Giải pháp phần cứng

4.1.1 Sơ đồ hối của hệ thống

Cấu trúc phần cứng của hệ thống tƣơng ứng với mô hình phân cấp của hệ thống DCS bao gồm: Trạm vận hành trung tâm HIS, trạm điều khiển FCS và các bus hệ thống. Ta sẽ lựa chọn các thiết bị phần cứng lần lƣợt cho các trạm trên:

` ` + Analog Input: 2 + Analog output: 2 + Digital Input: 6 + Digital output: 6 Máy in A4 Máy giám sát vận hành Server 2 Máy thiết kế Server 1 CI854 PM856 CI801 CI801 AI 810 AI 810 AO 810 AO 810 DI 810 DI 810 DI 810 DI 810 DI 810 DI 810 DO 820 DO 820 DO 820 DO 820 DO 820 DO 820

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT

TỦ ĐIỀU KHIỂN

`

Hệ thống lắp đặt bao gồm các thiết bị sau:

STT Tên thiết bị Đơn vị Số lƣợng Ghi chú

1 Máy tính Bộ 02

2 Máy in Bộ 01

3 Tủ điều khiển Tủ 01

4 Mô hình hệ thống Hệ 01

Công đoạn bao hơi gồm các thiết bị:

 02 thiết bị đo mức loại chênh áp

 01 thiết bị đo lƣu lƣợng

 01 thiết bị đo áp suất

 01 thiết bị đo nhiệt

 01 bộ gia nhiệt nƣớc cấp sử dụng hơi

 01 nồi hơi gia nhiệt bằng điện

 02 bơm ly tâm 3 pha, công suất 0,55 kW, điện áp 380VAC.

 01 bình nƣớc cấp

 01 bao hơi áp lực max 10Bar

4.1.2 ác thiết bị đo

STT Mô tả thiết bị SL

1

Thiết bị đo mức độ chênh áp - Môi chất: Nƣớc 220Deg.C - Dải đo: 0-1000mm H₂O - Tín hiệu ra: 4-20 mA

1 cái

2

Thiết bị đo mức độ siêu âm - Môi chất: Nƣớc 95Deg.C - Dải đo: 0-1000mm H₂O - Tín hiệu ra: 4-20 mA

3

Thiết bị đo áp suất tuyệt đối - Môi chất: Nƣớc 220Deg.C - Dải đo: 0-5 Bar

- Tín hiệu ra: 4-20 mA

1 cái

4

Thiết bị đo lƣu lƣợng kiểu tù tính - Môi chất: Nƣớc 100Deg.C - Dải đo: 0-1201/h - Kích thƣớc đƣờng ống: DN15 - Tín hiệu ra: 4-20 mA 1 cái 5

Thiết bị đo nhiệt độ - Dải đo: 0-300 Deg.C - Tín hiệu ra: 4-20 mA

1 cái

4.1.3 Valve điều hiển v biến tần

STT Mô tả thiết bị SL

1

Valve với thông số: - Môi chất: Hơi nƣớc - Kích thƣớc valve: DN15 - p suất: 0-10kgf/cm² - Nhiệt độ: T 0-200Deg.C - Tín hiệu điều khiển: 4-20mA - Vị trí Valve điều khiển: 4-20mA

1 cái

2

Biến tần ALTIVAR11 công suất 0.75kW 1 pha 220VAC.

- Điện áp vào: 220VAC/1 pha. - Điện áp ra: 380 VAC/3 pha. - Công suất 0.75kW.

`

4.2 Các bài toán điều khiển trong hệ thống

4.2.1 B i toán điều khiển nhiệt độ

Bài toán ổn định nhiệt độ nói chung là một bài toán thƣờng gặp trong công nghiệp.

Hình 4.2 Đối tƣợng điều khiển trong mô hình.

Các đối tƣợng điều khiển trong mô hình điều khiển nhiệt ổn định nhiệt độ. - Bộ phận gia nhiệt: Trong mô hình sử dụng hơi nƣớc có nhiệt độ cao để gia nhiệt. - Bộ phận điều khiển gia nhiệt: Sử dụng van điều khiển góc mở (CV 02) điều khiển lƣợng hơi đi gia nhiệt.

