E): E1- ng thu h p m u ủ t tr c ti p trong ng hi PE- o ỏp su t vi sai ủ tớnh lu l ng E2, E3- Bỡnh ch a ch t c n trong quỏ trỡnh v n hnh 7 Kh i s d ng hi n c (H): H1: Turbine hi, ho t ủ ng trong tr ng h p ỏp su t th p ho c chõn khụng, k t h p v i b ủi u t c ly tõm Hỡnh 2.3 Turbine v mỏy phỏt Tr ng i h c Nụng nghi... (A) g m cú: b l c n c, qua ủo lu l ng, n c sau khi ủ c lm m m v ủ c d n vo bỡnh ch a (M1) N c t bỡnh ch a ủ c bm ki u piston (D3) bm vo cỏc ng trong lũ hi (D1) Nhiờn li u d u trong b ch a (C1) ủ c x xu ng bu ng ủ t v ủ t núng cỏc ng d n n c Khi nhi t ủ c a n c trong ng d n l n hn 1000C thi n c b t ủ u b c hi Hi n c d n qua cỏc van an ton, ủ c ủ ng h ủo ỏp su t vi sai (PE) ủo ủ tớnh lu l ng Sau ủú hi... t i hi n tr ng g n k v i h th ng k thu t C p ủi u khi n giỏm sỏt: cú ch c nng giỏm sỏt v v n hnh m t quỏ trỡnh k thu t, cú nhi m v h tr ng i s d ng trong vi c ci ủ t ng d ng, thao tỏc theo dừi, giỏm sỏt v n hnh v x lý nh ng tỡnh hu ng b t th ng Ngoi ra trong m t s tr ng h p, c p ny cũn th c hi n cỏc bi toỏn ủi u khi n cao c p nh ủi u khi n ph i h p, ủi u khi n trỡnh t v ủi u khi n theo cụng th c Vi... thi t trong mụ hỡnh ch c nng tr nờn c n thi t Cng vỡ th , ranh gi i gi a c p ủi u hnh s n xu t nhi u khi khụng rừ rng, hỡnh thnh xu h ng h i nh p hai c p ny thnh m t c p duy nh t g i chung l c p ủi u hnh 1.5.2 Ch c nng nhi m v t ng c p M t h th ng s n xu t cụng nghi p th ng ủ c t ch c phõn nhi m thnh nhi u c p qu n lý M i c p cú nhi m v ủo l ng, thu th p v ủi u khi n riờng lờn nh ng ủ i t ng trong. .. sỏt d li u, t ủú lm c s thi t k h th ng giỏm sỏt t ủ ng, ng d ng cho mụ hỡnh nh mỏy Nhi t ủi n d u V10CF/D0/125 t i Tr ng i h c i n l c H N i Nõng cao kh nng th c hi n cỏc d ỏn t ủ ng hoỏ trong nh mỏy ủi n cng nh trong cỏc nh mỏy cụng nghi p khỏc Giỳp nõng cao kh nng nghiờn c u c a gi ng viờn ủ nõng cao ch t l ng ủo t o cho sinh viờn c a cỏc ngnh: Nng l ng, t ủ ng hoỏ, h th ng ủi n L giỏo c d y h c... ng ủ u vo v ủ u ra c a quỏ trỡnh k thu t ph i ủ c ủi u khi n theo m t mụ hỡnh cho tr c trong khi cú tỏc ủ ng c a mụi tr ng xung quanh, ủ ng th i nh h ng x u c a quỏ trỡnh k thu t ủ i v i con ng i v mụi tr ng xung quanh ph i ủ c gi m thi u Hi n nay, h th ng ủi u khi n giỏm sỏt cú xu h ng phỏt tri n theo s tớch h p Tựy thu c vo quy mụ s n xu t m ng i ta ỏp d ng mụ hỡnh h th ng ủi u khi n khỏc nhau V i . 8 Hình 2.1. Hình ảnh tổng thể của mô hình nhà máy nhiệt ñiện……………………...... 13 Hình 2.2. Sơ ñồ công nghệ của mô hình nhà máy nhiệt ñiện………………………….14 Hình. ñiện năng, ñòi hỏi các nhà máy ñiện phải ñược tự ñộng hoá ở mức cao. Trong hệ thống tự ñộng, việc giám sát tự ñộng các thông số của nhà máy ñiện là công