3.2.1. Cấu hình CPU
Như đã trình bày ở chương 1 và chương 2, có thể đưa ra một số đặc điểm về công nghệ và yêu cầu điều khiển của giàn nén khí Mỏ Rổng như sau :
Giàn nén khí Mỏ Rồng có diện tích nhỏ được chia làm hai phân khu chính : phân khu thứ nhất nằm ở tầng Topsides bao gồm hệ thống phụ trợ cho các bình tách đầu vào V101, bình tách hệ thống xả kín V301, bình tách đuốc cao áp V401 và phân khu thứ hai nằm phía trên tầng Topsides (tầng SLM-Single Left Module) bao gồm hệ thống phụ trợ cho máy nén vào gồm các bình V201A,V202A,V203A.
Số lượng thiết bị công nghệ và thiết bị đầu cuối không lớn (53 DI, 44 DO, 14AI, 20 AO), Thuật toán điều khiển không phức tạp, chủ yếu là tác động ON/OFF. Chức năng thu thập dứ liệu cho giám sát là quan trọng.
Từ những đặc điểm trên, cấu hình cơ bản hệ thống điều khiển giàn nén khí Mỏ Rồng được đề xuất gồm các thành phần sau:
Các trạm vận hành OS (Operator Station).
Trạm kỹ thuật ES (Engineering Station)và các công cụ phát triển.
Bộ điều khiển cục bộ PLC S7-300
Hệ thống truyền thông (field bus, system bus).
Yêu cầu đặt ra: Cần chọn một loại S7-300 có khả năng điều khiển được 53 DI, 44 DO, 14 AI, 20 AO. Có khả năng giám sát, truyền thông khoảng 50m, có khả năng điều khiển PID cho các giá trị mức chất lỏng, áp suất, nhiệt độ. Tối ưu hóa việc nâng cấp, bảo trì, sửa chữa và thay thế.
Chương 3. Thiết kế cấu hình phần cứng và chương trình phần mềm
Dựa vào các yêu cầu trên, ta chọn S7-315 2DP. Với số lượng cổng vào ra như trên, cũng với vị trí các thiết bị, ta sử dụng thêm 2 modul mở rộng ET200M. Cấu hình phần cứng hệ thống điều khiển như hình 3.1.
Hình 3.1. Cấu hình phần cứng cho S7 300 và 2 ET200M
3.2.2. Cấu hình I/O
Hình 3.2. Cấu hình ET 200M thứ nhất
Hình 3.3. Cấu hình ET 200M thứ hai
3.3. Thiết kế cấu trúc chương trình
Mục đích chương trình là theo dõi giám sát các giá trị nhiệt độ, áp suất, mức chất lỏng trong bình, điều khiển được mức chất lỏng theo PID.
Chương 3. Thiết kế cấu hình phần cứng và chương trình phần mềm
Hệ điêu hành của CPU S7-300 cung cấp khối OB100 cho phép ta thực hiện các công việc khởi động cho chương trình điều khiển. Khi chuyển CPU từ chế độ Stop sang chế độ Run, hệ điều hành bao giờ cũng gọi và thực hiện chương trình trong khối OB100 trước, sau đó mới thực sự bắt đầu vòng quét với việc gọi khối OB1, thực hiện tuần tự các lệnh trong khối OB1. Trong khối OB1, khi gặp các lệnh gọi các khối FC thì chương trình sẽ quét sang các khối đó, các lệnh trong khối FC đó được thực hiện tuần tự. Sau khi thực hiện xong trong khối FC, lại trở về khối OB1 và thực hiện các lệnh tiếp theo.
Trong đề tài này, có sử dụng thêm 1 khối DB và 1 khối ngắt OB35 với chu kỳ 100mb. Mỗi lần ngắt, PLC trích mẫu các tín hiệu vào và tính toán ở khối FB41 đưa ra tín hiệu điều khiển độ mở van. Khối DB để lưu trữ các giá trị về mức chất lỏng, nhiệt độ, áp suất, độ chênh áp.
