3.3.1 Chủng loại thiết bị
Sitrans P DSIII là dòng thiết bị do hãng Siemens sản xuất, thƣờng đƣợc ứng dụng để đo áp suất của chất lỏng hay khí chảy trong ống.
Việc sử dụng và cài đặt là dễ dàng và linh hoạt, các tham số có thể điều chỉnh đƣợc thông qua các phím bấm và màn hình tại chỗ hoặc thông qua truyền thông. Sitrans P DSIII series có hỗ trợ các giao thức truyền thông chuẩn Hart communication, Profibus-PA, Foundation Fieldbus (tùy theo lựa chọn).
Hình 3.10: Thiết bị đo Sitrans P DSIII PA
Sistrans P DS III có thiết kế đảm bảo các tiêu chuẩn về an toàn, phòng chống cháy nổ ATEX nên có thể sử dụng lắp đặt tại các khu vực nguy hiểm ở cấp độ zone 1 hoặc zone 0. Sistrans P DS III thƣờng đƣợc sử dụng trong các ngành nhƣ công nghiệp hóa chất, dầu khí, trong các môi trƣờng có điều kiện khắc nghiệt.
Trong hệ thống điều khiển giám sát tuyến ống nhập xăng dầu để đáp ứng các yêu cầu là đo áp suất dòng chảy xăng dầu trong ống với điều kiện khắc nghiệt nóng, ẩm, trong môi trƣờng đòi hỏi cao về phòng chống cháy nổ vì vậy đề xuất lựa chọn sử dụng thiết bị đo áp suất là Sitrans P DS III PA (Model: 7MF4034) thuộc dòng thiết bị Sistrans P DSIII và giao thức truyền thông profibus PA.
3.3.2 Chi tiết thành phần cấu tạo và hoạt động
Sitrans P DS III PA đƣợc cấu thành bởi hai thành phần chính đó là bộ chuyển đổi DSIII PA có kèm module hiển thị số và phần cảm biến đo.
34 Thiết bị có thể làm việc độc lập nhƣ một thiết bị đo và chỉ báo thông thƣờng hay nhƣ một trạm trong mạng Profibus.
Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý làm việc Sitrans P
1-Cảm biến; 2-Bộ khuyếch đại; 3-Bộ chuyển đổi A/D; 4- Bộ vi xử lý; 5-Bộ cách ly, 6-Bộ nhớ; 7-Mạch giao tiếp PA; 8- Bộ 3 phím lựa chọn; 9- Bộ hiển thị số; 10 –
Nguồn nuôi; 11- Bộ chuyển đổi DP/PA; 12 – Thiết bị chủ Bus
Nguyên lý làm việc của bộ chuyển đổi với module hiển thị số
Tín hiệu điến áp từ mạch cầu của cảm biến đƣợc đƣa vào bộ khuyếch đại, qua bộ chuyển đổi A/D thành tín hiệu số và đƣa vào đầu vào của khối vi xử lý. Khối vi xử lý sẽ tính toàn đƣa ra các tín hiệu tƣơng ứng với giá trị đo từ cảm biến, tín hiệu này sẽ đƣợc đƣa lên hiển thị trên màn hình và đƣa lên mạng truyền thông.
35
Nguyên lý đo của cảm biến áp suất
Hình 3.12: Cảm biến đo áp suất
Áp suất đo của chất lỏng hay khí Pe đƣợc đƣa vào đầu vào ngăn đo, áp suất này tạo một áp lực tác động lên màng chắn 4 (Hình 2.11). Thông qua chất lỏng truyền lực, áp lực tác động lên cảm biến silicon và tạo ra một điện áp tƣơng ứng về vi xử lý.
Cài đặt thông số trên bàn phím
Hình 3.13: Các phím chức năng
Việc cài đặt thông số trên bàn phím đƣợc thực hiện với 3 phím: M, ↑, ↓. Phím M với chức năng chọn hàm và chọn tham số, hai phím ↑ ↓ có chức năng thay đổi thông số trong hàm lựa chọn.
