Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát lò thổi trong nhà máy luyện thép
- 153 trang
- file .pdf
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
BÙI THỊ THÊM
BÙI THỊ THÊM
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ
TỰ ĐỘNG HÓA
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT LÒ THỔI
TRONG NHÀ MÁY LUYỆN THÉP
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
KHOÁ: 2014B
Hà Nội – Năm 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
BÙI THỊ THÊM
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT LÒ THỔI
TRONG NHÀ MÁY LUYỆN THÉP
Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS VÕ MINH CHÍNH
Hà Nội – Năm 2016
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tác giả luận văn
Bùi Thị Thêm
MỤC LỤC
MỤC LỤC
DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
DANH MỤC BẢNG
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT .... 1
1.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển vàgiám sát........................................... 1
1.1.1 Đặt vấn đề ............................................................................................. 1
nh phân cấp chức năng của hệ thống điều khiển, giám sát ......... 2
1.1.2 Môhì
1.1.3 Cấu trúc vàcác thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển, giám sát 4
1.2 Hệ thống điều khiển giám sát SCADA ....................................................... 7
1.2.1 Định nghĩa ............................................................................................. 7
1.2.2 Tính năng của hệ thống SCADA .......................................................... 8
1.2.3 Sơ đồ cấu trúc phần cứng .................................................................... 10
1.2.3.1 Ngƣời vận hành (Operator) ........................................................... 13
1.2.3.2 Human Machine Interface (HMI) ................................................. 13
1.2.3.2 Đơn vị đầu cuối từ xa (RTU – Remote Termainal Unit).............. 13
1.2.3.3 PLC sử dụng nhƣ RTU ................................................................. 15
1.2.3.4 Đơn vị đầu cuối chủ (MTU - Master Terminal Unit) ................... 16
1.2.3.5 Các thiết bị trƣờng (Field Devices) .............................................. 19
1.2.4 Hệ truyền thông................................................................................... 19
1.2.5 Phần mềm ............................................................................................ 23
Kết luận chƣơng 1 ........................................................................................... 26
CHƢƠNG 2: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ LÒ THỔI ................................... 27
2.1 Tổng quan về nhàmáy luyện thép. ........................................................... 27
2.2 Phân loại công nghệ lòthổi trong công nghệ luyện thép. ........................ 28
2.3 Lƣu trình công nghệ của NMLT. ............................................................. 29
2.4 Thông số hệ thống lòthổi ........................................................................ 31
2.4.1 Hệ thống quay lò. ................................................................................ 31
2.4.2 Hệ thống súng oxy. ............................................................................. 34
2.4.3 Hệ thống cấp liệu rời. .......................................................................... 35
2.4.4 Hệ thống lọc bụi Ventury. ................................................................... 36
2.4.5 Hệ thống làm mát khíhóa lòthổi. ...................................................... 36
2.5 Các loại cảm biến vàcác loại van. ............................................................ 37
2.5.1 Cảm biến nhiệt độ .............................................................................. 37
2.5.2 Cảm biến áp suất. ............................................................................... 38
2.5.3 Cảm biến lƣu lƣợng. .......................................................................... 38
2.5.4 Van điện động đóng mở hệ thống làm mát khíhóa lòthổi. ............. 41
2.5.5 Van điều tiết cho hệ thống làm mát khíhóa lòthổi vàsúng oxy. ..... 41
2.5.6 Van đóng mở của hệ thống Ventury. ................................................. 42
2.5.7 Van đóng cắt nhanh cho đƣờng ống khí............................................ 43
2.6 Quy trì
nh vận hành của lòthổi. ................................................................ 43
2.6.1 Trƣớc khi vận hành. ........................................................................... 43
2.6.2 Thao tác vận hành. ............................................................................. 44
Kết luận chƣơng 2 ........................................................................................... 46
CHƢƠNG 3:THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT LÒ THỔI .........47
nh vànhiệm vụ của hệ thống điều khiển, giám sát lòthổi. ............. 47
3.1 Môhì
3.1.1 Môhì
nh hệ thống lòthổi..................................................................... 47
3.1.2 Nhiệm vụ của hệ thống điều khiển vàgiám sát lòthổi. ...................... 47
3.2 Cấu trúc điều khiển giám sát của hệ thống. .............................................. 48
3.3 Thiết kế phần cứng .................................................................................... 50
3.3.1 Số lƣợng tí
n hiệu đo và điều khiển của hệ thống................................ 50
3.3.2 Chọn thiết bị cho các cấp của hệ thống. ............................................. 53
3.3.2.1 Các thiết bị của cấp giám sát. ....................................................... 53
3.3.2.2 Các thiết bị của cấp điều khiển. .................................................... 54
3.3.2.3 Các thiết bị cấp trƣờng. ................................................................. 55
3.4. Thiết kế truyền thông . ............................................................................. 56
3.5. Thiết kế phần mềm. .................................................................................. 56
3.5.1. Phần mềm điều khiển trên STEP7. .................................................... 56
3.5.2 Thiết kế phần mềm giám sát điều khiển trên Wincc 7.0 .................... 60
3.6. Chạy môphỏng vàkết quả ....................................................................... 63
Kết luận chƣơng 3 ........................................................................................... 71
KẾT LUẬN CHUNG ...................................................................................... 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 73
PHỤ LỤC ........................................................................................................ 74
PHỤ LỤC 1 : Sơ đồ nguyên lýmạch lực điều khiển động cơ
PHỤ LỤC 2 : Thiết lập cấu hì
nh mạng truyền thông
PHỤ LỤC 3 : Lƣu đồ thuật toán và chƣơng trình điều khiển PLC.
