Thiết kế hệ thống scada cho tàu dầu

Trang CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS HOÀNG MINH TRÍ ……………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………… Cán chấm nhận xét 1: ……………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………… Cán chấm nhận xét 2: ……………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………… Luận văn thạc só bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày Luận văn thạc só tháng năm 2005 Trang Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh Trường Đại Học Bách Khoa CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Phạm Ngọc Cường Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh:20-04-1979 Nơi sinh: Minh Hải Chuyên ngành: Điều Khiển Học Kỹ Thuật Mã số: 2.05.01 I - TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA CHO TÀU DẦU II - NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Thiết kế hệ SCADA vận hành thời gian thực phục vụ hệ thống buồng máy tàu, theo dõi tình trạng vận hành hệ thống đảm bảo mức khả dụng độ tin cậy cao - Mở rộng thiết kế điều khiển Fuzzy PID để điều khiển tốc độ động không đồng Ứng dụng để điều khiển động đẩy tàu, thiết bị nâng chuyển hàng, quạt… III - NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: IV - NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: V - HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS HOÀNG MINH TRÍ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH BỘ MÔN QUẢN LÝ NGÀNH Nội dung đề cương luận văn thạc só Hội Đồng Chuyên Ngành thô ng qua Ngày tháng năm 2005 KHOA QUẢN LÝ NGÀNH PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH Luận văn thạc só Trang LỜI CÁM ƠN Em xin gởi lời cám ơn sâu sắc đến TS Hoàng Minh Trí - người thầy hướng dẫn tận tình để em hoàn thành Luận Văn Em xin cám ơn tất Quý Thầy Cô tận tình dạy dỗ để em có kiến thức ngày hôm Con xin cám ơn Bố Mẹ Gia Đình bên cạnh động viên học tập lúc khó khăn Cám ơn tất bạn bè động viên, giúp đỡ để hoàn thành Luận Văn Luận văn thạc só Trang TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Hiện nay, thực tế nước ta có nhiều nhà máy, xí nghiệp hệ thống giao thông đường bộ, đường thủy sử dụng hệ thống giám sát điều khiển cục Do thật cần thiết phải cải tạo, nâng cấp thành hệ thống giám sát điều khiển trung tâm Các hệ thống đáp ứng yêu cầu giảm chi phí nhân công, tăng suất đồng thời nâng cao khả tin cậy tích hợp hệ thống Từ yêu cầu thực tế thiết kế hệ thống SCADA cho tàu dầu công ty VitacoP01: - Thiết kế hệ SCADA vận hành thời gian thực phục vụ hệ thống buồng máy tàu, theo dõi tình trạng vận hành hệ thống đảm bảo mức khả dụng độ tin cậy cao - Mở rộng thiết kế điều khiển Fuzzy PID để điều khiển tốc độ động không đồng Ứng dụng để điều khiển động đẩy tàu, thiết bị nâng chuyển hàng, quạt… Luận văn thạc só Trang MỤC LỤC LUẬN VĂN Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ SCADA VAØ HMI -7 I Khái Niệm Về SCADA Và HMI -7 II Nguyên Tắc Hoạt Động Của Hệ Thoáng SCADA 11 III Chức Năng Và Nhiệm Vụ Cơ Bản Của Hệ Thống SCADA 12 Giám sát phân tích hoạt động sản xuất 12 Hoạt động theo chương trình điều khiển -13 Kiểm tra đảm bảo chất lượng 13 Quản lý trình sản xuất -13 IV Phân Loại Hệ Thống SCADA 14 Hệ thống SCADA mờ -14 Hệ thống SCADA xử lý đồ hoạ thông tin thời gian thực 14 Hệ thống SCADA độc lập 15 Heä thống SCADA mạng 15 V Tiêu Chuẩn Đánh Giá 15 VI SCADA Leân Web 18 VII Nhìn Về Tương Lai 19 Chương 2: MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP 20 I Khaùi Nieäm -20 Khaùi