- Tín hiệu nhiệt độ phản hồi: Cảm biến nhiệt độ âm.

a. Phân tích bài toán điều khiển ổn định nhiệt độ nước cấp tronghình 4.2

Trong mô hình: Để điều khiển nhiệt độ nƣớc cấp ta có thể điều khiển các tham số nhƣ lƣu lƣợng nƣớc cấp từ bình nƣớc cấp lên nồi hơi gia nhiệt bằng cách thay đổi tốc độ của bơm số 2, hay lƣợng hơi phản hồi từ nồi hơi bằng cách điều khiển góc mở van điều khiển CV02, khi góc mở van tăng thì lƣợng hơi phản hồi tăng và

tăng nhiệt độ nƣớc cấp vào nồi hơi, ngƣợc lại khi góc mở giảm thì lƣợng hơi phản hồi giảm và làm giảm nhiệt độ nƣớc cấp.

b. Cấu trúc điều khiển nhiệt độ nước cấp

Sử dụng bộ điều khiển PID Loop để điều khiển góc mở van CV02 (Van điều khiển lƣợng hơi gia nhiệt). Trong mô hình này thì chỉ điều khiển duy nhất góc mở van CV02 còn các yếu tố khác coi nhƣ là nhiễu. Đây cũng là các nhiễu thƣờng gặp trong công nghiệp.

Valve_02 Bộ gia nhiệt nước cấp Lưu lượng nước lạnh

Cảm biết nhiệt độ nước cấp eT

ST

PvT

PID

Hình 4-3 Sơ đồ cấu trúc điều khiển nhiệt đô nƣớc cấp

Do đối tƣợng nhiệt độ nƣớc cấp là đối tƣợng biết thiên chậm, đồng thời phụ thuộc vào lƣu lƣợng nƣớc cấp, lƣợng hơi gia nhiệt. Các tác động này cũng là các tác động gián tiếp nên đáp ứng điều khiển chậm.

4.2.2 B i toán điều hiển mức

Mục đích: Việc ổn định mức hay duy trì mức nƣớc trong bao hơi, trong bình nƣớc cấp là rất quan trọng. Ổn định mức nƣớc trong bình nƣớc cấp giúp cho nhà máy nhiệt điện luôn luôn đủ lƣợng nƣớc cấp cho toàn hệ thống, tránh đƣợc tình trạng gián đoạn toàn hệ thống do thiếu nƣớc cấp đầu vào.

Đối tượng điều khiển trong mô hình:

- Ổn định mức nƣớc bình nƣớc cấp

- Ổn định mức nƣớc bình gia nhiệt (mô hình) hay lò hơi (trên thực tế) Các thiết bị tham gia trong quá trình điều khiển:

- Các thiết bị cảm biến mức: Cảm biến siêu âm, cảm biến chênh áp,… phản hồi mức nƣớc thực tế trong bình.

`

a. Phân tích bài toán ổn định mức bình nước cấp

- Đầu vào: Bơm nƣớc cấp P01

- Đầu ra: Bơm nƣớc P02 bơm nƣớc từ bình nƣớc cấp lên bình gia nhiệt - Tín hiệu phản hồi: Cảm biến mức nƣớc thực tế (cảm biến siêu âm).

b. Cấu trúc điều khiển

Trong thực tế việc điều khiển duy trì mức nƣớc trong bao hơi rất quan trọng, bởi nó ảnh hƣởng đến tuổi thọ của thiết bị trong nhà máy. Đo mức bằng phƣơng pháp chênh áp là một phƣơng pháp phổ biến trong công nghiệp và quá trình điều khiển mức cũng là một quá trình điều khiển điển hình trong công nghiệp về các vòng điều khiển kín.