DANH MỤC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ADSL Asymmetric Digital Subscriber Đƣờng dây thuêbao số bất đối
Line xứng
AI Analog Input Đầu vào tƣơng tự
AO Analog Output Đầu ra tƣơng tự
A/D Analog/Digital Tƣơng tự/ Số
CDC Compact Digital Controller Thiết bị điều chỉnh số đơn lẻ
CPU Central Processing Unit Khối xử lýtrung tâm
DB Data Block Khối dữ liệu
DCS Distributed control system Hệ thống điều khiển phân tán
DI Digital Input Đầu vào số
DO Digital Output Đầu ra số
FB Function Block Khối chức năng
FC Functions Hàm chức năng
GOT Graphic Operation Terminal nh hiển thị đồ họa
Màn hì
HMI Human Machine Interface Thiết bị giao tiếp giữa ngƣời và
máy
LAN Local Area Network Mạng máy tí
nh cục bộ
MMI Man Machine Interface Module giao tiếp giữa ngƣời và
máy
MTU Master Terminal Unit Đơn vị đầu cuối chủ
OB Organization Block Khối tổ chức
PC Personal Computer Máy tí
nh cánhân
PID Proportional Integral Derivative Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ
PLC Programmable Logic Controller Thiết bị điều khiển logic khả
trì
nh
RTU Remote Terminal Unit Đơn vị đầu cuối từ xa
SCADA Supervisory Control And Data Hệ thống điều khiển giám sát và
Acquisition thu thập dữ liệu
SFB System Function Block Khối hàm chức năng hệ thống
SFC System functions Hàm chức năng hệ thống
TCP/IP Transmission Control Protocol/ Giao thức mạng vàvận chuyển
Internet Protocol
WAN Wide Area Network Mạng diện rộng
WinCC Window Control Center Trung tâm điều khiển chạy trên
nền Windows
DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
nh 1.1 . Môhình phân cấp chức năng hệ thống điều khiển vàgiám sát ................2
Hì
nh 1.2. Cấu trúc của hệ thống điều khiển giám sát .................................................4
Hì
nh 1.3. Cấu trúc hệ thống SCADA tiêu biểu ...........................................................6
Hì
nh 1.4. Mô hình hệ thống SCADA ...........................................................................8
Hì
Hì
nh 1.5. Cấu hình một mạng SCADA tiêu biểu .......................................................10
Hì
nh 1.6. Cấu trúc chung của hệ SCADA .................................................................11
Hì
nh 1.7. Các thành phần của hệ SCADA ................................................................12
Hì
nh 1.8. Màn hình HMI ...........................................................................................13
Hì
nh 1.9. Cấu trúc một RTU tiêu biểu ......................................................................14
nh 1.10. Cấu trúc hệ SCADA với PLC ..................................................................15
Hì
Hì
nh 1.11. Cấu hình tiêu biểu của một PLC .............................................................16
nh 1.12. Kiến trúc một MTU tiêu biểu ..................................................................17
Hì
nh 1.13. Hình minh họa kiến trúc Sub-Master station ..........................................18
Hì
nh 1.14. Các cấp mạng truyền thông trong hệ điều khiển giám sát .....................19
Hì
nh 1.15. Hệ thống SCADA được cấu trúc theo kiểu điểm – điểm .........................21
Hì
Hì
nh 1.16. Hệ thống SCADA bao gồm các RTU nối tiếp .........................................21
nh 1.17. Hệ thống SCADA bao gồm các RTU mắc sao – nối tiếp ........................22
Hì
nh 1.18. Hệ thống SCADA bao gồm các RTU kết nối kiểu điểm – nhiều điểm ....22
Hì
Hì
nh 1.19. Cấu trúc phần mềm hệ SCADA ...............................................................23
nh 1.20. Hình minh họa vai trò và hoạt động của SCADA ...................................24
Hì
Hình 2.1. Lưu trình công nghệ luyện thép ................................................................30
Hì
nh 2.2. Bản vẽ chi tiết lòthổi ...............................................................................31
Hì
nh 2.3. Bản vẽ phối lắp lòthổi ............................................................................32
nh 2.4. Hình ảnh thực tế của hệ thống quay lò. ....................................................32
Hì
nh 2.5. Bàn điều khiển chính trong phòng vận hành. ...........................................33
Hì
Hình 2.6. Bàn điều khiển ra thép. .............................................................................34
Hì
nh 2.7. Bản vẽ súng chi tiết súng oxy. ...................................................................35
nh 2.8. Cảm biến nhiệt độ Pt100 ...........................................................................37
Hì
nh 2.9. Cầu đấu bên trong của cảm biến nhiệt độ vàvị trílắp thực tế.................37
Hì
nh 2.10. Hình ảnh màng điện trở và điện trở của màng ngăn áp suất. ................38
Hì
nh 2.11. Cảm biến áp suất sử dụng ở NMLT. .......................................................38
Hì
nh 2.12. Minh họa nguyên lý đo chênh áp. ...........................................................39
Hì
nh 2.13. Cảm biến lưu lượng khísử dụng ở NMLT. .............................................39
Hì
nh 2.14. Minh họa nguyên lý đo lưu lượng điện từ. ..............................................40
Hì
nh 2.15. Cảm biến lưu lượng nước sử dụng ở NMLT. ..........................................40
Hì
nh 2.16. Ảnh van điện động. .................................................................................41
Hì
Hình 2.17. Van điều khiển 4 – 20 mA khínén. ..........................................................42
Hình 2.18. Van điều khiển 4 – 20 mA điện ...............................................................42
Hình 2.19. Van on/off đóng cắt nhanh. .....................................................................43
nh 3.1. Môhình phân cấp chức năng hệ thống điều khiển giám sát lòthổi .........47
Hì
nh 3.2. Sơ đồ khối các thành phần cơ bản của lòthổi. .........................................48
Hì
nh 3.3. Cấu trúc hệ thống điều khiển giám sát lòthổi ..........................................49
Hì
Hì
nh 3.4. Các Module của biến tần Sinamic ............................................................55
Hì
nh 3.5. Lập trình cócấu trúc ................................................................................57
nh 3.6. Chu trình vòng quét chương trình .............................................................58
Hì
Hì
nh 3.7. Cấu trúc lập trì
nh của hệ thống lòthổi .....................................................60
nh 3.8. Các chức năng của giao diện HMI ...........................................................61
Hì
Hì
nh 3. 9. Giao diện lòthổi.......................................................................................64
Hì
nh 3.10.Giao diện làm mát khíhóa .......................................................................64
Hì
nh 3.11.Giao diện lọc bụi Ventury ........................................................................65
Hì
nh 3.12.Giao diện hệ thống cấp liệu rời ...............................................................65
Hì
nh 3. 13 Giao diện lòthổi khi thổi luyện ...............................................................66
nh 3. 14 Giao diện hệ thống lọc bụi khi đang hoạt động ......................................67
Hì
nh 3. 15 Giao diện hệ thống cấp liệu khi đang hoạt động ....................................67
Hì
nh 3.16.Giao diện Trend lưu lượng nước Ventury ................................................68
Hì
Hì
nh 3.17.Giao diện Trend làm mát khíhóa ............................................................68
Hì
nh 3.18. Giao diện Trend súng Oxy ......................................................................69
Hì
nh 3.19. Giao diện Trend góc quay lò...................................................................69
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1.Các giai đoạn của nhàmáy luyện thép.....................................................28
Bảng 2.2. Thông số điều kiện vận hành ...................................................................44
Bảng 3.1. Số lượng tín hiệu vào ra của hệ thống .....................................................53
MỞ ĐẦU
Trong quátrình sản xuất, việc đảm bảo hệ thống hoạt động trơn tru không bị
ngắt quãng làviệc vô cùng quan trọng vìsản phẩm đầu ra có đạt đƣợc chất lƣợng
cao hay không phụ thuộc rất lớn vào việc quá trình đó có tuân thủ chặt chẽ theo
công nghệ hay không. Đối với sản xuất gang thép cũng phải đạt đƣợc yêu cầu nhƣ
trên bởi nếu một thiết bị nào đó bị hỏng sẽ làm cho toàn bộ quátrình sản xuất cũng
bị dừng lại và điều chắc chắn làsẽ gây ra tổn thất không nhỏ
Một trong những giải pháp cho điều khiển giám sát quátrì
nh công nghệ đó là
hệ thống SCADA. Việc thiết kế hệ thống SCADA với đầy đủ các chức năng là rất
cần thiết đảm bảo cho việc dễ dàng bảo trìbảo dƣỡng, giảm sự cố xảy ra do cóchức
năng cảnh báo, hiển thị trực quan cho ngƣời vận hành, tránh đƣợc những hỏng hóc
dẫn đến dừng dây chuyền do chủ quan của ngƣời vận hành. Ngoài ra, chúng ta còn
cóthể sử dụng thêm các module truyền thông để cóthể gửi email, tin nhắn qua điện
thoại hoặc quản lýtừ xa qua Ethernet. Khi đó, ngƣời cóthẩm quyền cao hơn có thể
quyết định xử lýkịp thời các lỗi xảy ra giúp quátrì
nh sản xuất không bị gián đoạn.