36 Trong đó : 1- Hiển thị giá trị đo; 2- Hiển thị đơn vị và mã lỗi; 3- Hiển thị với chế độ đo lƣu lƣợng; 4- Hiển thị tên hàm; 5- Báo giá trị đo đạt ngƣỡng trên; 6- Dấu của giá trị đo; 7- Báo giá trị đo đạt ngƣỡng dƣới; 8- Báo kết nối Bus.
3.3.3 Kết nối thiết bị vào mạng Profibus PA
Hình 3.15: Sơ đồ nối mạng profibus PA cho thiết bị đo áp suất
Thiết bị trao đổi thông tin với bus thông qua các byte dữ liệu truyền về thiết bị chủ trên cùng một bức điện. Do yêu cầu từ trạm chủ mà một bƣc điện có thể đƣợc truyền với các độ dài ngắn khác nhau. Khi có yêu cầu về giá trị đo, thƣờng có 5 byte đƣợc truyền, trong đó có 4 byte là chứa giá trị đo và 1 byte chứa thông tin trạng thái về giá trị đo.
3.4 Thiết bị đo nhiệt độ 3.4.1 Chủng loại thiết bị 3.4.1 Chủng loại thiết bị
SITRANS TF là thiết bị đo nhiệt độ do hãng Siemens sản xuất thƣờng đƣợc ứng dụng để đo nhiệt độ. Một trong những đặc điểm nổi bật của cảm biến Sitrans TF là ở kết cấu lớp bảo vệ đạt tiêu chuẩn IP67. Vỏ đƣợc làm bằng kết cấu khung nhôm hoặc thép không gỉ, có độ bền cao.
Hình 3.16: Thiết bị đo nhiệt độ Sitrans TF
Thiết bị SITRANS TF có các cảm biến đo có thể là nhiệt điện trở hay các cặp nhiệt ngẫu và cung cấp đầu ra dƣới dạng analog 4~20mA, hoặc theo giao thức truyền thông chuẩn HART, Profibus PA, Foundation Fieldbus.
37 Tất cả các model thuộc dòng thiết bị SITRANS TF đều đáp ứng các yêu cầu về an toàn và tiêu chuẩn phòng chống cháy nổ.
Với những đặc điểm trên đề xuất lựa chọn sử dụng thiết bị sensor đo nhiệt độ
SITRANS TF model 7NG3137 sử dụng cảm biến Pt100 sơ đồ 4 dây, có dải đo nhiệt độ từ 0O
C-100OC, có giao thức truyền thông Profibus PA trong ứng dụng đo nhiệt độ của hệ thống điều khiển và giám sát tuyến ống công nghệ nhập hàng vào kho xăng dầu.
3.4.2 Chi tiết thành phần cấu tạo và hoạt động
Cấu tạo của thiết bị:
Hình 3.17: Cấu tạo thiết bị đo áp suất
Nguyên lý hoạt động
38 Tín hiệu đo đƣợc lấy từ các cặp nhiệt ngẫu hoặc các biến trở nhiệt theo sơ đồ kết nối 2, 3, 4 dây) đƣợc khuyếch đại tại đầu vào. Điện áp tƣơng tự tỉ lệ với tín hiệu đầu vào và đƣợc chuyển đổi thành các tín hiệu số thông minh thông qua bộ chuyển đổi A/D. Thông qua bộ cách ly, tín hiệu này đƣợc đƣa tới bộ vi xử lý, bộ vi xử lý sẽ chuyển đổi các tín hiệu này thành các tín hiệu phù hợp với từng loại cảm biến thông qua chƣơng trình bên trong bộ vi xử lý. Từ vi xử lý thông tin tín hiệu nhiệt độ đo đƣợc đƣa ra tới đầu ra theo chuẩn truyền thông Profibus PA.