Bảng 3.5. Liệt kê các khối lệnh của chương trình
STT Tên Khối Chức năng chính
1 OB1 Khối tổ chức chương trình
2 FC1 Khối khởi động giàn black start
3 FC2 Khối cảnh báo APS, ESD, PSD
4 FC3 Khối khởi động giàn sau khi có tín hiệu PSD
5 FC5 Xử lý hệ thống bình V101 6 FC6 Xử lý hệ thống bình V301 7 FC7 Xử lý hệ thống bình V401 8 FC9 Xử lý hệ thống bình V201A 9 FC10 Xử lý hệ thống bình V202A 10 FC11 Xử lý hệ thống bình V203A
Chương 3. Thiết kế cấu hình phần cứng và chương trình phần mềm
3.3.1. Lưu đồ chương trình một vòng quét
Begin Gọi FC1 (Khởi động giàn) Gọi FC2 (Khối cảnh báo) Gọi FC3
(Khối khởi động lại giàn sau khi reset)
Gọi FC5
(Khối điều khiển bình tách đầu vào V101)
Gọi FC6
(Khối điều khiển bình tách hệ thống xả kín V301)
Gọi FC7
(Khối điều khiển bình tách đuốc cao áp V401)
Gọi FC9
(Khối điều khiển bình nén khí V201A)
Gọi FC10
(Khối điều khiển bình nén khí V202A)
Gọi FC11
(Khối điều khiển bình nén khí V203A)
End
Chương 3. Thiết kế cấu hình phần cứng và chương trình phần mềm
3.3.2. Lưu đồ chương trình khởi động giàn và khởi động sau reset
Begin Nhấn nút Start? T6<20 phút Đóng các van XBDV Mở van XV0101, XV0601 Mở van SDV0501, SDV0201A, SDV0301A, SDV0401A, SDV0402A Khởi động máy nén End Đ Đ S S
Hình 3.5. Lưu đồ chương trình khởi động giàn - FC1
Khi nhấn nút Start, giàn nén khí sẽ được khởi động. Khi bắt đầu khởi động, trong các bình đều chưa có chất lỏng nên sẽ có các cảnh báo mức thấp, áp suất thấp… Mỗi tiếp điểm cảnh báo mức Rất Cao ( High High) và Rất Thấp (Low Low) đều cần thiết kế các tiếp điểm thường đóng MOS mắc nối tiếp, mục đích là khi nhấn phím MOS thì vô hiệu hóa các tiếp điểm cảnh báo đứng trước nó. Trong quá trình khởi đông giàn và trong quá trình vận hành, khi thấy cảnh báo thì ta sẽ bấm phím MOS để vô hiệu hóa các cảnh báo để tránh dừng giàn. Sau đó người vận hành xuống hiện trường để xử lý sự cố bằng cách đóng mở các van bằng tay.
Sau khi kiểm tra các thiết bị an toàn, khởi động máy phát điện hoặc lấy điện từ RP-3, xả hết áp suất ra môi trường, tất cả các thiết bị đã sẵn sàng cho quá trình khởi động giàn. Đóng các van xả khí cao áp và thấp áp lên đuốc (van XBDV). Khi áp suất trong bình ổn định, đóng van bypass của XV-0101, mở van XV-0101 tiếp nhận khí đồng hành cao áp
Chương 3. Thiết kế cấu hình phần cứng và chương trình phần mềm
vào Bình tách đầu vào (Slug Catcher V-101), khi áp suất đạt được 570 kPa thì tiến hành thổi và thử độ kín.
Đồng thời, ta tiến hành khởi động hệ thống khí nhiên liệu bằng cách mở đường gaslift, khi áp suất đã ổn định thì mở tiếp van bypass của van SDV-1501, tiến hành thử độ kín và xả ra đuốc để đẩy hết không khí trong hệ thống và xả chất lỏng ra ngoài, sau khi tăng áp suất trong hệ thống khí nhiên liệu lên 10900 kPa cho ổn định thì mở van SDV-1501.
Trước khi khởi động máy nén cao áp cần thổi N2 cho tổ máy và toàn bộ hệ thống đến cầu dẫn để đạt được hàm lượng Ô xy < 2% . Khi xác định tất cả các thiết bị sẵn sàng cho khởi động thì bấm nút RUN trên tủ điều khiển tuốc bin máy nén. Các van SDV 0201A, SDV0301A, SDV0401A, SDV0402A sẽ được mở ra và sẵn sàng đón dòng khí cao áp từ Bình tách đầu vao.