Sản xuất gang thép làngành công nghiệp nặng, trong quy trì
nh sản xuất có
những công đoạn rất nhiều nguy hiểm cho con ngƣời vàthiết bị. Một trong những
công đoạn đó là các lò luyện với nhiệt độ rất cao. Vìvậy giám sát điều khiển tự
động làviệc làm quan trọng trong lĩnh vực sản xuất này.
Luận văn thực hiện việc nghiên cứu hệ thống điều khiển giám sát ứng dụng
cho lòthổi trong nhàmáy luyện thép với những nội dung chí
nh sau:
Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống điều khiển vàgiám sát
Chƣơng 2: Giới thiệu công nghệ lòthổi trong nhàmáy luyện thép
Chƣơng 3: Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát lòthổi
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành, lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo –
PGS.TS Võ Minh Chính, ngƣời đã trực tiếp chỉ bảo và hƣớng dẫn tôi trong suốt quá
nh thực hiện luận văn.
trì
Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã
động viên, giúp đỡ vàtạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quátrì
nh
học tập vànghiên cứu.
Mặc dù đƣợc sự chỉ bảo sát sao của thầy hƣớng dẫn, sự nỗ lực cố gắng của
bản thân nhƣng do kiến thức còn hạn chế nên luận văn này không tránh khỏi những
thiếu sót. Tôi rất mong nhận đƣợc sự góp ý, bổ sung để luận văn đƣợc hoàn thiện
hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
HàNội, ngày 2 tháng 10 năm 2016
Tác giả luận văn
Bùi Thị Thêm
Chương 1 : Tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT
1.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển vàgiám sát
1.1.1 Đặt vấn đề
Ngày nay, khái niệm Tự động hóa quátrì
nh công nghệ không chỉ dừng lại ở
cấp điều khiển hạ tầng mà đƣợc hiểu với chức năng rộng hơn bao gồm cả việc giám
sát và điều hành toàn bộ quátrì
nh sản xuất. Sự chuyển hƣớng trong các giải pháp
điều khiển tự động đƣợc đánh dấu đậm nét bởi các tiến bộ vƣợt bậc của công nghệ
vi điện tử vàcông nghệ thông tin. Nhu cầu tí
ch hợp hệ thống điều khiển vàgiám sát
cấp cao trong một hệ thống thông tin tổng thể của một xínghiệp sản xuất vàcủa cả
công ty ngày càng trở nên quan trọng vàcần thiết.
Khi thiết kế một hệ thống tự động hóa quátrình công nghệ, một vấn đề luôn
đặt ra làphải cân nhắc giải pháp hệ thống trên cơ sở các thiết bị riêng lẻ hay một hệ
thống tích hợp trọn vẹn. Thiết kế hệ thống trên cơ sở các thiết bị riêng lẻ yêu cầu
ngƣời thiết kế phải xây dựng cấu hì
nh hệ thống. Ngƣợc lại một hệ thống điều khiển
quátrình tích hợp, một mặt không cho phép ngƣời dùng có nhiều sự lựa chọn về
thiết bị cũng nhƣ công cụ phần mềm, mặt khác đòi hỏi đầu tƣ ban đầu tƣơng đối
lớn. Giải pháp này thích hợp với các ứng dụng cóquy môvừa vàlớn bởi độ tin cậy
cao vàhỗ trợ rộng rãi các chức năng điều hành sản xuất. Đồng thời cần đảm bảo các
yêu cầu kỹ thuật, độ linh hoạt, mềm dẻo vàcả giáthành khi thiết kế hệ thống
Điều khiển vàgiám sát bao hàm toàn bộ các giải pháp hệ thống nhằm đảm
bảo các yêu cầu chức năng của quátrì
nh kỹ thuật nhƣ năng suất, chất lƣợng, an toàn
cho con ngƣời, máy móc và môi trƣờng. Mặc dù điều khiển và giám sát là hai
nhiệm vụ khác nhau nhƣng chúng lại liên hệ mật thiết với nhau. Thực tế, điều khiển
đòi hỏi phải cógiám sát vàmột sự giám sát sẽ vô nghĩa nếu nhƣ thiếu điều khiển, vì
thế ngƣời ta hay dùng một khái niệm chung là điều khiển.
Các giải pháp hệ thống cho điều khiển vàgiám sát một quátrì
nh công nghệ
hay một dây chuyền lắp ráp không chỉ bao hàm ýtự động hóa, tin học hóa các chức
Học viên: Bùi Thị Thêm 1 Lớp: 14B ĐKTĐH
Chương 1 : Tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát
năng của hệ thống điều khiển mà còn bao hàm ý tiện lợi hóa cho ngƣời sử dụng
điều hành. Hơn nữa nói tới điều khiển vàgiám sát ta không hạn chế phạm vi ngƣời
sử dụng ở cấp thao tác viên hay ngƣời điều hành xƣởng máy màcòn cóthể mở rộng
lên cấp quản lý sản xuất hay lãnh đạo công ty. Điều này mang nhiều ý nghĩa trong
việc nghiên cứu tích hợp các hệ thống điều khiển phân tán DCS (Distributed
Control System), hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA
(Supervisory Control And Data Acquisition) vàcác hệ thống hoạch định tài nguyên
công ty ……
nh phân cấp chức năng của hệ thống điều khiển, giám sát
1.1.2 Môhì
Trong trƣờng hợp tổng quát, một hệ thống điều khiển vàgiám sát trong nhà
máy sản xuất cóthể chia thành 5 cấp theo chức năng nhƣ mô hình sau :
Hình 1.1. Môhình phân cấp chức năng hệ thống điều khiển vàgiám sát
Với loại mô hình này các chức năng đƣợc phân thành nhiều cấp khác nhau,
từ dƣới lên trên. Càng ở những cấp dƣới thìcác chức năng càng mang tính chất cơ
Học viên: Bùi Thị Thêm 2 Lớp: 14B ĐKTĐH
Chương 1 : Tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát
bản hơn, đòi hỏi yêu cầu cao hơn về độ nhanh nhạy, thời gian phản ứng. Một chức
năng ở cấp trên đƣợc thực hiện dựa trên các chức năng ở cấp dƣới nhƣng ngƣợc lại
lƣợng thông tin cần trao đổi vàxử lýlại lớn hơn nhiều
Việc phân cấp chức năng sẽ tiện lợi cho việc thiết kế hệ thống và lựa chọn
thiết bị. Tùy thuộc vào mức độ tự động hoá và cấu trúc hệ thống cụ thể mà ta có mô
nh phân cấp chức năng.
hì
Cấp chấp hành: Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lƣờng, dẫn động
và chuyển đổi tín hiệu trong trƣờng hợp cần thiết. Thực tế, đa số các thiết bị cảm biến
hay chấp hành cũng có phần điều khiển riêng cho việc thực hiện đo lƣờng, truyền động
đƣợc chính xác và nhanh nhạy. Các thiết bị thông minh (có bộ vi xử lý riêng) cũng có
thể đảm nhận việc xử lý và chuẩn bị thông tin trƣớc khi đƣa lên cấp trên điều khiển.
