2.2.1. Giới thiệu chung hệ Centum CS3000
* Centum CS3000 là một hệ thống điều khiển sản xuất tích hợp cho các ứng dụng điều khiển quá trình đƣợc thiết kế phù hợp với các nhà máy có quy mô từ nhỏ
32
đến rất lớn. Mỗi bộ phận nhƣ xí nghiệp, đơn vị kinh doanh, khu vận hành, buồng điều khiển hay hiện trƣờng đều có thể đƣợc kết nối với nhau sử dụng mạng truyền thông. Mạng truyền thông đƣợc sử dụng để tối ƣu toàn bộ hệ thống, giảm nhân lực vận hành tại hiện trƣờng, tăng mức độ tự động hoá, tăng năng suất.
* CENTUM CS 3000 có các đặc điểm nổi bật sau: + Có thể hỗ trợ đến 4000 user.
+ Cơ chế dự phòng kép.
+ Linh hoạt: standard và compact FCS. + Có thể kết nối tối đa 256 FCS.
+ Có thể quản lý đƣợc tối đa 100000 tag.
2.2.2. Cấu thành phần hệ Centum CS3000
* Hệ điều khiển Centum CS3000 bao gồm:
+ Trạm vận hành, giám sát – HIS (Human interface station). + Trạm điều khiển khu vực – FCS (Field control station). + Trạm thiết kế kỹ thuật – ENG (engineering PC).
+ Mạng truyền thông (Vnet) kết nối giữa các trạm trên.
33
a) Trạm vận hành, giám sát (HIS)
* Trạm vận hành, giám sát đƣợc sử dụng chủ yếu cho việc vận hành và giám sát, nó hiển thị các biến quy trình, các tham số điều khiển, các báo hiệu cần thiết để ngƣời vận hành có thể nhanh chóng nắm bắt đƣợc các trạng thái vận hành của nhà máy. Nó cũng kết hợp giao diện mở do đó các máy tính giám sát có thể truy nhập vào đồ thị dữ liệu (trend data), các thông điệp (messages), và dữ liệu xử lý (process data). Yokogawa cung cấp 3 kiểu trạm giao diện (HIS), đáp ứng các nhu cầu khác nhau của khách hàng chạy trong hệ điều hành Microsoft Windows.
* Trạm vận hành, giám sát loại Enclose (Enclose Display Style Console HIS): đƣợc thiết kế dựa theo kiểu dáng của trạm vận hành phiên bản Centum cũ, cho phép đặt các trạm sát nhau, màn hình cảm ứng, bàn phím vận hành có 8 nhóm điều khiển, có tiếp điểm vào/ra phụ và các phím chức năng khác.
* Trạm vận hành, giám sát loại Open Display (Open Display Style Consol HIS): là loại kiểu dáng mới của HIS với màn hình tinh thể lỏng (LCD): có thể lựa chọn kích thƣớc hiển thị và kiểu bàn phím, màn hình cảm ứng, bàn phím vận hành có 8 nhóm điều khiển, có tiếp điểm vào/ ra phụ.
* Trạm vận hành, giám sát loại Desktop (Desktop HIS): thực hiện các chức năng của HIS trên một màn hình cá nhân PC, và có thể sử dụng cùng với bàn phím chuyên dùng loại phím phẳng chống bụi, nƣớc.
b) Trạm điều khiển khu vực (FCS)
* FCS cung cấp chức năng điều khiển quá trình, chẳng hạn nhƣ điều khiển điều tiết, điều khiển tuần tự và tính toán. Có 4 dạng trạm FCS: FCS dạng chuẩn, FCS dạng enchanced, FCS Mirgration và FCS dạng gọn. Tùy theo kích thƣớc của ứng dụng mà lựa chọn trạm điều khiển hiện trƣờng cho phù hợp.
* Chuẩn FCS có hai loại gồm: KFCS và LFCS
+ KFCS (Standard Type Filed Control Station for FIO) : FCU và Node đƣợc kết nối sử dụng loại bus mở rộng nối tiếp ESB (Extended Serial Backboard) hoặc Bus tăng cƣờng ER (Enhanced Remode).