3.4.3 Kết nối thiết bị vào mạng Profibus PA
39
3.5 Van điều khiển
Sử dụng Limitorque MX Electronic Valve Actuator model MX05
3.5.1 Cấu tạo và đấu nối:
Hình 3.20: Cấu tạo van điện Limitorque MX05
Chân đấu nối cho Van điều khiển MX-05
40
Hình 3.22: Chức năng các chân đấu nối của Van điện Theo sơ đồ trên ta thấy
- L1, L2, L3, PE là các chân đầu đƣờng điện nguồn 3 pha cho động cơ của Van.
- Chân số 22, 21 sử dụng để cấp nguồn 1 cho mạch điều khiển của van. - Các chân số 27, 26, 25, 28 dùng để điều khiển đóng, dừng, mở van.
- Chân số (44,45) là cặp tiếp điểm thƣờng đóng, khi van đóng hoàn toàn sẽ chuyển sang trạng thái mở.
- Chân số (46,47) là cặp tiếp điểm thƣờng mở, khi van đóng hoàn toàn sẽ chuyển sang trạng thái đóng.
- Chân số (48,49) là cặp tiếp điểm thƣờng mở, khi van mở hoàn toàn sẽ chuyển sang trạng thái đóng.
- Chân số (50,51) là cặp tiếp điểm thƣờng đóng, khi van mở hoàn toàn sẽ chuyển sang trạng thái mở.
41
3.5.2 Các chế độ hoạt động của Van
Hình 3.23: Các nút điều khiển, chọn chế độ của Van điện
Các chế độ hoạt động:
- Manual (Bằng tay): Mở van bằng tay cầm xoay.
- Local (Điều khiển tại chỗ): điều khiển van bằng màn hình LCD và các nút chọn OPEN (YES) / CLOSE (NO) trên mặt điều khiển.
- Stop (Dừng hoạt động).
- Remote (Điều khiển từ xa) thông qua tín hiệu điều khiển ON/OFF tại các chân điều khiển van hoặc thông qua các giao thức truyền thông.
Đèn hiển thị trạng thái hoạt động
42
Các menu lựa chọn chính của Van
Hình 3.25: Sơ đồ hình cây menu chính của van điện
Các menu thay đổi các thiết lập
43
Thiết lập vị trí giới hạn mở hoàn toàn (open position limit) và đóng hoàn toàn (Close Position Limit)
Thiết lập vị trí sử dụng điều khiển đóng mở van bằng điện:
Hình 3.27: Trình tự thiết lập vị trí đóng mở bằng điều khiển van điện tại chỗ
Thiết lập vị trí bằng phƣơng pháp điều chỉnh bằng tay xoay đóng mở van:
44
3.6 Lựa chọn cấu hình PLC và giải pháp kết nối các thiết bị 3.6.1 Cấu hình PLC và các module mở rộng 3.6.1 Cấu hình PLC và các module mở rộng
Module nguồn (Power Module):
Chọn mã: PS 307 5A (6ES7307-1EA01-0AA0), Số lƣợng sử dụng : 1 module.
Hình 3.29: Nguồn PS307 5A
Module xử lý trung tâm (CPU-Central Processing Unit):
Chọn mã : CPU317-2DP 6ES7317-2AK14-0AB0 thuộc họ Simatic S7-300 Số lƣợng sử dụng : 1 module.
Thông số kỹ thuật chính :
- Nguồn cấp là 24VDC (có thể biến thiên trong dải từ 19.2 ~ 28.8 VDC).
- Cổng suất sử dụng là 4.5W.
- Bộ nhớ trong: 1 MB
- Cổng giao tiếp có 2 cổng :
o 1 INTERFACE MPI/DP 12MBIT/S,
45
Hình 3.30: Bộ xử lý trung tâm Simatic S7-300 CPU317-2DP
Module mở rộng đầu vào số (Digital input module)
Chọn mã : SM 321 DI 16 x DC 24 V (6ES7321-1BH02-0AA0) Số lƣợng sử dụng : 1 module
Hình 3.31: Sơ đồ các chân đấu của Module SM321 có 16 đầu vào input 24VDC
46
Module mở rộng đầu ra số (Digital output module)
Chọn mã : SM 322; DO 32 x DC 24 V/ 0.5 A; (6ES7322-1BL00-0AA0) Số lƣợng sử dụng 1 module.