Điều khiển mức nƣớc cho bao hơi là một đối tƣợng phức tạp, bởi mức nƣớc trong bao hơi bị ảnh hƣởng bởi nhiều yếu tố nhƣ: nhiệt cấp từ tốc độ mất nƣớc do quá trình gia nhiệt, nƣớc cấp cho bao hơi... Do vậy đối tƣợng điều khiển rất phức tạp. Tuy nhiên để đơn giản, trong hệ thống để thay đổi mức nƣớc trong bao hơi chỉ điều khiển duy nhất bơm nƣớc cấp nƣớc cho bao hơi. Các tác nhân khác đƣợc coi là nhiễu ảnh hƣởng đến quá trình. Đây cũng chính là các nhiễu thƣờng gặp trong công nghiệp.

Cấu trúc vòng điều khiển mức:

Hình 4-4 Sơ đồ cấu trúc điều khiển mức

4.2.3 Bài toán ổn định lưu lượng

Ổn định lƣu lƣợng là quá trình ổn đinh lƣu lƣợng nƣớc cấp vào bình nƣớc cấp TK01 nhằm đảm bảo đủ nƣớc cấp vào bình gia nhiệt. Để ổn định lƣu lƣợng ta điều khiển tốc độ bơm BP01 thông qua biến tần theo giá trị lƣu lƣợng đặt trƣớc.

Cấu trúc vòng điều khiển:

C

Tốc độ

Bơm 1

lưu lượng

Cảm biết lưu lượng

Hình 4-5 Sơ đồ cấu trúc điều khiển lƣu lƣợng

4.2.4 B i toán điều khiển áp suất

Điều khiển áp lực cho bao hơi là một đối tƣợng phức tạp, bởi áp lực trong bao hơi bị ảnh hƣởng bởi rất nhiều yếu tố, nhiệt cấp từ gia nhiệt, nƣớc cấp cho bao hơi, hơi cấp đi gia nhiệt cho nƣớc cấp, .... Do vậy đối tƣợng điều khiển rất phức tạp.

Tuy nhiên trong hệ thống để thay đổi áp lực trong bao hơi chỉ điều khiển duy nhất bộ gia nhiệt cho bao hơi. Các nhân tố khác đƣợc coi là nhiễu ảnh hƣởng đến quá trình. Đây cũng chính là các nhiễu thƣờng gặp trong thực tế trong công nghiệp. Cấu trúc điều khiển áp suất bao hơi:

C

^{Bình gia}

nhiệt ^{Gom hơi}

Đặt áp lực Bình gom hơi

V1 V2

Cảm biết áp suất bao hơi

Hình 4-6 Sơ đồ cấu trúc điều khiển áp suất

4.2.5 B i toán điều hiển hác

Ngoài 4 bài toán điều khiển đƣợc đề cập ở trên trong mô hình này còn có một số bài toán điều khiển On/Off. Đó là điều khiển chạy từng động cơ trực tiếp, bài toán điều khiển On/Off gia nhiệt theo áp suất trong bao hơi, tín hiệu khóa không cho phép bơm chạy bơm.

`

4.3 Lƣu đồ thuật toán của các bài toán đƣợc điều khiển

4.3.1 Lưu đồ thuật toán điều hiển P01

4.3.2 Lưu đồ thuật toán điều khiển P02

Cảnh báo mức

LA.L04=1?

- Thực hiện chạy bơm P01 bằng cách đặt start biến tần 1 lên 1

- Báo trạng thái của bơm lên Faceplace

Cảnh báo mức LT.L01=1?

Chạy bơm P02 ?

- Không cho phép chạy bơm P01

- Báo trạng thái cảnh báo

- Không cho phép chạy bơm P01

- Báo trạng thái cảnh báo

A

- Thực hiện chạy bơm P02 bằng cách đặt start biến tần 2 lên 1

-Báo trạng thái của bơm lên Faceplace Cảnh báo mức LA.L05=1? LT.L03 quá mức cho? Chạy bơm P02 ?

