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:
C5 Tốc độ
Bơm 1 Đặt giá trị
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:
C1 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 B Y N Y N Y N
- 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 Y N Y N Y N
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 Biến tần 2 chế độ tự động? Biến tần 2 chế độ bằng tay?
-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 Y Y N N C D Biến tần 2 chế độ tự động? Biến tần 2 chế độ bằng tay?
-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 Y Y N N
`
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 Y Y N N Gia nhiệt 1 chế độ C D Van CV1 chế độ tự động
-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 Y Y N N Van CV2 chế độ bằng tay
-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 Y Y N N Van CV3 chế độ bằng tay
-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 Y N Y N Y N Y Cảnh báo mức LT.L01=1?
- 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 tiến hành xây dựng thƣ viện riêng. Ngoài các khối FB có sẵn trong thƣ viện, công cụ Control Builder M còn cung cấp chức năng cho ngƣời dùng có thể tự xây dựng thƣ viện riêng cho chƣơng trình của mình.
b) Operator workplace , Plant Explorer Workplace
Plant Explorer Workplace đƣợc sử dụng để thiết kế giao diện vận hành của bộ điều khiển thiết lập các thông số, tạo các đối tƣợng , kết nối các đối tƣợng đến giao diện vận hành.
Trong phần mềm Eplant, hãng ABB cũng đã cung cấp cho ngƣời dùng một công cụ rất hữu dụng, đó là đồ thị xu hƣớng Trend Display. Với công cụ này, ngƣời vận hành có thể theo dõi và ghi lại giá trị của bất kỳ biến nào đƣợc tạo lập bởi Control Builder M.
Để sử dụng công cụ, ngƣời dùng có thể tạo ra đối tƣợng Trend Display trong phần mềm Eplant, sau đó thay đổi các thông số hiển thị trên đồ thị bằng cách tạo và cài đặt đối tƣợng Trend Template. Trong Trend Template, ngƣời dùng có thể cài đặt màu nền cho đồ thị, màu đồ thị, thời gian trích mẫu,… để tăng hiệu quả của việc giám sát và tối ƣu trong việc lƣu trữ các dữ liệu của quá trình.
Một điểm quan trọng là tổng số các giá trị mà đồ thị lƣu giữ đƣợc là 86400 nên nếu thời gian quan sát quá lâu và quá nhiều biến quan sát thì những giá trị trƣớc đó của các biến sẽ mất dần đi để có thể ghi tiếp các giá trị mới. Do đó ngƣời vận hành cần phải biết cách lựa chọn thời gian trích mẫu của đồ thị sao cho hợp lý để giá trị thu đƣợc là phù hợp với mục đích sử dụng và tối ƣu hóa khả năng lƣu trữ số liệu của quá trình.
c) Softcontroller
Softcontroller là phần mềm cho phép mô phỏng một ứng dụng mà không có một bộ điều khiển thực. SoftController cũng có thể đƣợc sử dụng nhƣ một bộ điều khiển, mặc dù SoftController không cho phép ghép nối I/O. Việc cài đặt các phần
mềm cơ sở cho SoftControl cũng sẽ cài đặt MMS Server cho AC 800M yêu cầu cho việc trao đổi dữ liệu với bộ điều khiển.
d) OPC Server
OPC là một chuẩn công nghiệp đƣợc tạo ra với sự cộng tác của một số nhà cung cấp phần cứng và phần mềm với sự hợp tác với Microsoft. Tiêu chuẩn này xác định các phƣơng pháp để trao đổi dữ liệu tự động hóa thời gian thực giữa các máy tính PC - Client sử dụng hệ điều hành Microsoft. Tổ chức quản lý tiêu chuẩn này là OPC Foundation
4.4.2 ấu trúc code của bộ điều hiển
Chƣơng trình chính của bộ điều khiển đƣợc viết dƣới dạng Control Module một chuẩn áp dụng cho các bộ điều khiển trong công nghiệp.
Để xây dựng code lập trình chúng tôi tiến hành định nghĩa các biến toàn cục và