Cấp điều khiển: Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin từ các
bộ cảm biến, xử lý các thông tin đó theo một thuật toán nhất định và truyền đạt lại
kết quả xuống các bộ chấp hành. Máy tính đảm nhận việc theo dõi các công cụ đo
lƣờng, tự thực hiện các thao tác nhấn nút mở/đóng van, điều chỉnh cần gạt, núm
xoay… Đặc tính nổi bật của cấp điều khiển là xử lý thông tin.
Cấp điều khiển và cấp chấp hành hay đƣợc gọi chung là cấp trƣờng chính vì
các bộ điều khiển, cảm biến và chấp hành đƣợc cài đặt trực tiếp tại hiện trƣờng gần
kề với hệ thống kỹ thuật.
Cấp điều khiển giám sát: có chức năng giám sát và vận hành một quá trình
kỹ thuật, có nhiệm vụ hỗ trợ ngƣời sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, thao tác
theo dõi, giám sát vận hành và xử lý những tình huống bất thƣờng. Ngoài ra trong
một số trƣờng hợp, cấp này còn thực hiện các bài toán điều khiển cao cấp nhƣ điều
khiển phối hợp, điều khiển trình tự và điều khiển theo công thức. Việc thực hiện các
chức năng ở cấp điều khiển và giám sát thƣờng không đòi hỏi phƣơng tiện, thiết bị
phần cứng đặc biệt ngoài máy tí
nh thông thƣờng
Thông thƣờng ngƣời ta chỉ coi ba cấp dƣới thuộc phạm vi của một hệ thống
điều khiển và giám sát. Tuy nhiên biểu thị hai cấp trên cùng (Quản lý công ty và
Học viên: Bùi Thị Thêm 3 Lớp: 14B ĐKTĐH
Chương 1 : Tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát
điều hành sản xuất) sẽ giúp ta hiểu thêm một mô hình lý tƣởng cho cấu trúc chức
năng tổng thể cho các công ty sản xuất công nghiệp.
1.1.3 Cấu trúc vàcác thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển, giám sát
- Cấu trúc chung của hệ điều khiển và giám sát đƣợc minh họa trong hì
nh vẽ
sau:
Hình 1.2. Cấu trúc của hệ thống điều khiển giám sát
Trong hệ thống điều khiển giám sát, các cảm biến và cơ cấu chấp hành đóng
vai trò là giao diện giữa thiết bị điều khiển với quá trình kỹ thuật. Còn hệ thống điều
khiển giám sát đóng vai trò là giao diện giữa ngƣời và máy. Các thiết bị và các bộ
phận của hệ thống đƣợc ghép nối với nhau theo kiểu điểm-điểm (Point to Point)
hoặc qua mạng truyền thông. Tín hiệu thu đƣợc từ cảm biến có thể là tín hiệu số
hoặc tƣơng tự. Khi xử lý trong máy tính, chúng phải đƣợc chuyển đổi cho phù hợp
với các chuẩn giao diện vào/ra của máy tính.
Các thành phần chính của hệ thống điều khiển và giám sát bao gồm:
Giao diện quá trình: bao gồm các cảm biến, thiết bị đo, thiết bị chuyển đổi
vàcác cơ cấu chấp hành.
Học viên: Bùi Thị Thêm 4 Lớp: 14B ĐKTĐH
Chương 1 : Tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát
Thiết bị điều khiển tự động: gồm các bộ điều khiển chuyên dụng (PID), các
bộ điều khiển khả trình PLC (Programmable Logic Controller), các thiết bị điều
chỉnh số đơn lẻ CDC (Compact Digital Controller) và máy tính PC với các phần
mềm điều khiển tƣơng ứng.
Hệ thống điều khiển giám sát: gồm các phần mềm và giao diện ngƣời-máy
HMI, các trạm kỹ thuật, trạm vận hành, giám sát và điều khiển cao cấp.
Hệ thống truyền thông: ghép nối điểm-điểm, bus cảm biến/chấp hành, bus
trƣờng, bus hệ thống.
Hệ thống bảo vệ, cơ chế thực hiện chức năng an toàn
Trong một hệ thống sản xuất công nghiệp hay dân dụng các ứng dụng điều
khiển có thể đƣợc phân chia thành ba loại sau:
- Điều khiển logic tuần tự (sequence logic control)
- Điều khiển điều chỉnh (regulatory control)
- Giám sát – vận hành và thu thập số liệu (SCADA)
Tùy theo tính chất của quá trình các yêu cầu về các ứng dụng này có thể khác
nhau. Có quátrình gồm chủ yếu là ứng dụng điều khiển logic nhƣ trong các phân
xƣởng lắp ráp nhƣng cũng có quá trình gồm chủ yếu là các ứng dụng điều khiển
điều chỉnh nhƣ trong các nhà máy hóa chất nơi quá trình sản xuất là liên tục. Riêng
yêu cầu về giám sát - vận hành là tồn tại trong hầu hết trong các hệ thống
Các hệ thống điều khiển đƣợc xây dựng trong thực tế phải đáp ứng yêu cầu
của quá trình sản xuất hay thiết bị sử dụng nó. Cụ thể là nó phải đáp ứng yêu cầu
của cả ba loại ứng dụng điều khiển nêu trên. Từ nhu cầu thực tế, trong thế giới tự
động hóa ngày nay tồn tại nhiều loại hệ thống đƣợc thiết kế cho các chức năng đặc
biệt nhƣ DCS, SCADA….