- Không cho phép chạy bơm P02

- Báo trạng thái cảnh báo

- Không cho phép chạy bơm P02

- Báo trạng thái cảnh báo

B

C

4.3.3 Lưu đồ thuật toán điều hiển Biến tần 1

4.3.4 Lưu đồ thuật toán điều hiển Biến tần 2

C

D

-Thực hiện việc điều khiển biến tần 1 theo chế độ tự động bằng cách tự động bám theo mức đặt

–Dựa trên các tham số PID lên trên Faceplate

-Thực hiện việc điều khiển biến tần 1 theo chế độ bằng tay bằng cách tự động bám theo mức đặt

–Dựa trên các tham số PID lên trên Fceplate

C

D

C

D

-Thực hiện việc điều khiển biến tần 2 theo chế độ Auto bằng cách tự động bám theo mức đặt

–Dựa trên các tham số PID lên trên Faceplate

-Thực hiện việc điều khiển biến tần 2 theo chế độ Munual bằng cách tự động bám theo mức đặt

–Dựa trên các tham số PID lên trên Faceplate

D

E

`

4.3.5 Lưu đồ thuật toán điều hiển gia nhiệt 1

4.3.6 Lưu đồ thuật toán điều hiển van V01

C

D

Gia nhiệt 1 chế độ Tƣ động

-Thực hiện việc đóng ngắt gia nhiệt trực tiếp qua Faceplace –Báo trạng thái gia nhiệt lên Faceplate

-Thực hiện việc điều khiển gia nhiệt 1 tự động theo bài toán công nghệ đã tính toán

E

F

C

D

-Thực hiện việc điều khiển CV01 theo thuật toán PID chế độ tự động bằng cách bám theo áp suất đã đặt trƣớc

- Báo cáo tham số điều khiển lên trên Faceplate

F

G

-Thực hiện việc điều khiển CV01 theo thuật toán PID chế độ bằng tay bằng cách bám theo góc mở đã đặt trƣớc - Báo cáo tham số điều khiển lên trên Faceplate

4.3.7 Lưu đồ thuật toán điều hiển van V02

4.3.8 Lưu đồ thuật toán điều hiển van V03

C

D

Van CV2 chế độ tự động

-Thực hiện việc điều khiển CV02 theo thuật toán PID chế độ Auto bằng cách bám theo nhiệt độ đã đặt trƣớc

- Báo cáo tham số điều khiển lên trên Faceplate G H Y Y N N Van CV2 chế độbằng tay

-Thực hiện việc điều khiển CV02 theo thuật toán PID chế độ Munual bằng cách bám theo góc mở đã đặt trƣớc

- Báo cáo tham số điều khiển lên trên Faceplate

C

D

Van CV3 chế độ tự động

-Thực hiện việc điều khiển CV03 theo thuật toán PID chế độ Auto bằng cách bám theo áp suất đã đặt trƣớc

- Báo cáo tham số điều khiển lên trên Faceplate

H

I

-Thực hiện việc điều khiển CV03 theo thuật toán PID chế độ Munual bằng cách bám theo góc mở đã đặt trƣớc

- Báo cáo tham số điều khiển lên trên Faceplate

`

4.3.9 Lưu đồ thuật toán của các cảnh báo

- Tạo tín hiệu khóa P01

- Đƣa cảnh báo lên Alarm list

- Tạo tín hiệu khóa P01

- Đƣa cảnh báo lên Alarm list

- Tạo tín hiệu ngắt gia nhiệt quá tải

- Đƣa cảnh báo lên Alarm list Các quá nhiệt

quá tải Cảnh báo mức LT.L01=1?

- Tạo tín hiệu khóa P01

- Đƣa cảnh báo lên Alarm list Cảnh báo mức

LA.L05=1?

Cảnh báo mức LA.L04=1?

- Tạo tín hiệu khóa P02

- Đƣa cảnh báo lên Alarm list

I

J

- Tạo tín hiệu khóa P01

4.4 Thiết kế phần mềm

4.4.1 Giới thiệu chung về phần mềm dùng cho bộ điều hiển

Để lập trình cho bộ điều khiển, thiết kế giao diện cho ngƣời vận hành, kết nối bộ điều khiển với máy tính… ta cần sử dụng những phần mềm đi kèm với bộ điều khiển AC800M. Các phần mềm đó bao gồm:

Phần mềm lập trình (Control Builder M Professional)

Khởi động chƣơng trình Control Builder M. Cửa sổ Contron Builder M Professional hiện ra. Để tạo Project mới ta vào File/ New Project...

