Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết kế hệ tự động giám sát các thông số của mô hình nhà máy nhiệt điện dầu V10CF d0 125 ứng dụng trong đào tạo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI -o0o - TRƯƠNG VĩNH THÞNH “ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ TỰ ðỘNG GIÁM SÁT CÁC THƠNG SỐ CỦA MƠ HÌNH NHÀ MÁY NHIỆT ðIỆN DẦU V10CF/D0/125 - ỨNG DỤNG TRONG ðÀO TẠO.” Chuyên ngành: ðiện khí hố sản xuất nơng nghiệp nơng thôn Mã số : 60 52 54 Người hướng dẫn khoa học: TS HOÀNG NGỌC NHÂN HÀ NỘI – 2010 LỜI CAM ðOAN Tơi xin cam đoan rằng: số liệu kết nghiên cứu luận văn trung thực chưa sử dụng ñể bảo vệ học vị Tơi xin cam đoan rằng: giúp ñỡ cho việc thực luận văn ñã cảm ơn thơng tin trích dẫn luận văn ñều ñược rõ nguồn gốc Tác giả luận văn Trương Vĩnh Thịnh Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp i LỜI CẢM ƠN Trong thời gian nghiên cứu hồn thành luận văn, tơi nhận giúp đỡ nhiệt tình tập thể cá nhân Thầy Cô giáo: Trường ðHNN Hà Nội, Trường ðHBK Hà Nội, Trường ðHðL Hà Nội bạn bè, đồng nghiệp Tơi 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 Thầy Cơ giáo Bộ mơn điện, Khoa ñiện, Viện sau ñại học Trường ðHNN Hà Nội Cảm ơn Khoa cơng nghệ tự động - Trường ðHðL Hà Nội Cảm ơn bạn bè ñồng nghiệp ñã tận tình giúp đỡ tơi nghiên cứu hồn thành luận văn Trong q trình nghiên cứu hồn thành luận văn, thời gian trình độ có hạn, nên khơng tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận ñược ý kiến ñóng góp chân thành Thầy Cơ bạn bè đồng nghiệp Tác giả luận văn Trương Vĩnh Thịnh Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ii MỤC LỤC Trang Lời cam ñoan i Lời cảm ơn .ii Mục lục iii Danh mục bảng .vi Danh mục hình .vii MỞ ðẦU 1 ðặt vấn ñề Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu luận văn 2.1 Mục đích nghiên cứu đề tài .2 2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu ñề tài .2 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT……3 1.1 ðịnh nghĩa hệ thống SCADA……………………………………… 1.2 Phân loại hệ thống SCADA………………………………… ……… … 1.3 Những chuẩn ñể ñánh giá hệ thống SCADA…………… 1.4 Cấu trúc chung hệ SCADA…………………………………… ……6 1.5 Mơ hình phân cấp chức năng…………………………………… 1.5.1 Mơ hình phân cấp……………………………………………… … …….……8 1.5.2 Chức nhiệm vụ cấp………………………………………… ….10 1.6 Kết luận………………………………………………………………… …… 12 CHƯƠNG KHẢO SÁT MƠ HÌNH NHÀ MÁY NHIỆT ðIỆN V10CF/D0/125 ……………………………………………………………………….13 2.1 Giới thiệu mơ hình nhà máy nhiệt ñiện………………… … … …… 13 2.2 Hiện trạng mơ hình nhà máy nhiệt điện…………… … …… … …18 2.3 Giải pháp tự động hóa cho mơ hình nhà máy ñiện…… …… ……… …18 2.3.1 Bảo dưỡng, vận hành lại mơ hình nhà máy nhiệt điện……………… ……… 18 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nơng nghiệp iii 2.3.2 Tự động hố cho nhà máy nhiệt điện………………………………… ……… 19 2.3.3 u cầu tốn thực tế cho giám sát mơ hình nhà máy nhiệt ñiện… …… … … 20 2.4 Kết luận…………………………………………………………………………………21 CHƯƠNG 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 PLC……………………………………………… 27 3.2.2 Các module PLC S7-300………………………………………… ……… 29 3.2.3 Cấu trúc nhớ PLC S7 – 300………………………………………… 32 3.2.4 Vịng qt chương trình …………………………………….