SCADA là viết tắt của điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (Supervisory
Control and Data Acquisition). Hệ SCADA là hệ các thiết bị hỗ trợ cho việc thực
hiện chức năng giám sát và vận hành hệ thống công nghệ. Các thiết bị này kết hợp
với nhau để thực hiện điều khiển từ xa và thu thập dữ liệu. Một hệ thống SCADA
thu thập các thông tin, truyền tải thông tin về trung tâm, sau đó cảnh báo trạm vận
Học viên: Bùi Thị Thêm 5 Lớp: 14B ĐKTĐH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
BÙI THỊ THÊM
BÙI THỊ THÊM
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ
TỰ ĐỘNG HÓA
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT LÒ THỔI
TRONG NHÀ MÁY LUYỆN THÉP
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
KHOÁ: 2014B
Hà Nội – Năm 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
BÙI THỊ THÊM
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT LÒ THỔI
TRONG NHÀ MÁY LUYỆN THÉP
Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS VÕ MINH CHÍNH
Hà Nội – Năm 2016
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tác giả luận văn
Bùi Thị Thêm
MỤC LỤC
MỤC LỤC
DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
DANH MỤC BẢNG
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT .... 1
1.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển vàgiám sát........................................... 1
1.1.1 Đặt vấn đề ............................................................................................. 1
nh phân cấp chức năng của hệ thống điều khiển, giám sát ......... 2
1.1.2 Môhì
1.1.3 Cấu trúc vàcác thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển, giám sát 4
1.2 Hệ thống điều khiển giám sát SCADA ....................................................... 7
1.2.1 Định nghĩa ............................................................................................. 7
1.2.2 Tính năng của hệ thống SCADA .......................................................... 8
1.2.3 Sơ đồ cấu trúc phần cứng .................................................................... 10
1.2.3.1 Ngƣời vận hành (Operator) ........................................................... 13
1.2.3.2 Human Machine Interface (HMI) ................................................. 13
1.2.3.2 Đơn vị đầu cuối từ xa (RTU – Remote Termainal Unit).............. 13
1.2.3.3 PLC sử dụng nhƣ RTU ................................................................. 15
1.2.3.4 Đơn vị đầu cuối chủ (MTU - Master Terminal Unit) ................... 16
1.2.3.5 Các thiết bị trƣờng (Field Devices) .............................................. 19
1.2.4 Hệ truyền thông................................................................................... 19
1.2.5 Phần mềm ............................................................................................ 23
Kết luận chƣơng 1 ........................................................................................... 26
CHƢƠNG 2: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ LÒ THỔI ................................... 27
2.1 Tổng quan về nhàmáy luyện thép. ........................................................... 27
2.2 Phân loại công nghệ lòthổi trong công nghệ luyện thép. ........................ 28
2.3 Lƣu trình công nghệ của NMLT. ............................................................. 29
2.4 Thông số hệ thống lòthổi ........................................................................ 31
2.4.1 Hệ thống quay lò. ................................................................................ 31
2.4.2 Hệ thống súng oxy. ............................................................................. 34
2.4.3 Hệ thống cấp liệu rời. .......................................................................... 35
2.4.4 Hệ thống lọc bụi Ventury. ................................................................... 36
2.4.5 Hệ thống làm mát khíhóa lòthổi. ...................................................... 36
2.5 Các loại cảm biến vàcác loại van. ............................................................ 37
2.5.1 Cảm biến nhiệt độ .............................................................................. 37
2.5.2 Cảm biến áp suất. ............................................................................... 38
2.5.3 Cảm biến lƣu lƣợng. .......................................................................... 38
2.5.4 Van điện động đóng mở hệ thống làm mát khíhóa lòthổi. ............. 41
2.5.5 Van điều tiết cho hệ thống làm mát khíhóa lòthổi vàsúng oxy. ..... 41
2.5.6 Van đóng mở của hệ thống Ventury. ................................................. 42
2.5.7 Van đóng cắt nhanh cho đƣờng ống khí............................................ 43
2.6 Quy trì
nh vận hành của lòthổi. ................................................................ 43
2.6.1 Trƣớc khi vận hành. ........................................................................... 43
2.6.2 Thao tác vận hành. ............................................................................. 44
Kết luận chƣơng 2 ........................................................................................... 46
CHƢƠNG 3:THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT LÒ THỔI .........47
nh vànhiệm vụ của hệ thống điều khiển, giám sát lòthổi. ............. 47
3.1 Môhì
3.1.1 Môhì
nh hệ thống lòthổi..................................................................... 47
3.1.2 Nhiệm vụ của hệ thống điều khiển vàgiám sát lòthổi. ...................... 47
3.2 Cấu trúc điều khiển giám sát của hệ thống. .............................................. 48
3.3 Thiết kế phần cứng .................................................................................... 50
3.3.1 Số lƣợng tí
n hiệu đo và điều khiển của hệ thống................................ 50
3.3.2 Chọn thiết bị cho các cấp của hệ thống. ............................................. 53
3.3.2.1 Các thiết bị của cấp giám sát. ....................................................... 53
3.3.2.2 Các thiết bị của cấp điều khiển. .................................................... 54
3.3.2.3 Các thiết bị cấp trƣờng. ................................................................. 55
3.4. Thiết kế truyền thông . ............................................................................. 56
3.5. Thiết kế phần mềm. .................................................................................. 56
3.5.1. Phần mềm điều khiển trên STEP7. .................................................... 56
3.5.2 Thiết kế phần mềm giám sát điều khiển trên Wincc 7.0 .................... 60
3.6. Chạy môphỏng vàkết quả ....................................................................... 63
Kết luận chƣơng 3 ........................................................................................... 71
KẾT LUẬN CHUNG ...................................................................................... 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 73
PHỤ LỤC ........................................................................................................ 74
PHỤ LỤC 1 : Sơ đồ nguyên lýmạch lực điều khiển động cơ
PHỤ LỤC 2 : Thiết lập cấu hì
nh mạng truyền thông
PHỤ LỤC 3 : Lƣu đồ thuật toán và chƣơng trình điều khiển PLC.