34
+ LFCS (Standard Type Field Control Station for RIO): FCU và Node đƣợc kết nối sử dụng bus vào/ra từ xa (RIO-Remode Input Output).
* Trạm điều khiển APCS (Advanced Process Control Station): là trạm thực hiện việc tính toán điều khiển trong một máy PC thông dụng nhằm mục đích điều khiển quá trình.
* Khi dữ liệu của một khối chức năng là đầu vào của khối chức năng trong APCS qua Vnet, APCS thực hiện phép tính toán điều khiển với chu kỳ hằng số, sau đó đƣa ra ở đầu ra kết quả phép tính nhƣ là dữ liệu đầu ra khối chức năng của FCS.
c) Trạm thiết kế kỹ thuật (ENG)
Trạm ENG là một máy tính PC thông thƣờng có chạy phần mềm thiết kế,ví dụ nhƣ: phần mềm lập cấu hình hệ thống hay bảo dƣỡng trực tuyến. Thông thƣờng ENG và HIS đƣợc tổ hợp trên một trạm để thực hiện 2 chức năng.
d) Mạng truyền thông
* Vnet: là bus điều khiển thời gian thực 10 Mbps liên kết các trạm FCS, HIS. Vnet sử dụng phƣơng pháp điều khiển truy nhập chuyển thẻ bài – token passing và với cấu hình dự phòng kép đảm bảo tính tin cậy cho hệ thống. Hai loại cáp chính đƣợc sử dụng:
+ Cáp YCB111: để nối các trạm HIS khác. Chiều dài lên tới 500m. + Cáp YCB141: để nối các HIS với nhau. Chiều dài lên tới 185m. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Cáp YCB111 và YCB141 đƣợc nối với nhau qua một bộ chuyển đổi hay bộ lặp bus. Khi kết hợp các kiểu cáp này, chiều dài tối đa đƣợc tính toán nhƣ sau:
5 Chiều dài cáp YCB141 + (chiều dài cáp YCB111) 0,4 185
Khi Vnet đƣợc mở rộng, các FCS phân bố quanh nhà máy lớn có thể đƣợc theo dõi từ HIS trong phòng điều khiển trung tâm. Bộ lặp bus và các cặp bộ lặp quang học có thể đƣợc hòa trộn, tổng số có thể tới 4 bộ, để mở rộng Vnet tới 20km.
* Ethernet: HIS, ENG và các hệ thống giám sát đƣợc kết nối bởi Ethernet LAN, sử dụng giao thức truyền tin TCP/IP. Các máy tính giám sát và các máy tính
35
cá nhân trên Ethernet LAN có thể truy nhập các thông điệp và dữ liệu trend trong hệ thống điều khiển quá trình. Ethernet cũng có thể đƣợc sử dụng để truyền các file dữ liệu trend từ HIS tới các máy tính giám sát, để cân bằng hóa cơ sở dữ liệu của HIS và để lấy ngày trend cho các trạm khác, loại bỏ tải trên Vnet. Một hệ thống chỉ với một HIS đơn, với các chức năng thiết kế kỹ thuật đã cài đặt, không cần mạng Ethernet – nhƣng mạng ethernet nói chung là cần thiết với mục đích phát triển hệ thống mở, cho phép hệ thống CENTUM CS3000 có thể kết nối với mạng nội bộ Intranet của công ty.
* CGW (Communications Gateway Unit): Cung cấp 1 cổng Ethernet cho các máy tính giám sát và hỗ trợ giao thức TCP/IP, đồng thời sử dụng để kết nối Vnet với một mạng lớn.