niệm mạng truyền thông công nghiệp -20 Phân loại đặc trưng hệ thống mạng công nghiệp 22 II Cơ Sở Kỹ Thuật 27 Khái niệm tính thời gian thực -27 Kiến trúc giao thức 28 Luận văn thạc só Trang Chương 3: WINCC - THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA CHO TÀU DẦU -51 I Lập Trình WinCC (Windows Control Center) -51 Cấu trúc module WinCC -51 Giao diện WinCC -51 II Bộ Điều Khiển Fuzzy PID -54 III Thiết Kế Hệ Thống Scada Cho Tàu Dầu Petrolimex- 01 60 Giới thiệu 60 Hệ Thống Giám Sát Buồng Máy Tàu Petrolimex– 01 62 Chương 4: KẾT QUẢ THỰC HIỆN VÀ HƯỚNG MỞ RỘNG ĐỀ TÀI -72 I Hệ Thống Giám Sát Buồng Máy Tàu Petrolimex- 01 -72 Mô tả tổng quát 72 Heä thống giám sát -73 II Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ AC 89 Phương pháp PID 89 Phương pháp Fuzzy PID 90 III Hướng Mở Rộng Đề Tài 91 Mở rộng khả truyền thông hệ thống 91 Phương pháp điều khiển tàu -91 Tài liệu tham khảo 92 Phuï luïc 93 Luận văn thạc só Trang Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ SCADA VÀ HMI I Khái Niệm Về SCADA Và HMI Thị trường tiêu thụ hàng hóa đòi hỏi không ngừng nâng cao chất lượng, giảm giá thành, đổi kết cấu, mẫu mã sản phẩm Nhu cầu đặt yêu cầu tìm kiếm phương thức sản xuất để tạo nên dây chuyền sản xuất tự động cho phép nhanh chóng thay đổi mẫu mã, loại sản phẩm Dây chuyền tự động “cứng” gồm nhiều thiết bị tự động chuyên dùng đòi hỏi vốn đầu tư lớn, nhiều thời gian để thiết kế chế tạo, lúc quy trình công nghệ cải tiến, nhu cầu chất lượng quy cách sản phẩm thay đổi Bởi nhu cầu mềm hoá hay linh hoạt dây chuyền sản xuất ngày tăng Các dây chuyền sản xuất có khả thay đổi nhanh chóng lại không tốn nhiều công suất để chuyển sang sản xuất sản phẩm mới, sang quy trình công nghệ Để đáp ứng nhu cầu trên, yêu cầu phải có hệ thống sản xuất Hệ thống sản xuất tự động linh hoạt hay gọi tắt hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS) áp dụng thành tựu khoa học kỹ thuật tin học, kỹ thuật điều khiển số, điều khiển người máy Đặt biệt mô hình sản xuất tự động Workcell – tế bào sản xuất tự động – đơn vị có khả làm việc độc lập hoàn toàn với phận khác nhà máy, đảm đương việc thực hoàn tất công đoạn quy trình sản xuất Một workcell đại biến đổi chức làm việc để phù hợp với nhu cầu kết nối với workcell khác để tạo nên dây chuyền sản xuất linh hoạt Dây chuyền công nghiệp dùng người máy điều khiển máy tính điện tử với thiết bị gia công điều khiển số dạng NC CNC tạo khả dễ dàng thay đổi quy trình làm việc, thuyên chuyển công việc thực chủ yếu thay đổi chương trình cho máy tính Các thiết bị thay dần máy tự động “cứng” Luận văn thạc só Trang Hệ thống sản xuất linh hoạt bao gồm nhiều vấn đề phức tạp như: cấu trúc tổ chức, quản lý phần tử hệ thống đến việc đánh giá lợi ích, vấn đề xã hội mà hệ thống sản xuất gây Hệ thống điều khiển giám sát thu thập liệu (SCADA) phương thức tiên tiến điều khiển hệ thống sản xuất tự động công nghiệp phương thức điều khiển SCADA ứng dụng vào việc giám sát điều khiển tế bào sản xuất workcell Vậy ta giới thiệu sơ lược hệ thống SCADA Hệ SCADA đời vào năm 80 sở ứng dụng kỹ thuật tin học, mạng máy tính truyền thông công nghiệp Giống nhiều từ viết tắt có tính truyền thống khác, khái niệm SCADA (Supervisory Control And Acquisition) hiểu với ý nghóa khác nhau, tuỳ theo lónh vực ứng dụng theo thời gian Có thể, nói tới SCADA người ta liên tưởng tới hệ thống mạng thiết bị có nhiệm vụ tuý thu thập liệu từ trạm xa truyền tải khu trung tâm để xử lý Các hệ thống ứng dụng công nghiệp