DANH MỤC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ADSL Asymmetric Digital Subscriber Đƣờng dây thuêbao số bất đối
Line xứng
AI Analog Input Đầu vào tƣơng tự
AO Analog Output Đầu ra tƣơng tự
A/D Analog/Digital Tƣơng tự/ Số
CDC Compact Digital Controller Thiết bị điều chỉnh số đơn lẻ
CPU Central Processing Unit Khối xử lýtrung tâm
DB Data Block Khối dữ liệu
DCS Distributed control system Hệ thống điều khiển phân tán
DI Digital Input Đầu vào số
DO Digital Output Đầu ra số
FB Function Block Khối chức năng
FC Functions Hàm chức năng
GOT Graphic Operation Terminal nh hiển thị đồ họa
Màn hì
HMI Human Machine Interface Thiết bị giao tiếp giữa ngƣời và
máy
LAN Local Area Network Mạng máy tí
nh cục bộ
MMI Man Machine Interface Module giao tiếp giữa ngƣời và
máy
MTU Master Terminal Unit Đơn vị đầu cuối chủ
OB Organization Block Khối tổ chức
PC Personal Computer Máy tí
nh cánhân
PID Proportional Integral Derivative Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ
PLC Programmable Logic Controller Thiết bị điều khiển logic khả
trì
nh
RTU Remote Terminal Unit Đơn vị đầu cuối từ xa
SCADA Supervisory Control And Data Hệ thống điều khiển giám sát và
Acquisition thu thập dữ liệu
SFB System Function Block Khối hàm chức năng hệ thống
SFC System functions Hàm chức năng hệ thống
TCP/IP Transmission Control Protocol/ Giao thức mạng vàvận chuyển
Internet Protocol
WAN Wide Area Network Mạng diện rộng
WinCC Window Control Center Trung tâm điều khiển chạy trên
nền Windows
DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
nh 1.1 . Môhình phân cấp chức năng hệ thống điều khiển vàgiám sát ................2
Hì
nh 1.2. Cấu trúc của hệ thống điều khiển giám sát .................................................4
Hì
nh 1.3. Cấu trúc hệ thống SCADA tiêu biểu ...........................................................6
Hì
nh 1.4. Mô hình hệ thống SCADA ...........................................................................8
Hì
Hì
nh 1.5. Cấu hình một mạng SCADA tiêu biểu .......................................................10
Hì
nh 1.6. Cấu trúc chung của hệ SCADA .................................................................11
Hì
nh 1.7. Các thành phần của hệ SCADA ................................................................12
Hì
nh 1.8. Màn hình HMI ...........................................................................................13
Hì
nh 1.9. Cấu trúc một RTU tiêu biểu ......................................................................14
nh 1.10. Cấu trúc hệ SCADA với PLC ..................................................................15
Hì
Hì
nh 1.11. Cấu hình tiêu biểu của một PLC .............................................................16
nh 1.12. Kiến trúc một MTU tiêu biểu ..................................................................17
Hì
nh 1.13. Hình minh họa kiến trúc Sub-Master station ..........................................18
Hì
nh 1.14. Các cấp mạng truyền thông trong hệ điều khiển giám sát .....................19
Hì
nh 1.15. Hệ thống SCADA được cấu trúc theo kiểu điểm – điểm .........................21
Hì
Hì
nh 1.16. Hệ thống SCADA bao gồm các RTU nối tiếp .........................................21
nh 1.17. Hệ thống SCADA bao gồm các RTU mắc sao – nối tiếp ........................22
Hì
nh 1.18. Hệ thống SCADA bao gồm các RTU kết nối kiểu điểm – nhiều điểm ....22
Hì
Hì
nh 1.19. Cấu trúc phần mềm hệ SCADA ...............................................................23
nh 1.20. Hình minh họa vai trò và hoạt động của SCADA ...................................24
Hì
Hình 2.1. Lưu trình công nghệ luyện thép ................................................................30
Hì
nh 2.2. Bản vẽ chi tiết lòthổi ...............................................................................31
Hì
nh 2.3. Bản vẽ phối lắp lòthổi ............................................................................32
nh 2.4. Hình ảnh thực tế của hệ thống quay lò. ....................................................32
Hì
nh 2.5. Bàn điều khiển chính trong phòng vận hành. ...........................................33
Hì
Hình 2.6. Bàn điều khiển ra thép. .............................................................................34
Hì
nh 2.7. Bản vẽ súng chi tiết súng oxy. ...................................................................35
nh 2.8. Cảm biến nhiệt độ Pt100 ...........................................................................37
Hì
nh 2.9. Cầu đấu bên trong của cảm biến nhiệt độ vàvị trílắp thực tế.................37
Hì
nh 2.10. Hình ảnh màng điện trở và điện trở của màng ngăn áp suất. ................38
Hì
nh 2.11. Cảm biến áp suất sử dụng ở NMLT. .......................................................38
Hì
nh 2.12. Minh họa nguyên lý đo chênh áp. ...........................................................39
Hì
nh 2.13. Cảm biến lưu lượng khísử dụng ở NMLT. .............................................39
Hì
nh 2.14. Minh họa nguyên lý đo lưu lượng điện từ. ..............................................40
Hì
nh 2.15. Cảm biến lưu lượng nước sử dụng ở NMLT. ..........................................40
Hì
nh 2.16. Ảnh van điện động. .................................................................................41
Hì
Hình 2.17. Van điều khiển 4 – 20 mA khínén. ..........................................................42
Hình 2.18. Van điều khiển 4 – 20 mA điện ...............................................................42
Hình 2.19. Van on/off đóng cắt nhanh. .....................................................................43
nh 3.1. Môhình phân cấp chức năng hệ thống điều khiển giám sát lòthổi .........47
Hì
nh 3.2. Sơ đồ khối các thành phần cơ bản của lòthổi. .........................................48
Hì
nh 3.3. Cấu trúc hệ thống điều khiển giám sát lòthổi ..........................................49
Hì
Hì
nh 3.4. Các Module của biến tần Sinamic ............................................................55
Hì
nh 3.5. Lập trình cócấu trúc ................................................................................57
nh 3.6. Chu trình vòng quét chương trình .............................................................58
Hì
Hì
nh 3.7. Cấu trúc lập trì
nh của hệ thống lòthổi .....................................................60
nh 3.8. Các chức năng của giao diện HMI ...........................................................61
Hì
Hì
nh 3. 9. Giao diện lòthổi.......................................................................................64
Hì
nh 3.10.Giao diện làm mát khíhóa .......................................................................64
Hì
nh 3.11.Giao diện lọc bụi Ventury ........................................................................65
Hì
nh 3.12.Giao diện hệ thống cấp liệu rời ...............................................................65
Hì
nh 3. 13 Giao diện lòthổi khi thổi luyện ...............................................................66
nh 3. 14 Giao diện hệ thống lọc bụi khi đang hoạt động ......................................67
Hì
nh 3. 15 Giao diện hệ thống cấp liệu khi đang hoạt động ....................................67
Hì
nh 3.16.Giao diện Trend lưu lượng nước Ventury ................................................68
Hì
Hì
nh 3.17.Giao diện Trend làm mát khíhóa ............................................................68
Hì
nh 3.18. Giao diện Trend súng Oxy ......................................................................69
Hì
nh 3.19. Giao diện Trend góc quay lò...................................................................69
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1.Các giai đoạn của nhàmáy luyện thép.....................................................28
Bảng 2.2. Thông số điều kiện vận hành ...................................................................44
Bảng 3.1. Số lượng tín hiệu vào ra của hệ thống .....................................................53
MỞ ĐẦU
Trong quátrình sản xuất, việc đảm bảo hệ thống hoạt động trơn tru không bị
ngắt quãng làviệc vô cùng quan trọng vìsản phẩm đầu ra có đạt đƣợc chất lƣợng
cao hay không phụ thuộc rất lớn vào việc quá trình đó có tuân thủ chặt chẽ theo
công nghệ hay không. Đối với sản xuất gang thép cũng phải đạt đƣợc yêu cầu nhƣ
trên bởi nếu một thiết bị nào đó bị hỏng sẽ làm cho toàn bộ quátrình sản xuất cũng
bị dừng lại và điều chắc chắn làsẽ gây ra tổn thất không nhỏ
Một trong những giải pháp cho điều khiển giám sát quátrì
nh công nghệ đó là
hệ thống SCADA. Việc thiết kế hệ thống SCADA với đầy đủ các chức năng là rất
cần thiết đảm bảo cho việc dễ dàng bảo trìbảo dƣỡng, giảm sự cố xảy ra do cóchức
năng cảnh báo, hiển thị trực quan cho ngƣời vận hành, tránh đƣợc những hỏng hóc
dẫn đến dừng dây chuyền do chủ quan của ngƣời vận hành. Ngoài ra, chúng ta còn
cóthể sử dụng thêm các module truyền thông để cóthể gửi email, tin nhắn qua điện
thoại hoặc quản lýtừ xa qua Ethernet. Khi đó, ngƣời cóthẩm quyền cao hơn có thể
quyết định xử lýkịp thời các lỗi xảy ra giúp quátrì
nh sản xuất không bị gián đoạn.