2.2.3. Gói phần mềm cho hệ Centum CS3000
Phần mềm Centum CS3000 là phần mềm chạy trên máy trạm vận hành/giám sát (HIS) của hệ điều khiển quá trình Centum CS3000 của YOKOGAWA. Đây là một gói công cụ phục vụ cho việc giám sát, vận hành (các thông điệp hệ thống, cảnh báo, tình trạng hệ thống, đồ hoạ, các nhóm điều khiển, đồ thị, báo cáo, …). Đồng thời nó cũng hỗ trợ công việc thiết kế (thiết kế điều khiên bằng Control Drawing, thiết kế đồ hoạ bằng Graphic Builder) và mô phỏng (Test Function), ngoài ra còn có chức năng chạy kiểm tra ảo mà không cần FCS.
a) Xây dựng mô hình và cấu trúc điều khiển với Control Drawing Builder
Control Drawing Builder cho phép lập trình bằng các Function Block sẵn có đồng thời cho phép kết nối giữa các file Control Drawing khác nhau, hoặc kết nối giữa giá trị thực từ kết nối vật lý với các khối trong các file Control Drawing. Thƣ viện Function Block phục vụ mục đích điều khiển là chính nên có nhiều hạn chế so với Matlab. Tuy nhiên, cũng có thể sử dụng một số Function Block để mô hình hóa đối tƣợng.
a.1) Cấu trúc Function Block :
36
* Các Input / Output Terminal để trao đổi dữ liệu với các khối, thiết bị bên ngoài.
* Các chức năng xử lý Input / Output / Calculating / Alarm Processing.
* Các hằng và các biến sử dụng trong việc tính toán xử lý đƣợc gọi chung là “data item”.
Hình 2.3. Cấu trúc Function Block
a.2) Các Function Block cơ bản
* Các Function Block trong thƣ viện của Drawing Builder phân loại theo các nhóm: + Nhóm điều khiển – điều chỉnh
+ Nhóm tính toán số học và logic + Nhóm điều khiển tuần tự + Nhóm Faceplate
+ Nhóm lƣu đồ chức năng + Nhóm giám sát khối + Nhóm offsite
Trong đó, với mục tiêu mô phỏng quá trình và cấu trúc điều khiển, có thể sử dụng một số Function Block trong nhóm điều khiển – điều chỉnh và nhóm tính toán số học – logic là: LAG, INTEG, PID, CALCU, DLAY.
37 * LAG
LAG là khối quán tính bậc nhất, có thể sử dụng để tạo ra các khâu lọc, hoặc mô phỏng đặc tính của quá trình.
Hình 2.4. Khâu quán tính bậc nhất - LAG
(2.1) trong đó:
: giá trị tính toán đầu vào
CPV : giá trị tính toán đầu ra
Ti : first-order lag time (Ti = I – scan period)
I : first-order lag time setpoint, hằng số thời gian (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Gain : hệ số khuếch đại
Các tham số: hằng số thời gian I và hệ số khuếch đại I có thể đƣợc đặt trong quá trình chạy Test Function hoặc đặt cố định trong các khối tính toán đa năng CALCU.
* INTEG
38
INTEG là khối tích phân, thực hiện tính toán giá trị tích phân của đầu vào (2.2)
Hằng số thời gian tích phân (tính bằng giây) có thể thay đổi bằng thông số I trong quá trình chạy kiểm tra thử (Test Function) hoặc đặt cố định trong các khối tính toán đa năng CALCU.
* PID
Khối điều khiển PID thực hiện hầu hết các chức năng điều khiển, thông qua các tác động điều khiển: tỉ lệ, tích phân, vi phân dựa trên sai lệch giữa biến quá trình đƣa về (PV) so với giá trị đặt (SV).
(2.3) trong đó:
: thay đổi giá trị điều khiển
: sai lệch giữa biến quá trình và giá trị đặt
PV : giá trị đo từ quá trình
SV : giá trị đặt
: giá trị thay đổi của sai lệch
: chu kì điều khiển
39 * Khâu tính toán CALCU
Hình 2.7. Khâu CALCU
Khối tính toán đa năng CALCU cho phép viết các câu lệnh lập trình tính toán cũng nhƣ gán giá trị cho các thông số của các Function Block khác sử dụng ngôn ngữ lập trình Vusual Basic. CALCU cũng có các hàm và các cấu trúc điều khiển cho phép thực hiện các tính toán số học và logic rất hiệu quả.
b) Xây dựng mô hình giao diện của Graphic Builder
Graphic Builder có các chức năng chuyên dụng phục phụ thiết kế các cửa sổ Graphic Windows.