Hình 4-7 cửa sổ làm việc Control Builder

Cửa sổ New Project hiện ra ta chọn bộ điều khiển là AC800M và đặt tên cho project ở mục Name: sau đó bấm Ok

`

Cửa sổ lập trình hiện ra ta bấm chuột phải vào Code chọn Change Language... để chọn ngôn ngữ lập trình. Ở đây ta chọn lập trình dƣới dạng Function Block Diagram (FBD)

Hình 4-9 Cửa sổ làm việc của Program Application

Control Builder M Professional giúp ngƣời sử dụng quản lý các project tiện lợi và nhanh chóng. Một Project đƣợc quản lý theo dạng cây, với các phần chính là Libraries, Applications và controllers.

Phần Libraries bao gồm các thƣ viện có sẵn của chƣơng trình và có thể có các thƣ viện do chính ngƣời dùng tạo ra. Ở đây đƣợc thiết lập để chứa các thƣ viện cần thiết cho project cần viết.

Phần Application là phần chính, nơi dùng để lập trình. Trong application chúng ta có thể tạo nhiều các Application con và mỗi Application con sẽ có hai phần chính là Connected Libraries và Programs nhƣ hình dƣới. Và chƣơng trình chính chúng ta sẽ viết ở mục Program2.

Phần Controllers giúp chúng ta thiết lập với bộ controller tại phòng điều khiển trung tâm dùng để chạy trong chế độ online.

Chế độ điều khiển bao gồm các chế độ sau:

+ Chế độ điều khiển tại chỗ: - Điều khiển bằng tay (Local Manual) - Điều khiển tự động (Local Auto)

+ Chế độ điều khiển từ xa: - Điều khiển bằng tay (Remote Manual) - Điều khiển tự động (Remote Auto)

Biến: Trong Control Builder có ba loại biến nhƣ sau: local variable, gobal variable và access variable.

Local variable: Là loại biến đƣợc sử dụng trong một khối function block hoặc là trong chƣơng trình mà nó đƣợc khai báo.

Gobal variable: Là biến đƣợc truy nhập từ bất kỳ chƣơng trình hoặc function block trong một dự án mở. Biến toàn cục phải đƣợc khai báo nhƣ là biến ngoài. Tất cả các biến phải đƣợc khai báo với tên duy nhất và tƣơng ứng với kiểu dữ liệu. Điều này phải làm trƣớc khi code chƣơng trình đƣợc viết. Biến cũng phải đƣợc khai báo thuộc tính nhƣ là retain, constant và blank field.

Các thƣ viện của Control Builder M Professional:

Control builder M đƣợc phân phối với một tập hợp toàn diện các hàm. Nó bao gồm loại dữ liệu, hàm, các function blocks và các module điều khiển. Chúng đƣợc chia thành các loại thƣ viện sau:

System library (SystemLib): chứa tất cả các loại dữ liệu cơ bản và hàm, bộ biến đổi, hàm toán học, hàm logic, các bộ timer và counter. Communication Library (CommunicationLib) bao gồm các function block cho các giao thức nhƣ là MMS, Modbus, Foundation Fieldbus, SattBus, COMLI và Siemens 3964R.Control Library (nhƣ là ControlBasicLib, ControlExtendedLib,ControlSimpleLib,…) bao gồm các bộ điều khiển PID, cascade PID, module điều khiển,…

Alarm and Library (AlarmEventLib) bao gồm các function block cho cảnh báo và sự kiện.

`

Phần mềm Control Build là phần mềm đƣợc dùng để điều khiển

Trƣớc tiên, để đơn giản hóa cho phần lập trình điều khiển chính, chúng tôi đã