khai thác dầu khí phân phối lượng ví dụ tiêu biểu Theo cách hiểu này, vấn đề truyền thông đặt lên hàng đầu Trong nhiều trường hợp, khái niệm SCADA “NoneSCADA “ lại dùng để phân biệt giải pháp điều khiển giám sát dùng công cụ phần mềm chuyên dụng (ví dụ FIX, InTouch, WinCC, Lookout,…) hay phần mềm phổ thông (Acess, Excel, Visual Basic, Delphi, CBuilder,…) Ở đây, công nghệ phần mềm vấn đề quan tâm chủ yếu Nói cách tổng quát, hệ SCADA khác hệ thống điều khiển giám sát, tức hệ thống hỗ trợ người việc quan sát điều khiển từ xa, cấp cao hệ điều khiển thông thường Đương nhiên, để quan sát điều khiển từ xa cần phải có hệ thống truy cập (không thu thập! ) truyền tải liệu, cần phải có giao diện người - máy Luận văn thạc só Trang (Human - Machine Interface, HMI) Tuỳ theo trọng tâm nhiệm vụ mà người ta có cách nhìn khác Tuy nhiên hệ SCADA thường phải có đủ thành phần sau đây: + Giao diện người – máy (sơ đồ công nghệ, đồ thị, phím thao tác,…), + Cơ sở hạ tầng truyền thông công nghiệp, + Phần mềm kết nối với nguồn liệu (drivers cho PLC, module vào/ra , cho hệ thống bus trường, + Cơ sở liệu trình, + Các chức hỗ trợ trao đổi tin tức(Messaging) xử lý cố (Alarm) Hỗ trợ lập báo cáo (Reporting) Hay nói cách tổng quát hơn, hệ SCADA bao gồm thành phần sau: + Trạm điều khiển trung tâm (Master Station): Có nhiệm vụ thu thập, lưu trữ, xử lý số liệu đưa lệnh điều khiển xuống trạm sở + Hệ thống trạm sở (Operation Station): trạm đặt trường có nhiệm vụ thu thập, xử lý số liệu phạm vi định gửi số liệu trạm trung tâm đồng thời thực lệnh điều khiển từ trạm trung tâm + Mạng lưới truyền tin: Được xây dựng sở mạng máy tính truyền thông công nghiệp có chức đảm bảo thông tin hai chiều trạm điều khiển trung tâm trạm sở Như ta thấy, HMI thành phần hệ SCADA, nhiên cấp điều khiển giám sát, mà cấp thấp người ta cần giao diện người – máy phục vụ việc quan sát thao tác vận hành cục Vì lý giá thành, đặc tính kỹ thuật phạm vi chức năng, cấp gần với Luận văn thạc só Trang 10 trình kỹ thuật OP (Operator Panel) chuyên dụng chiếm vai trò quan trọng Sự tiến công nghệ phần mềm kỹ thuật máy tính PC, đặc biệt chiếm lónh thị trường hệ điều hành Windows NT với công nghệ Microsoft thúc đẩy phát triển công cụ tạo dựng phần mềm SCADA theo hướng mới, sử dụng PC Windows NT làm phát triển cài đặt Từ phạm vi chức tuý thu thập liệu cho việc quan sát, theo dõi trình, hệ SCADA ngày đảm nhiệm vai trò điều khiển cao cấp, điều khiển phối hợp Phương pháp điều khiển theo mẻ, điều khiển theo công thức (batch control, recipe control) ví dụ tiêu biểu Hơn nữa, khả tích hợp hệ thống điều khiển giám sát với ứng dụng khác hệ thống thông tin, phần mềm quản lý, tối ưu hoá hệ thống, toàn công ty trở nên dễ dàng Trong giải pháp điều khiển phân tán, hệ thống truyền thông cấp (bus trường, bus chấp hành – cảm biến) có sẵn Nếu mạng máy tính công ty trang bị (chủ yếu dùng Ethernet),thì sở hạ tầng cho việc truyền thông không vấn đề lớn phải giải Chính vậy, trọng tâm việc xây dựng giải pháp SCADA thời điểm vấn đề lựa chọn công cụ phần mềm thiết kế giao diện tích hợp hệ thống Luận văn thạc só Trang 83 2.7 FO&LO Click vaøo FO&LO Footer vaøo maøn hình này: Luận văn thạc só Trang 84 2.8 PUMP – S/G – C/E – AIR COMPRESSOR Click vaøo PUMP – S/G – C/E – AIR COMP hình này: Luận văn thạc só Footer vào Trang 85 2.9 MISCELLANEOUS Click vào MISC Footer vào hình này: Luận văn thạc só Trang 86 2.10 CALIBRATION Click vào CALIB Footer vào hình này: Giá trị lớn cảm biến Giá trị thời