…… … .34 3.2.5 Cấu trúc chương trình………………………………………………… …… 35 3.2.6 Ngơn ngữ lập trình…………………………………………………… .36 3.3 Phần mềm lập trình………….……………………………………………… 37 3.4 Các bước để tạo Project với WinCC (Xem phụ lục 1)…………… 37 3.5 Chương trình thu thập xử lý thơng tin đo từ cảm biến…………… 38 3.5.1 Chương trình thu thập xử lý thông tin…………….….………… … 38 3.5.2 Chương trình con…….…………………………………………….………… 40 3.5.2.1 Thuật tốn qt liệu……………………………………….…….…… .40 3.5.2.2 Thuật tốn chuyển đổi………………………………………….….………….41 3.5.2.3 Thuật tốn đọc hiển thị kết quả……………………………….…… 42 3.5.2.4 Thuật toán chuyển ñổi giá trị ñặt………………………………….…….… 43 3.6 Khảo sát, thực nghiệm ñường ñặc tuyến cảm biến xây dựng hàm ñầu vào tương tự…………………………………………… ……….… 44 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp iv 3.6.1 Khảo sát ñường ñặc tuyến……………………………………….……… 44 3.6.2 Thực nghiệm ñường ñặc tuyến PLC…………………………… 45 3.6.3 Xây dựng ñồ thị biểu diễn quan hệ ñầu vào 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 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 PLC – PC – TP177A (phụ lục 4) ………………………………………………………………………… …53 3.11 Phần mềm thiết kế giao diện với hình cảm ứng…………………… .54 3.11.1 Xây dựng phần mềm giao diện người hình cảm ứng.……… ….56 3.11.2 Xây dựng phần mềm giao diện cảnh báo, báo cáo hệ thống…………….…….56 3.12 Giới hạn thông số ñánh giá sai số 58 3.13 Kết luận…………………………………………………………………………59 KẾT LUẬN, ðỀ XUẤT GIẢI PHÁP………………….………………………… 60 Tài liệu tham khảo……………………………….…………………………… … 61 Phụ lục Các bước ñể tạo Project với WinCC……… ……………… ….62 Phụ lục Lập trình xây dựng hàm .69 Phụ lục Chương trình giám sát thu thập từ cảm biến .78 Phụ luc Thiết kế cấu hình mạng MPI cho việc truyền thông PLC-PC-Tp177A 90 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Các ñại lượng số lượng ñiểm cần giám sát tự ñộng…………… 20 Bảng 3.1 So sánh ñặc ñiểm ngun lý điều khiển cơng nghiệp…… 22 Bảng 3.2 Miêu tả dải ño Module Analog SM 331 8AI 13 bits…… .24 Bảng 3.3 Hệ thống cảm biến thiết bị cảnh báo……………… …………… 27 Bảng 3.4: Qui tắc xác ñịnh ñịa cho module số module tương tự………… 31 Bảng 3.5 ðịa vào/ra module: (CPU 313C & SM 331 8AI 13bits)……… …32 Bảng 3.6 Quy ước ñịa ñầu vào PLC cảm biến…………… …………….38 Bảng 3.7 Quy ước ñịa ñầu cảnh báo…………………………………… 38 Bảng 3.8 Giao diện cảnh báo hệ thống thu thập liệu………… ………………….57 Bảng 3.9 Màn hình hiển thị giá trị ño theo thời gian………………… 58 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Cấu trúc chung hệ SCADA………………………………………… …6 Hình 1.2 Tổ chức truy cập …………………………… …………………….