Sản xuất gang thép làngành công nghiệp nặng, trong quy trì
nh sản xuất có
những công đoạn rất nhiều nguy hiểm cho con ngƣời vàthiết bị. Một trong những
công đoạn đó là các lò luyện với nhiệt độ rất cao. Vìvậy giám sát điều khiển tự
động làviệc làm quan trọng trong lĩnh vực sản xuất này.
Luận văn thực hiện việc nghiên cứu hệ thống điều khiển giám sát ứng dụng
cho lòthổi trong nhàmáy luyện thép với những nội dung chí
nh sau:
Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống điều khiển vàgiám sát
Chƣơng 2: Giới thiệu công nghệ lòthổi trong nhàmáy luyện thép
Chƣơng 3: Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát lòthổi
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành, lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo –
PGS.TS Võ Minh Chính, ngƣời đã trực tiếp chỉ bảo và hƣớng dẫn tôi trong suốt quá
nh thực hiện luận văn.
trì
Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã
động viên, giúp đỡ vàtạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quátrì
nh
học tập vànghiên cứu.
Mặc dù đƣợc sự chỉ bảo sát sao của thầy hƣớng dẫn, sự nỗ lực cố gắng của
bản thân nhƣng do kiến thức còn hạn chế nên luận văn này không tránh khỏi những
thiếu sót. Tôi rất mong nhận đƣợc sự góp ý, bổ sung để luận văn đƣợc hoàn thiện
hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
HàNội, ngày 2 tháng 10 năm 2016
Tác giả luận văn
Bùi Thị Thêm
Chương 1 : Tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT
1.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển vàgiám sát
1.1.1 Đặt vấn đề
Ngày nay, khái niệm Tự động hóa quátrì
nh công nghệ không chỉ dừng lại ở
cấp điều khiển hạ tầng mà đƣợc hiểu với chức năng rộng hơn bao gồm cả việc giám
sát và điều hành toàn bộ quátrì
nh sản xuất. Sự chuyển hƣớng trong các giải pháp
điều khiển tự động đƣợc đánh dấu đậm nét bởi các tiến bộ vƣợt bậc của công nghệ
vi điện tử vàcông nghệ thông tin. Nhu cầu tí
ch hợp hệ thống điều khiển vàgiám sát
cấp cao trong một hệ thống thông tin tổng thể của một xínghiệp sản xuất vàcủa cả
công ty ngày càng trở nên quan trọng vàcần thiết.
Khi thiết kế một hệ thống tự động hóa quátrình công nghệ, một vấn đề luôn
đặt ra làphải cân nhắc giải pháp hệ thống trên cơ sở các thiết bị riêng lẻ hay một hệ
thống tích hợp trọn vẹn. Thiết kế hệ thống trên cơ sở các thiết bị riêng lẻ yêu cầu
ngƣời thiết kế phải xây dựng cấu hì
nh hệ thống. Ngƣợc lại một hệ thống điều khiển
quátrình tích hợp, một mặt không cho phép ngƣời dùng có nhiều sự lựa chọn về
thiết bị cũng nhƣ công cụ phần mềm, mặt khác đòi hỏi đầu tƣ ban đầu tƣơng đối
lớn. Giải pháp này thích hợp với các ứng dụng cóquy môvừa vàlớn bởi độ tin cậy
cao vàhỗ trợ rộng rãi các chức năng điều hành sản xuất. Đồng thời cần đảm bảo các
yêu cầu kỹ thuật, độ linh hoạt, mềm dẻo vàcả giáthành khi thiết kế hệ thống
Điều khiển vàgiám sát bao hàm toàn bộ các giải pháp hệ thống nhằm đảm
bảo các yêu cầu chức năng của quátrì
nh kỹ thuật nhƣ năng suất, chất lƣợng, an toàn
cho con ngƣời, máy móc và môi trƣờng. Mặc dù điều khiển và giám sát là hai
nhiệm vụ khác nhau nhƣng chúng lại liên hệ mật thiết với nhau. Thực tế, điều khiển
đòi hỏi phải cógiám sát vàmột sự giám sát sẽ vô nghĩa nếu nhƣ thiếu điều khiển, vì
thế ngƣời ta hay dùng một khái niệm chung là điều khiển.
Các giải pháp hệ thống cho điều khiển vàgiám sát một quátrì
nh công nghệ
hay một dây chuyền lắp ráp không chỉ bao hàm ýtự động hóa, tin học hóa các chức
Học viên: Bùi Thị Thêm 1 Lớp: 14B ĐKTĐH
Chương 1 : Tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát
năng của hệ thống điều khiển mà còn bao hàm ý tiện lợi hóa cho ngƣời sử dụng
điều hành. Hơn nữa nói tới điều khiển vàgiám sát ta không hạn chế phạm vi ngƣời
sử dụng ở cấp thao tác viên hay ngƣời điều hành xƣởng máy màcòn cóthể mở rộng
lên cấp quản lý sản xuất hay lãnh đạo công ty. Điều này mang nhiều ý nghĩa trong
việc nghiên cứu tích hợp các hệ thống điều khiển phân tán DCS (Distributed
Control System), hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA
(Supervisory Control And Data Acquisition) vàcác hệ thống hoạch định tài nguyên
công ty ……
nh phân cấp chức năng của hệ thống điều khiển, giám sát
1.1.2 Môhì
Trong trƣờng hợp tổng quát, một hệ thống điều khiển vàgiám sát trong nhà
máy sản xuất cóthể chia thành 5 cấp theo chức năng nhƣ mô hình sau :
Hình 1.1. Môhình phân cấp chức năng hệ thống điều khiển vàgiám sát
Với loại mô hình này các chức năng đƣợc phân thành nhiều cấp khác nhau,
từ dƣới lên trên. Càng ở những cấp dƣới thìcác chức năng càng mang tính chất cơ
Học viên: Bùi Thị Thêm 2 Lớp: 14B ĐKTĐH
Chương 1 : Tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát
bản hơn, đòi hỏi yêu cầu cao hơn về độ nhanh nhạy, thời gian phản ứng. Một chức
năng ở cấp trên đƣợc thực hiện dựa trên các chức năng ở cấp dƣới nhƣng ngƣợc lại
lƣợng thông tin cần trao đổi vàxử lýlại lớn hơn nhiều
Việc phân cấp chức năng sẽ tiện lợi cho việc thiết kế hệ thống và lựa chọn
thiết bị. Tùy thuộc vào mức độ tự động hoá và cấu trúc hệ thống cụ thể mà ta có mô
nh phân cấp chức năng.
hì
Cấp chấp hành: Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lƣờng, dẫn động
và chuyển đổi tín hiệu trong trƣờng hợp cần thiết. Thực tế, đa số các thiết bị cảm biến
hay chấp hành cũng có phần điều khiển riêng cho việc thực hiện đo lƣờng, truyền động
đƣợc chính xác và nhanh nhạy. Các thiết bị thông minh (có bộ vi xử lý riêng) cũng có
thể đảm nhận việc xử lý và chuẩn bị thông tin trƣớc khi đƣa lên cấp trên điều khiển.