cảm biến Giá trị nhỏ cảm biến Luận văn thạc só Trang 87 2.11 ALARM Click vào Footer vào hình này: Thanh Alarm : Message List – Xem danh sách alarm x y sau cuøng nh t : Short-Term Archive – Xem Alarm x y ngày : Long-Term Archive – Xem caùc Alarm x y ngày : Lock List – khóa danh sách alarm list : Central Signaling Devices Ackn – ACK thi t b Luận văn thạc só ang báo alarm Trang 88 : Acknowledge single message – ACK thi t b ang ch n : Acknowledge all visible message – ACK list alarm phía d i list : Autoscroll activate/deactivate – on/off scroll : Open selector dialog : Open lock dialog - ng thay thông s h p ng thay i thông s h p : Print alarm message – In alarm : Emergency Acknowledgment – ACK kh n c p thi t b : Display first message - n message : Display last message - n message cu i : Display next message - n message phía d : Display previous message - ang alarm u i n message phía : Open Info text dialog - H p thông tin v text : Unlock/Lock Message - M khoùa/khoùa message : Sort - S p x p message : Time Base – Caøi t th i gian c a message hi n th theo th i gian máy tính ho c theo CPU i u n Luận văn thạc só Trang 89 II Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ AC Sơ đồ phần cứng thực Phương pháp PID Luận văn thạc só Trang 90 Phương pháp Fuzzy PID Giá trị đặt ngõ vào (Set Point – SP) cho hai phương pháp hàm nấc: 100 – 200 – 300 – 400 – 500 – 6ông” 500 – 400 RPM v Nhận xét : Kết cho thấy điều khiển Fuzzy PID có đáp ứng tốt điều khiển kinh điển PID, nhờ có chỉnh định mờ mà tính bền vững hệ nâng cao Luận văn thạc só Trang 91 III Hướng Mở Rộng Đề Tài Mở rộng khả truyền thông hệ thống Phương pháp điều khiển tàu 2.1 Hệ thống điều khiển dùng compass 2.2 Hệ thống điều khiển dùng GPS + compass Luận văn thạc só Trang 92 Tài liệu tham khảo • WinCC Configuration Manual (Volume1/Volume2) – Edition February 2001 (Siemens) • WinCC Getting Started Manual - Edition August 1997 (Siemens) • Tự động hoá với SIMATIC S7-300 (Nguyễn Doãn Phước-Phan Xuân Minh-Vũ Văn Hà ) • Tạp chí Tự Động Hoá Ngày Nay(Automation Today) • Mạng Truyền Thông Công Nghiệp (Hoàng Minh Sơn) • SIMATIC STEP7 User Manual (Siemens) • SIMATIC NET - Industrial Communication Networks-Siemens AG 1998 • SIMATIC Data Highway Reference Manual (Siemens) • SIMATIC S7-300 Programmable Controller Hardware and Installation Manual (Siemens) • Profibus:http://www.profibus.com • Lý thuyết điều khiển mờ (Phan Xuân Minh – Nguyễn Doãn Phước) • A Course in Fuzzy Systems and Control (Li-Xin Wang) Luận văn thạc só Trang 93 Phụ lục Tàu Dầu Petrolimex-01 Luận văn thạc só Trang 94 Buồng giám sát máy tàu Buồng giám sát máy tàu sau thiết kế Màn hình MP370 PC-WinCC Station Luận văn thạc só Trang 95 Đồng hồ hiển thị thông số áp suất Luận văn thạc só Trang 96 Đồng hồ hiển thị thông số nhiệt độ Luận văn thạc só Trang 97 Đèn báo trạng thái Alarm, run/stop, on/off Luận văn thạc só ... hợp hệ thống Từ yêu cầu thực tế thiết kế hệ thống SCADA cho tàu dầu công ty VitacoP01: - Thiết kế hệ SCADA vận hành thời gian thực phục vụ hệ thống buồng máy tàu, theo dõi tình trạng vận hành hệ. .. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG SCADA CHO TÀU DẦU II - NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Thiết kế hệ SCADA vận hành thời gian thực phục vụ hệ thống buồng máy tàu, theo dõi tình trạng vận hành hệ thống đảm... -13 IV Phân Loại Hệ Thống SCADA 14 Hệ thống SCADA mờ -14 Hệ thống SCADA xử lý đồ hoạ thông tin thời gian thực 14 Hệ thống SCADA độc lập