Hình 3.32: Sơ đồ các chân đấu của Module SM 322 có 32 đầu ra output 24VDC 0.5A
3.6.2 Truyền thông từ PC xuống PLC
Sử dụng cáp chuyển đổi USB/MPI
47
3.6.3 Mạng truyền thông từ PLC xuống các thiết bị đo
Sử dụng cấu trúc mạng Profibus PA.
Khi đó PLC có cổng kết nối Profibus DP kết nối tới các sensor Nhiệt độ, Áp suất có chuẩn kết nối Profibus PA thông qua một thiết bị chuyển đổi chuẩn giao tiếp đƣợc gọi là DP/PA Couple. Trong hệ thống lớn sử dụng nhiều hơn 1 DP/PA couple thì sẽ sử dụng thiết bị DP/PA link.
Lựa chọn thiết bị DP/PA coupler: mã 6ES7 157-0AA82-0XA0 là Module IM (Interface Module) của Siemens. Chuyển đổi tín hiệu mạng Profibus chuẩn DP sang PA
Hình 3.34: Mô tả đấu nối thiết bị DP/PA coupler
Trong hình vẽ trên cổng nối Profibus DP của DP/PA coupler sẽ đƣợc nối với cổng Profibus của PLC. Trong mạng Profibus DP PLC đƣợc chọn làm Master Device.
Cổng Profibus PA của DP/PA coupler sẽ đƣợc kết nối bus tới các thiết bị sensor áp suất nhiệt đô. Trong mạng Profibus PA thì DP/PA coupler đƣợc thiết lập làm Master device.
Kết luận chƣơng 3:
Nội dung chính của chƣơng này tập trung trình bày vào một số nội dung chính nhƣ: chủng loại, cấu tạo và hoạt động của các thiết bị đo, cơ cấu chấp hành trong hệ thống; lựa chọn cấu hình các module cho thiết bị điều khiển S7-300; kết nối mạng thiết bị trong hệ thống. Dựa trên các thiết bị, giải pháp kết nối trình bày ở chƣơng này, đây sẽ là cơ sở cho việc thực hiện lập trình điều khiển và giám sát hệ thống.
48
CHƢƠNG 4: XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIAO DIỆN PHẦN MỀM GIÁM SÁT HỆ THỐNG
4.1 Xây dựng thuật toán chƣơng trình điều khiển
4.1.1 Phân tích yêu cầu công nghệ của hệ thống điều khiển tự động hóa tuyến ống công nghệ nhập hàng ống công nghệ nhập hàng
Bài toán công nghệ đặt ra mà hệ thống tự động hoá cần giải quyết:
Các loại hàng xăng dầu chuyển về kho theo một tuyến ống. Khi về đến kho, tuỳ theo từng loại hàng cần lựa chọn đƣờng dẫn cho hàng về đúng cụm bể chứa loại hàng đó (có 5 đƣờng: Xăng M92, xăng M95, Diezen 0.05%S, Diezen 0.25%S, và một bể chứa phần lẫn giữa các loại hàng.
Đặc điểm tính chất của các loại hàng hóa: Xăng với dầu có tỉ trọng biến thiên trong các dải khác nhau. Giữa các loại xăng hoặc giữa các loại dầu tỉ trọng dao động trong các dải giống nhau.
Giải pháp để phân tách các loại hàng là sử dụng thiết bị đo tỷ trọng. Tuy nhiên tỷ trọng chỉ cho phép phân tách giữa các loại xăng với các hàng dầu. Còn giữa các loại hàng xăng với nhau hoặc các loại dầu với nhau do tỷ trọng sát nhau việc tách theo tỷ trọng là không khả thi, vì vậy có thêm phƣơng pháp tách khác là
tách hàng theo lượng hàng. Với những đặc điểm này hệ thống phải đảm bảo cho phép lựa chọn tách hàng theo hai phƣơng pháp.