Cấp điều khiển: Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin từ các
bộ cảm biến, xử lý các thông tin đó theo một thuật toán nhất định và truyền đạt lại
kết quả xuống các bộ chấp hành. Máy tính đảm nhận việc theo dõi các công cụ đo
lƣờng, tự thực hiện các thao tác nhấn nút mở/đóng van, điều chỉnh cần gạt, núm
xoay… Đặc tính nổi bật của cấp điều khiển là xử lý thông tin.
Cấp điều khiển và cấp chấp hành hay đƣợc gọi chung là cấp trƣờng chính vì
các bộ điều khiển, cảm biến và chấp hành đƣợc cài đặt trực tiếp tại hiện trƣờng gần
kề với hệ thống kỹ thuật.
Cấp điều khiển giám sát: có chức năng giám sát và vận hành một quá trình
kỹ thuật, có nhiệm vụ hỗ trợ ngƣời sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, thao tác
theo dõi, giám sát vận hành và xử lý những tình huống bất thƣờng. Ngoài ra trong
một số trƣờng hợp, cấp này còn thực hiện các bài toán điều khiển cao cấp nhƣ điều
khiển phối hợp, điều khiển trình tự và điều khiển theo công thức. Việc thực hiện các
chức năng ở cấp điều khiển và giám sát thƣờng không đòi hỏi phƣơng tiện, thiết bị
phần cứng đặc biệt ngoài máy tí
nh thông thƣờng
Thông thƣờng ngƣời ta chỉ coi ba cấp dƣới thuộc phạm vi của một hệ thống
điều khiển và giám sát. Tuy nhiên biểu thị hai cấp trên cùng (Quản lý công ty và
Học viên: Bùi Thị Thêm 3 Lớp: 14B ĐKTĐH
Chương 1 : Tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát
điều hành sản xuất) sẽ giúp ta hiểu thêm một mô hình lý tƣởng cho cấu trúc chức
năng tổng thể cho các công ty sản xuất công nghiệp.
1.1.3 Cấu trúc vàcác thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển, giám sát
- Cấu trúc chung của hệ điều khiển và giám sát đƣợc minh họa trong hì
nh vẽ
sau:
Hình 1.2. Cấu trúc của hệ thống điều khiển giám sát
Trong hệ thống điều khiển giám sát, các cảm biến và cơ cấu chấp hành đóng
vai trò là giao diện giữa thiết bị điều khiển với quá trình kỹ thuật. Còn hệ thống điều
khiển giám sát đóng vai trò là giao diện giữa ngƣời và máy. Các thiết bị và các bộ
phận của hệ thống đƣợc ghép nối với nhau theo kiểu điểm-điểm (Point to Point)
hoặc qua mạng truyền thông. Tín hiệu thu đƣợc từ cảm biến có thể là tín hiệu số
hoặc tƣơng tự. Khi xử lý trong máy tính, chúng phải đƣợc chuyển đổi cho phù hợp
với các chuẩn giao diện vào/ra của máy tính.
Các thành phần chính của hệ thống điều khiển và giám sát bao gồm:
Giao diện quá trình: bao gồm các cảm biến, thiết bị đo, thiết bị chuyển đổi
vàcác cơ cấu chấp hành.
Học viên: Bùi Thị Thêm 4 Lớp: 14B ĐKTĐH
Chương 1 : Tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát
Thiết bị điều khiển tự động: gồm các bộ điều khiển chuyên dụng (PID), các
bộ điều khiển khả trình PLC (Programmable Logic Controller), các thiết bị điều
chỉnh số đơn lẻ CDC (Compact Digital Controller) và máy tính PC với các phần
mềm điều khiển tƣơng ứng.
Hệ thống điều khiển giám sát: gồm các phần mềm và giao diện ngƣời-máy
HMI, các trạm kỹ thuật, trạm vận hành, giám sát và điều khiển cao cấp.
Hệ thống truyền thông: ghép nối điểm-điểm, bus cảm biến/chấp hành, bus
trƣờng, bus hệ thống.
Hệ thống bảo vệ, cơ chế thực hiện chức năng an toàn
Trong một hệ thống sản xuất công nghiệp hay dân dụng các ứng dụng điều
khiển có thể đƣợc phân chia thành ba loại sau:
- Điều khiển logic tuần tự (sequence logic control)
- Điều khiển điều chỉnh (regulatory control)
- Giám sát – vận hành và thu thập số liệu (SCADA)
Tùy theo tính chất của quá trình các yêu cầu về các ứng dụng này có thể khác
nhau. Có quátrình gồm chủ yếu là ứng dụng điều khiển logic nhƣ trong các phân
xƣởng lắp ráp nhƣng cũng có quá trình gồm chủ yếu là các ứng dụng điều khiển
điều chỉnh nhƣ trong các nhà máy hóa chất nơi quá trình sản xuất là liên tục. Riêng
yêu cầu về giám sát - vận hành là tồn tại trong hầu hết trong các hệ thống
Các hệ thống điều khiển đƣợc xây dựng trong thực tế phải đáp ứng yêu cầu
của quá trình sản xuất hay thiết bị sử dụng nó. Cụ thể là nó phải đáp ứng yêu cầu
của cả ba loại ứng dụng điều khiển nêu trên. Từ nhu cầu thực tế, trong thế giới tự
động hóa ngày nay tồn tại nhiều loại hệ thống đƣợc thiết kế cho các chức năng đặc
biệt nhƣ DCS, SCADA….
SCADA là viết tắt của điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (Supervisory
Control and Data Acquisition). Hệ SCADA là hệ các thiết bị hỗ trợ cho việc thực
hiện chức năng giám sát và vận hành hệ thống công nghệ. Các thiết bị này kết hợp
với nhau để thực hiện điều khiển từ xa và thu thập dữ liệu. Một hệ thống SCADA
thu thập các thông tin, truyền tải thông tin về trung tâm, sau đó cảnh báo trạm vận
Học viên: Bùi Thị Thêm 5 Lớp: 14B ĐKTĐH