2.3. Hệ thống điều khiển dây chuyền sản xuất axit sunfuric 2.3.1. Cấu hình hệ điều khiển 2.3.1. Cấu hình hệ điều khiển
2.3.1.1. Hệ máy tính
* Để điều khiển và giám sát toàn bộ quá trình sản xuất axit sunfuric, nhà máy dùng hai máy tính. Chức năng cụ thể của chúng: hiển thị các số liệu của hệ thống, giao tiếp với ngƣời vận hành để thực hiện chức năng điều hành, quản lý hệ thống. Các số liệu thu thập đƣợc lƣu giữ tại trạm vận hành. Chức năng trạm thiết kế kỹ thuật: thiết kế định nghĩa cấu hình mọi thiết bị kết nối trong hệ thống.
40
* Mỗi máy tính đều đƣợc trang bị bàn phím, chuột và đƣợc kết nối với máy in. * Ngoài bàn phím thông thƣờng đi theo máy tính, mỗi trạm vận hành đƣợc cung cấp bàn phím vận hành chuyên dụng. Đó là loại bàn phím phòng bụi, nƣớc kiểu màng phẳng có khóa cứng, với các phím vận hành riêng.
HIS HIS V net PRT Tủ FCS0111 Tủ FCS0112 Tủ đấu dây Cấp giám sát
Công đoạn hoá lỏng, đốt S, CĐ tiếp xúc kép, hấp thụ
Cấp điều khiển
Cấp quá trình
Hình 2.8. Sơ đồ phân cấp hệ thống điều khiển dây chuyền sản xuất axit (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2.3.1.2. Hệ thống điều khiển hiện trƣờng
* Hệ thống điều khiển hiện trƣờng thực hiện ghép nối trạm vận hành với dây chuyền công nghệ thông qua các module vào/ra, module truyền thông, nguồn cung cấp và các module xử lý tín hiệu … Mỗi module CPU có khả năng thực hiện các chức năng thu thập toàn bộ số liệu, điều khiển toàn bộ dây chuyền thông qua các ghép nối vào/ra.
41
* Hệ thống điều khiển này dùng tủ kép PFCD-E5521/Z2P (hai bộ). Đây là loại tủ thu gọn, có khả năng lắp 5 đơn vị module.
CPU FCS0111 Control bus unit Nest 1 AMN11 module AAM10 AMM50 Nest 2 AMN11 module AAM10 AAM50 Nest 3 AMN11 module AMM10 AMM50 Nest 4 AMM42T Nest 5 AMM42T Control bus unit CPU FCS0112 Control bus unit Nest 1 AMM42T Control bus unit Nest 2 AMM42T Nest 3 A D M 1 2 C A D M 1 2 C A D M 1 2 C Nest 5 A M M 3 2 C Nest 4 A D M 5 2 C A D M 5 2 C A M M 2 5 C A M M 2 5 C Hình 2.9. Bố trí các module trong các tủ FCS0111 và FCS0112
* Các đầu vào tƣơng tự: tổng cộng có 10 module tƣơng tự, trong đó module tƣơng tự loại:
+ AAM10: có 3 module. Mỗi module có 8 đầu vào tƣơng tự (4-20 mA), lập trình đƣợc.
+ AMM42T: có 4 module. Mỗi module có 16 đầu vào tƣơng tự, dùng cho biến truyền 2 dây, lập trình đƣợc.
+ AMM25C: có 2 module. Mỗi module có 16 đầu vào tƣơng tự, đầu vào mV để nối với cặp nhiệt điện trở.
+ AMM32C: có 1module. Mỗi module có 16 đầu vào tƣơng tự, nối với nhiệt điện trở Pt100.