Tại Bình tách đầu vào khí đồng hành được tách thành hai thành phần là khí và chất lỏng (gồm condensate và nước). Phần khí đi vào đầu hút của các tổ máy nén cao áp, sau đó được làm sạch tiếp và nén. Condensate từ bình tách đầu vào V-101 đi qua hệ thống condensate header và đi sang giàn RP-3
Begin
Nhấn nút Reset?
T7<10 phút
Mở van SDV1501 cấp khí cho fuel gas Mở van XV0101, XV0601 Mở van SDV0501, SDV0201 Khởi động máy nén End Đ Đ S S
Hình 3.6. Lưu đồ chương trình Khởi động sau khi Reset - FC3
Khi gặp sự cố phải dừng công nghệ giàn hoặc dừng thiết bị hoặc người vận hành nhấn nút dừng vận hành giàn, cần phải có chức năng khởi động lại, người vận hành chỉ cần nhấn nút Reset. Lúc này, các van XBDV khi có sự cố đã đóng lại, các van XV sẽ được mở ra để cấp khí trở lại, đồng thời chạy máy nén khí.
Chương 3. Thiết kế cấu hình phần cứng và chương trình phần mềm
3.3.3. Lưu đồ chương trình cảnh báo sự cố
Begin
APS =1 ?
Cảnh báo APS Đèn đỏ nháy Hồi còi ngân dài
Dừng hệ thống
ESD=1?
Cảnh báo ESD Đèn xanh nháy Hồi còi kêu ngắn Mở các van XBDV Đóng các van XV Đ S PSD=1 ? Cảnh báo PSD Đóng các van XV0101, XV0601, SDV1501, SDV0201A,SDV0501A Dừng máy nén khí Đ S Đ S End
Hình 3.7. Lưu đồ chương trình cảnh báo – FC2
Trong quá trình vận hành Giàn nén khí mỏ Rồng DGCP, khi có sự cố, có các mức cảnh báo cơ bản sau:
Mức 1: Dừng giàn và rời giàn (APS), Đèn màu đỏ nháy liên tục và còi âm thanh kéo dài.
Mức 2: Dừng giàn sự cố (ESD), Đèn màu xanh nháy và các hồi còi ngắn. Mức 3: Dừng công nghệ (PSD)
Khi có tín hiệu báo cháy, báo khí vượt 50% LEL, áp suất không khí nuôi giảm dưới mức cho phép, khi áp suất trong hệ thống nút báo cháy giảm dưới mức đặt, áp suất đầu ra, đầu vào thấp, áp suất khí điều khiển thấp hơn mức cho phép thì sẽ kích hoạt dừng giàn sự cố ESD. Khi đó, các thiết bị công nghệ chính sẽ bị dừng lại, dừng các hệ thống
Chương 3. Thiết kế cấu hình phần cứng và chương trình phần mềm
xả áp suất, đóng các van cách ly (XV), mở các van xả tự động (XBDV), dừng các máy phát chính và khởi động mở van nước cứu hỏa. Người vận hành tiến hành khắc phục sự cố và cho khởi động lại thiết bị công nghệ.
Khi có tín hiệu báo mức cao của chất lỏng trong các bình ảnh hưởng đến sự hoạt động của các thiết bị khác thì sẽ kích hoạt cảnh báo dừng công nghệ PSD, toàn bộ quá trình công nghệ của DGCP sẽ bị dừng nhưng không xả khí, các van cách ly (XV) và các van của hệ thống máy nén khí ( SDV0201A, SDV0401A, SDV0402A) được đóng lại. Tất cả hệ thống vẫn còn áp suất khí và sẵn sàng cho việc nhanh chóng khởi động giàn.
3.3.4. Lưu đồ chương trình điều khiển bình tách đầu vào Slug Catcher
Begin PSHH-0102=1? MOS-PSHH- 0102=1? PSLL-0102=1? MOS-PSLL- 0102=1? ALARM ESD LSHH-0101=1? MOS-LSHH- 0101=1? Đ Đ Đ Đ S S Đ S S OFF VAN XV-0102 S
Đọc đầu vào tương tự AI bằng FC105: TT0106,PT0103,PT0106,PT0107,FT0103,LT0103
PDI 0102=PI 0106 – PI 0103 PDI 0103=PI 0103 – PI 0107
Chuyển dữ liệu vào DB20
1
Chương 3. Thiết kế cấu hình phần cứng và chương trình phần mềm 1 Đọc dữ liệu vào FC106 LI 0106, PI 0106, PDI 0102, PDI 0103 Hiển thị LI 0106, PI 0106, PDI 0102, PDI 0103 PI 0103 ≥ 950 Cảnh báo PAH 0103 PI 0103 ≤ 500 Cảnh báo PAL 0103 LI 0103 ≥ 1023 Cảnh báo LAH 0103 LI 0103 ≤ 450 Cảnh báo LAL 0103
Chạy FB41, điều khiển mức trong bình bằng bộ điều khiển PID
END 2 S S S S Đ Đ Đ Đ
Chương 3. Thiết kế cấu hình phần cứng và chương trình phần mềm
Sau khí khởi động giàn thành công, khí cao áp đi vào bình tách đầu vào V-101 với áp suất khoảng 5,7 Bar và nhiệt độ 26oC với thể tích chứa là 28m3 sẽ được phân tách thành 2 pha lỏng ( Condensate, nước) và khí. Condensate được đưa vào ống góp chung condensate (Condensate Header) thông qua van điều chỉnh mức LV-0101.
Mức nước trong bình được điều khiển bằng LOOP điều khiển mức:
Transmitter đo mức LT-0103 được sử dụng để biến đổi đại lượng mức bình thành tín hiệu dòng điện 4-20mA, các tín hiệu này sẽ được đưa về PLC và được xử lý trong chương trình thông qua hàm điều khiển PID để đưa ra tín hiệu điều khiển valve LV-0101 (Trên đường xả lỏng tới hệ thống condensate header) nhằm duy trì một mức dầu ổn định theo mức Setpoint.
LIC-0103: Khối chương trình điều khiển mức trên PLC.
LV-0101: Valve cho phép điều khiển góc mở, được điều khiển bởi tín hiệu điều khiển từ LIC-0103.
Mức trong bình được điều khiển bởi góc mở của Valve LV-0101. Nếu mức nước trong bình lớn hơn mức cao (1300 mm), góc mở của Valve sẽ là 100%, nếu mức nước trong bình nhỏ hơn mức thấp (475 mm), góc mở của Valve sẽ là 0%. Tùy vào độ chênh lệch của mức nước so với điểm đặt mà ta sẽ tăng hay giảm góc mở của Valve.
Level Switch bảo vệ mức thấp trong bình V-101 LSLL-0102. Khi mức chất lỏng trong khoang nước xuống dưới mức tác động của LSLL-0102 Level Switch này sẽ tác động gây ra tín hiệu đóng van XV0102 để ngăn hiện tượng tổn thất khí qua đường condensate header.
Level Switch bảo vệ mức cao cho bình LSHH-0102. Khi mức chất lỏng trong bình quá cao, Level Switch này tác động sẽ gây ra và gây tín hiệu đóng van đầu vào XV0101. Tín hiệu mức và tín hiệu đóng van đầu vào đều được hiển thị trên màn hình DCS
Tất cả các tín hiệu đo lường trên đều được hiển thị giá trị hoặc trạng thái về trên DCS và độ mở của Control Valve cũng được xác nhận lại nhờ cơ cấu feedback của các bội biến đổi I/P.
Pressure Switch bảo vệ áp suất thấp cho bình PSLL-0102, khi áp suất trong bình xuống thấp dưới điểm Setpoint thì PSLL sẽ tác động (tiếp điểm thường hở sẽ đóng lại) gửi tín hiệu về PLC và PLC sẽ xuất ra tín hiệu Alarm cảnh báo đồng thời gây ra tín hiệu ESD, đóng van đầu vào XV-0101.