……… Hình 1.3 Mơ hình phân cấp………………………………………………………… Hình 2.1 Hình ảnh tổng thể mơ hình nhà máy nhiệt điện…………………… 13 Hình 2.2 Sơ đồ cơng nghệ mơ hình nhà máy nhiệt điện………………………….14 Hình 2.3 Turbine máy phát……………………………………………………… 16 Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc hệ SCADA cho mơ hình nhà máy điện……………… 20 Hình 2.5 Sơ đồ điểm đo mơ hình nhà máy nhiệt điện……………………… 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 đầu vào V………………………………… 25 Hình 3.3 Sơ ñồ ñấu dây kỹ thuật ñầu vào mA 25 Hình 3.4 Sơ ñồ ñấu dây cảm biến vào module SM331 26 Hình 3.5 Nguyên lý chung cấu trúc ñiều khiển logic khả trình……….28 Hình 3.6 Sơ đồ bố trí Modul PLC………………………… …………… 30 Hình 3.7 Vịng qt chương trình………………………………………………… 34 Hình 3.8 Sơ đồ khối kiểu lập trình tuyến tính…………………… ……………… 35 Hình 3.9 Sơ đồ khối kiểu lập trình có cấu trúc…………………………………… 35 Hình 3.10 Ba kiểu ngơn ngữ lập trình chính S7-300……… …………….36 Hình 3.11 Thuật tốn thu thập xử lý thơng tin đo từ cảm biến.…… 39 Hình 3.12 Thuật tốn qt liệu……………………………………… ………….40 Hình 3.13 Thuật tốn chuyển đổi …………………………… ……………… .41 Hình 3.14 Thuật tốn đọc hiển thị kết quả……………………………………… 42 Hình 3.15 Thuật tốn cảnh báo q giá trị đặt…………………………………… 43 Hình 3.16 ðặc tuyến quan hệ Nhiệt ñộ với ñiện trở Pt100…………… ….44 Hình 3.17 ðặc tuyến quan hệ Ura với cảm biến áp suất (Pressure sensor)…… 44 Hình 3.18 Thực nghiệm quan hệ Nhiệt độ với số hóa PLC Pt100 ….45 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp vii Hình 3.19 Thực nghiệm quan hệ Dịng điện với số hóa PLC…… 46 Hình 3.20 ðồ thị biểu diễn quan hệ ñầu vào ñầu ra……………… .47 Hình 3.21 Giao diện hình giám sát……………… …………… 50 Hình 3.22 Giao diện calib trước đo…………………………………………… 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 viii MỞ ðẦU ðẶT VẤN ðỀ Khát vọng giới ngày có nhiều điện chưa thỏa mãn ðiều địi hỏi phải có ñầu tư cho việc nghiên cứu nguồn lượng khác Bên cạch nguồn lượng truyền thống thuỷ điện, nhiệt điện cịn có nguồn lượng khác lượng tái tạo, lượng gió, lượng ñịa nhiệt, lượng mặt trời, lượng hạt nhân Nhu cầu sử dụng ñiện nước ta ngày cao với phát triển kinh tế xã hội Vì năm gần ñây dự án nhà máy ñiện ñã phát triển nhanh chóng ðịi hỏi phải có nguồn nhân lực chất lượng cao, ñặt biệt lĩnh vực tự động điều khiển, việc đào tạo sát với thực tiễn cần thiết Hiện hàng năm nước ta sản xuất khoảng 50 tỷ KWh Theo quy hoạch phát triển ðiện lực Việt nam, năm 2010 xây dựng thêm 32 nhà máy điện với tổng cơng suất 9500MW đến năm 2020, nước ta trở thành nước cơng nghiệp phải cần đến 250 tỷ KWh ðể nâng cao chất lượng điện năng, địi hỏi nhà máy điện phải tự động hố mức cao Trong hệ thống tự ñộng, việc giám sát tự ñộng thơng số nhà máy điện cơng đoạn quan trọng q trình, định đến hoạt động xác hay khơng hệ thống Việc giám sát khơng góp phần tự động hố hệ thống mà cịn giúp cho q trình giám sát biến đổi nhanh tốt hơn, nhằm phân tích q trình cơng nghệ cách hiệu ðược hướng dẫn Giảng viên: TS Hoàng Ngọc Nhân Trường ðại học ðiện lực Hà nội Thầy khoa điện Trường ðại học Nơng nghiệp Hà nội, chúng tơi chọn đề tài luận văn: “ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ TỰ ðỘNG GIÁM SÁT CÁC THƠNG SỐ CỦA MƠ HÌNH NHÀ MÁY NHIỆT ðIỆN DẦU V10CF/D0/125 - ỨNG DỤNG TRONG ðÀO TẠO.” Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp A( L MW L MW 22 I ) = Q 125.1 L 20.0 A( A JNB _00d L PIW 260 T MW SET SAVE CLR _00d: A BR ) JNB _00e L MW L MW 44 /I Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp 82 T MW AN OV SAVE CLR _00e: A BR = L 20.1 A L 20.1 A( L MW L MW 24 I ) = Q 125.2 L 20.0 A( A JNB _00f L PIW 262 T MW SET SAVE Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp 83 CLR _00f: A BR ) JNB _010 L MW L MW 46 /I T MW AN OV SAVE CLR _010: A BR = L 20.1 A L 20.1 A( L MW L MW 26 I ) = Q 125.3 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp 84 A( A L 20.0 JNB _011 L PIW 264 T MW SET SAVE CLR _011: A BR ) JNB _012 L MW L MW 48 /I T MW AN OV SAVE CLR _012: A BR = L 20.1 A L 20.1 A( L MW L MW 28 I ) = Q 125.4 L 20.0 A( A JNB _013 L PIW 266 T MW 10 SET SAVE CLR _013: A BR ) JNB _014 L MW 10 L MW 50 /I T MW 10 AN OV SAVE CLR _014: A = BR L 20.1 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp 86 A L 20.1 A( L MW 10 L MW 30 I ) = Q 125.5 L 20.0 A( A JNB _015 L PIW 268 T MW 12 SET SAVE CLR _015: A BR ) JNB _016 L MW 12 L MW 52 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp 87 /I T MW 12 AN OV SAVE CLR _016: A BR = L 20.1 A L 20.1 A( L MW 12 L MW 32 I ) = Q 125.6 L 20.0 A( A JNB _017 L PIW 270 T MW 14 SET Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp 88 SAVE CLR _017: A BR ) JNB _018 L MW 14 L MW 54 /I T MW 14 AN OV SAVE CLR _018: A BR = L 20.1 A L 20.1 A( L MW 14 L MW 34 I ) = Q 125.7 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp 89 PHỤ LỤC 4.1 Thiết kế cấu hình mạng MPI cho việc truyền thơng PLC-PC-Tp177A Từ yêu cầu luận văn, ñã thiết kế mạng MPI phục vụ cho việc trao ñổi, truyền thông liệu thiết bị với Sử dụng card truyền thông CP 5611 Siemens dùng cho kết nối từ máy tính vào mạng truyền thơng Khi cắm card CP 5611 vào máy tính, phép máy tính tham gia vào việc truyền thơng mạng, ta phải khai báo cấu hình máy tính để trạm tham gia mạng biết địa mục đích tham gia máy tính 4.1.1 Khai báo cấu hình hình cảm ứng Tp177A Các bước tiến hành ñể liên kết với PC Thiết lập kết nối máy tính: Chọn Start Simatic Step Setting the PG - PC Interface Cấu hình cáp truyền thơng cho máy tính – TP177A Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp 90 Chọn cáp PC (MPI) ñể kết nối Properties Chọn cáp truyền thông Thiết lập thơng số tốc độ, địa chỉ, số thiết bị tối đa điều khiển Chọn thơng số truyền thông mạng Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp 91 Chọn dạng cổng truyền thông kết nối với PC Tuỳ thuộc vào loại cáp MPI sử dụng cổng USB hay cổng Com mà ta chọn cổng kết nối thích hợp Chọn cổng kết nối Thiết lập cho TP177A: Chọn Project Transfer Transfer Setting Cấu hình để nạp chương trình cho TP177A Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nơng nghiệp 92 Khi ta có hình cho phép định dạng truyền thơng cho TP177A Chọn mạng địa cho hình cảm ứng Thiết lập hình: Màn hình sau khởi ñộng chế ñộ chờ với chế độ khác nhau: Cấu hình cứng hình cảm ứng Nhấn Transfer để kết nối với PC PLC Ta chọn Transfer muốn Downloads chương trình từ máy tính xuống hình Nhấn Start: chạy chương trình điều khiển nạp vào Nhấn Control Panel: để thiết lập thơng số cho hình Chọn MPI/DP để thiết lập thơng số Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp 93 Thiết lập ñịa hình tốc độ truyền thơng mạng Với: (1) địa Bus truyền thơng (2) tốc độ truyền thơng Có thể chọn: Transfer sau thiết lập cho MPI/DP Khai báo cấu hình card CP 5611 cho máy tính để tham gia truyền thơng Khi cắm card vào máy tính, PLC S7-300, ta khai báo cấu hình mạng MPI Card truyền thơng CP 5611 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp 94 Trong Simatic Manager, ta chọn cấu hình MPI trạm, sau từ chương trình WinCC, ta chuyển cấu hình HMI để config với mạng Sau đó, ứng với trạm, ta chọn ñịa thiết lập tốc ñộ truyền thông mạng cho trạm, lưu ý tốc ñộ truyền mạng phải đồng Khai báo cấu hình máy tính sử dụng card CP 5611 Tiếp đó, từ phần thiết lập PG/PC, ta chọn loại card mạng sử dụng ñể thiết lập cài ñặt ñịa tốc độ truyền thơng Chọn loại card truyền thơng Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp 95 4.1.2 Thiết lập mạng MPI ðể thiết lập mạng MPI cho thiết bị trên, sử dụng connector Siemens ñể kết nối thiết bị vào mạng Connector dùng cho kết nối mạng MPI Profibus Từ connector này, thiết kế mạng MPI sau: Mạng MPI cho hệ thống ño giám sát Từ hệ thống này, ta đo lường, giám sát thông số hệ thống mà không cần phải trực tiếp ñi tới trường ñể ñọc thông số Và thông qua phần mềm giao diện, ta cài đặt hay hiệu chỉnh tham số để hệ thống làm việc tốt hơn, ñạt theo yêu cầu mong muốn Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp 96 ... Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp 12 CHƯƠNG KHẢO SÁT MƠ HÌNH NHÀ MÁY NHIỆT ðIỆN V10CF/ D0/ 125 2.1 Giới thiệu mơ hình nhà máy nhiệt điện Mơ hình nhà máy nhiệt điện V10CF/ D0/ 125 mơ hình sử dụng. .. khoa điện Trường ðại học Nơng nghiệp Hà nội, chúng tơi chọn đề tài luận văn: “ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ TỰ ðỘNG GIÁM SÁT CÁC THƠNG SỐ CỦA MƠ HÌNH NHÀ MÁY NHIỆT ðIỆN DẦU V10CF/ D0/ 125 - ỨNG DỤNG TRONG. .. làm sở thiết kế hệ thống giám sát tự động, ứng dụng cho mơ hình nhà máy Nhiệt ñiện dầu V10CF/ D0/ 125 Trường ðại học ðiện lực Hà Nội Nâng cao khả thực dự án tự động hố nhà máy điện nhà máy công