49
4.1.2 Lƣu đồ thuật toán của chƣơng trình
Kiểm tra thông số cài đặt lựa chọn
pp tách ? Xác định lẫn theo tỷ trọng Xác định lẫn theo lượng Kiểm tra ghạn Áp suất Cảnh báo Áp suất cao Kiểm tra ghạn nhiệt độ Cảnh báo Nhiệt độ cao Cập nhật các biến đo Kết thúc vòng quét Phân tích, thực hiện
Điều khiển van
Kết thúc tách lẫn ? Reset thông số Đ S Đ S Bắt đầu Vòng quét Lượng Tỷ trọng Không yêu cầu Đ S
50
4.1.3 Phƣơng pháp xác định tín hiệu báo lẫn Phƣơng pháp xác định lẫn theo tỷ trọng Phƣơng pháp xác định lẫn theo tỷ trọng
Trong trƣờng hợp hệ thống sử dụng phƣơng pháp tách lẫn theo tỷ trọng. Việc xác định lẫn căn cứ dựa trên các thông số sau:
- Tỷ trọng hiện tại đo đƣợc từ sensor truyền về. - Tỷ trọng min và max của loại hàng hiện tại. - Tỷ trọng min và max của loại hàng sẽ nhập.
Trường hợp dải tỷ trọng hàng hiện tại < dải tỷ trọng hàng sẽ nhập
Hình 4.2: Quá trình phát hiện lẫn hàng trong trường hợp mặt hàng mới có tỉ trọng cao hơn mặt hàng hiện tại
51
Trường hợp dải tỷ trọng hàng hiện tại > dải tỷ trọng hàng sẽ nhập
Hình 4.3: Quá trình phát hiện lẫn hàng trong trường hợp mặt hàng mới có tỉ trọng thấp hơn mặt hàng hiện tại
Phƣơng pháp xác định lẫn theo lƣợng
Trong trƣờng hợp hệ thống sử dụng phƣơng pháp tách lẫn theo lƣợng. Khi lƣợng tức thời đạt đến một giá trị đặt trƣớc sẽ tiến hành chuyển van nhập hàng.
Hình 4.4: Quá trình phát hiện lẫn hàng theo lượng hàng trong trường hợp mặt hàng mới và mặt hàng hiện tại cùng là xăng hoặc cùng là dầu
52
4.1.4 Phân tích trình tự đóng mở van
Để đảm bảo chƣơng trình thực hiện đúng logic đóng mở van sẽ sử dụng một biến trạng thái để kiểm soát tiến trình của hệ thống. Từng giai đoạn đóng mở van đƣợc ghi nhận trên sự thay đổi của biến trạng thái. Căn cứ vào trạng thái để thực hiện lại các quyết định đóng mở van tiếp theo.
Đối với phương pháp tách lẫn theo tỷ trọng:
Bắt đầu chƣơng trình biến trạng thái = 1.
Khi có tín hiệu lẫn biến trạng thái = 2.
Trạng thái hiện tại = 2; mở van lẫn cho đến khi mở hết; gán biến trạng thái = 3.
Trạng thái hiện tại = 3, đóng van hàng hiện tại cho đến đóng hết; gán biến trạng thái = 4.
Trạng thái hiện tại = 4; khi hết tín hiệu lẫn biến trạng thái = 5.
Trạng thái hiện tại = 5; mở van hàng mới cho đến khi mở hết; gán biến trạng thái = 6.
Trạng thái hiện tại = 6; đóng van lẫn cho đến khi đóng hết; gán biến trạng thái = 7.
Đối với phương pháp tách lẫn theo lượng:
Bắt đầu chƣơng trình biến trạng thái = 1.
Khi lƣợng đạt đến giá trị đặt trƣớc chuyển trạng thái=11;
Trạng thái hiện tại = 11; mở van hàng mới khi mở hết; chuyển biến trạng thái = 12.
Trạng thái hiện tại = 12; đóng van hàng hiện tại cho đến đóng hết; chuyển biến trạng thái = 13.
4.1.5 Phân tích chƣơng trình điều khiển van
Dựa trên phần phân tích trình tự đóng mở van ta có thể rút ra quy luật đóng mở van