Chương 3. Thiết kế cấu hình phần cứng và chương trình phần mềm
Khi khởi động thì áp suất trong bình ban đầu còn thấp nên muốn khởi động được ta phải override PSLL-0102, (bỏ qua tín tác động tín hiệu này) đến khi đạt trạng thái làm việc bình thường ta bỏ override.
Pressure Switch bảo vệ áp suất cao PSHH-0102, khi áp suất trong bình đạt mức set point của PSHH-0102, sẽ đưa tín hiệu cảnh báo lên màn hình DCS đồng thời gây ra tín hiệu PSD hệ thống, đóng van đầu vào XV0101 với mục đích bảo vệ bình khỏi áp suất quá cao vượt qua giới hạn an toàn.
Transmiter áp suất PT0103 được lấy từ bình đưa về màn hình DCS để giám sát áp suất trong bình.
Tín hiệu PDI0102 được lấy bằng cách lấy giá trị tuyệt đối của hai transmitter áp suất PT0106 (áp suất trước van) và PT0103 (áp suất bình).
Bảng 3.6. Bảng giá trị set point các mức ngưỡng bảo vệ tại bình V101
Tag Name Set point
PAH-0106 950 kPag PAL-0106 1200 kPag PAHH-0102 500 kPag PALL-0102 400 kPag PAH-0103 950 kPag PAL-0103 500 kPag LAHH-0101 1123 mm LALL-0102 300 mm LAH-0103 1023 mm LAL-0103 450 mm
3.3.5. Lưu đồ chương trình điều khiển tổ máy nén khí
Chương 3. Thiết kế cấu hình phần cứng và chương trình phần mềm
Dòng khí ra khỏi Bình tách đầu vào tiếp tục được chia ra đi tới đầu vào của 02 tổ máy nén khí cao áp, hai tổ máy nén tương đương nhau, sau đây chỉ trình bày 01 tổ máy gồm 3 bình nén khí V-201A, V-202A, V203A.
Start
Đọc tín hiệu đến khối FC105 LT0303A (PIW38); LT0301A(PIW36)
Chuyển dữ liệu Value_LT0303A(MD48); Value_LT0301A (MD52) sang DB20 Đọc tín hiệu đến khối FC106 LI0303A (PQW50); LI0301A (PQW48) Hiển thị tín hiệu từ FC106 ra thiết bị LI0303A >= 850 LAHH0303A (Q33.7) Cảnh báo PSD Đ S LI0303A <= 250 LALL0303A (Q34.0) Đóng van SDV0301 Đ LI0301A >= 700 LAH0301A (Q33.1) Đ S S LI0301A <= 400 LAL0301A (Q33.2) Đ S Chạy khối FB41 Điều khiển PID Van
LCV 0301A 1
1
1
End
Chương 3. Thiết kế cấu hình phần cứng và chương trình phần mềm
Start
Đọc tín hiệu đến khối FC105 LT0403A (PIW30); LT0401A(PIW28)
Chuyển dữ liệu Value_LT0403A(MD56); Value_LT0401A (MD60) sang DB20 Đọc tín hiệu đến khối FC106 LI0403A (PQW26); LI0401A (PQW24) Hiển thị tín hiệu từ FC106 ra thiết bị LI0403A >= 850 LAHH0403A (Q34.1) Cảnh báo PSD Đ S LI0403A <= 250 LALL0403A (Q34.2) Đóng van SDV0401A Đ LI0401A >= 700 LAH0401A (Q22.2) Đ S S LI0401A <= 400 LAL0401A (Q22.4) Đ S Chạy khối FB41 Điều khiển PID Van
LCV 0401A 1
1
1
End
Chương 3. Thiết kế cấu hình phần cứng và chương trình phần mềm
Start
Đọc tín hiệu đến khối FC105 LT0407A (PIW34); LT0402A(PIW32)
Chuyển dữ liệu Value_LT0407A(MD64); Value_LT0402A (MD68) sang DB20 Đọc tín hiệu đến khối FC106 LI0407A (PQW40); LI0402A (PQW38) Hiển thị tín hiệu từ FC106 ra thiết bị LI0407A >= 850 LAHH0407A (Q34.3) Cảnh báo PSD Đ S