* Các đầu ra tƣơng tự: có 3 module tƣơng tự loại AAM50. Mỗi module có 8 đầu ra tƣơng tự (4 – 20 mA), lập trình đƣợc.
* Các đầu vào số: có 3 module số loại ADM12C, để nhận các tín hiệu khởi động, xác nhận lỗi, … Mỗi module có 32 đầu vào số, tiếp điểm loại connector.
42
* Các đầu ra số: có 2 module số loại ADM52C, điều khiển các thiết bị báo động nhƣ còi, đèn và đƣa ra các tín hiệu liên động cần thiết khác. Mỗi module có 32 đầu ra số, tiếp điểm loại connector.
2.3.1.3. Tủ đấu dây - tủ marshalling
Tủ đấu dây đƣợc chế tạo bằng tôn dày 1,5mm. Trong tủ lắp các booc đấu dây, khối rơle, các bảng đấu dây, hộp đấu nối.
2.3.2. Các mạch vòng điều khiển (loop)
Các loop của hệ thống điều khiển quá trình sản xuất axit sunfuric đƣợc thống kê theo bảng dƣới đây [3].
Bảng 2.1. Thống kê các mạch vòng điều khiển
TT Loop Đại lƣợng điều khiển, hiển thị, cảnh báo Đơn vị Vị trí và chức năng Loop
1 FIC-401 lƣu lƣợng m3/h điều khiển lƣu lƣợng S lỏng vào lò đốt
2 PIC-007 áp suất at điều khiển áp suất hơi sau giảm áp
3 TIC-115 nhiệt độ 0C điều khiển nhiệt độ hơi sau giảm áp
4 HVS-501 lƣu lƣợng m3/h điều khiển đóng mở dầu DO vào lò
5 PIC-003 áp suất at điều khiển áp suất hơi trong nồi hơi
6 LIC-203 mức % điều khiển mức nƣớc nồi hơi
7 PIC-N05 áp suất at điều khiển áp suất hơi thùng khử khí 1
(2A)
8 PIC-N06 áp suất at điều khiển áp suất hơi thùng khử khí 1
(2B) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
9 LIC-N07 mức % điều khiển mức thùng khử khí 1 (2A)
10 LIC-N08 mức % điều khiển mức thùng khử khí 2 (2B)
43
12 TIC-119-1 nhiệt độ 0C điều khiển nhiệt độ lớp tiếp xúc 4
13 TIC-118-1 nhiệt độ 0C điều khiển nhiệt độ lớp tiếp xúc 3
14 LIC-301 mức mm điều khiển mức axit thùng chứa axit sấy
302
15 LIC-321 mức mm điều khiển mức axit thùng mono 303
16 CIC-401 nồng độ % điều khiển nồng độ axit thùng sấy 302
17 CIC-521 nồng độ % điều khiển nồng độ axit thùng mono
303
18 CIC-128 nồng độ % điều khiển nồng độ axit thùng trộn 128
Nhận xét:
Hệ thống điều khiển quá trình sản xuất axit sunfuric là một hệ thống điều khiển khá phức tạp, với 18 mạch vòng điều khiển khác nhau. Trong công nghệ sản suất axit sunfuric, các quá trình điều khiển S rắn, S lỏng, không khí khô, nhiên liệu, quá trình cháy, nƣớc cấp, … đều có tác động và ảnh hƣởng lẫn nhau. Để đạt đƣợc hiệu suất tối đa, đáp ứng yêu cầu công nghệ thì cùng lúc phải phối hợp điều khiển nhiều đối tƣợng với nhiều thông số. Điều này yêu cầu phải có một hệ thống điều khiển tổng thể, điều khiển giám sát và làm giảm sự xen kênh giữa các hệ thống điều khiển của các đại lƣợng trong hệ thống. Các mạch vòng điều khiển có thể đƣợc xếp vào ba loại điều khiển thực hiện ba nhiệm vụ chính sau: