` LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan thuyết minh luận văn thực Các số liệu sử dụng thuyết minh, kết phân tích tính toán đƣợc tìm hiểu qua tài liệu Học viên Nguyễn Văn Chí ` MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU CHƢƠNG I: HỆ ĐIỀU KHIỂN DCS 1.1 Tổng quan hệ điều khiển DCS 1.1.1 Cấu trúc chung hệ điều khiển phân tán 1.1.2 Lớp điều khiển 1.1.3 Hệ thống mạng hệ thống điều khiển phân tán 1.2 Giới thiệu số hệ DCS tiêu biểu 1.2.1 DCS truyền thống 1.2.2 DCS PLC 1.2.3 Các hệ DCS PC 1.2.4 DCS PlantScape HONEYWELL 1.3 Hệ thống Industrial IT 11 1.3.1 Giới thiệu hệ Industrial IT 11 1.3.2 Đặc điểm hệ điều khiển Industrial IT 11 1.3.3 Các thành phần hệ Industrial IT 12 1.3.4 Các thiết bị phần cứng hệ Industrial IT 12 1.4 Tìm hiểu AC800M 13 1.4.1 Tổng quan 13 1.4.2 Cấu trúc phần cứng AC800M 13 1.4.3 Phần mềm điều khiển 16 1.4.4 Tổ chức mạng truyền thông hệ thống Industrial IT ABB 17 1.5 Kết luận 19 ` CHƢƠNG II: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐIỆN TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 20 2.1 Quá trình chủ yếu liệu 20 2.2 Phân tích nguyên lý hoạt động nhà máy nhiệt điện 21 2.2 Phân tích nguyên lý hoạt động nhà máy nhiệt điện 22 2.3 Ƣu điểm, nhƣợc điểm nhà máy nhiệt điện 23 2.3.1 Ưu điểm 23 2.3.2 Nhược điểm 23 2.4 Đối tƣợng điều khiển nhà máy nhiệt điện 23 2.4.1 Lò - Hệ điều khiển lò 23 2.4.2 Bao - Hệ điều khiển bao 25 2.4.3 Tua-bin 27 2.5 Kết luận 27 CHƢƠNG III CÁC GIẢI PHÁP VỀ THIẾT BỊ TRƢỜNG VÀ THIẾT BỊ TRUYỀN THÔNG 28 3.1 Mô tả hệ thống 29 3.2 Giải pháp truyền thông 31 3.2.1Truyền thông tín hiệu đo dạng dòng điện 32 3.2.2 Chuẩn truyền thông RS232 33 3.2.3 Chuẩn truyền thông RS485 35 3.2.4 Giải pháp truyền thông Bus 39 3.3 Thiết bị trƣờng 40 3.3.1 Điểm đo nhiệt độ 40 3.3.2 Điểm đo áp suất 43 3.3.3 Điểm đo lưu lượng 45 3.3.4 Điểm đo mức 47 3.4 Kết luận 49 CHƢƠNG IV: GIẢI PHÁP VỀ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 50 4.1 Giải pháp phần cứng 50 4.1.1 Sơ đồ khối hệ thống 50 ` 4.1.2 ác thiết bị đo 51 4.1.3 Valve điều hiển v biến tần 52 4.2 Các toán điều khiển hệ thống 53 4.2.1 B i toán điều khiển nhiệt độ 53 4.2.2 B i toán điều khiển mức 54 4.2.3 Bài toán ổn định lưu lượng 55 4.2.4 B i toán điều khiển áp suất 56 4.2.5 B i toán điều khiển khác 56 4.3 Lƣu đồ thuật toán toán đƣợc điều khiển 57 4.3.1 Lưu đồ thuật toán điều khiển P01 57 4.3.2 Lưu đồ thuật toán điều khiển P02 57 4.3.3 Lưu đồ thuật toán điều khiển Biến tần 58 4.3.4 Lưu đồ thuật toán điều khiển Biến tần 58 4.3.5 Lưu đồ thuật toán điều khiển gia nhiệt 59 4.3.6 Lưu đồ thuật toán điều khiển van CV01 59 4.3.7 Lưu đồ thuật toán điều khiển van CV02 60 4.3.8 Lưu đồ thuật toán điều khiển van CV03 60 4.4 Thiết kế phần mềm 61 4.4 Thiết kế phần mềm 62 4.4.1 Giới thiệu chung phần mềm dùng cho điều khiển 62 4.4.2 Cấu trúc code điều khiển 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 PHỤ LỤC 75 ` DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1 Sơ đồ phân cấp cấu trúc hệ DCS Hình 1-2 DCS PL Hình 1-3 Hệ DCS PC Hình 1-4 Module vào Hình 1-5 Cấu hình hệ thống Hình 1-6 Cấu trúc hệ thống CENTUM CS3000 Hình 1-7 Sơ đồ hệ thống điều khiển Industrial IT Hình 1-8 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển AC800M có dự phòn Hình 1-9 Cấu trúc phần cứng AC800M Hình 1-10 Kết nối vào với AC800M Hình 1-11 Kết nối vào với AC800M Hình 1-12 Sơ đồ kết nối AC800M vào mạng điều khiển Hình 2-1 Quá trình chuyển hóa lƣợng Hình 2-2 Sơ đồ cấu trúc điều khiển lò Hình 3-1 Mô hình sinh trình gia nhiệt cho nƣớc cấp Hình 3-2 Sơ đồ truyền thông Hình 3-3 Mạch chuyển đổi điện áp sang dòng điện từ đến 20mA Hình 3-4 Mạch chuyển đổi điện áp 0-5V sang dòng điện từ đến 20mA thực tế Hình 3-5 Minh họa truyền thông giữ thiết bị đo nhiệt độ máy tính hiển thị Hình 3-6 Hình dáng chức giắc cắm RS232 đực Hình 3-7 Bảng quy định chức chân giao diện vật lý 9, 25 chân RS485 RS232 Hình 3-8 Kết nối thiết bị với máy tính sử dụng chuẩn RS485 Hình 3-9 Mạch chuyển đổi RS232- RS485 Hình 3-10 Sơ đồ dây dây nối đất ` Hình 3-11 Sơ đồ dây dây nối đất Hình 3-12 Cách nối điện trở đầu cuối Hình 3-13 Nhiệt điện trở Hình 3-14 Cấu tạo cặp nhiệt ngẫu Hình 3-15 Cảm biến đo áp suất Hình 3-16 Cảm biến lƣu lƣợng kiểu tuabin Hình 3-17 Cấu tạo cảm biến đo lƣu lƣợng kiểu từ trƣờng Hình 3-18 Cảm biến đo mức Hình 4-1 Hệ thống giám sát Hình 4-2 Đối tƣợng điều khiển mô hình Hình 4-3 Sơ đồ cấu trúc điều khiển nhiệt đô nƣớc cấp Hình 4-4 Sơ đồ cấu trúc điều khiển mức Hình 4-5 Sơ đồ cấu trúc điều khiển lƣu lƣợng Hình 4-6 Sơ đồ cấu trúc điều khiển áp suất Hình 4-7 Cửa sổ làm việc Control Builder Hình 4-8 Cửa sổ làm việc Compact Builder Hình 4-9 Cửa sổ làm việc Program Application Hình 4-10 Cửa sổ làm việc Compact Control Builder Hình 4-11 Kết nối biến vào parameter khối Temp (Single ControlModule) Hình 4-12 Cửa sổ làm việc ENGCLIENT Hình 4-13 Cửa sổ làm việc New Aspect Hình 4-14 Cửa sổ làm việc khởi tạo để vẽ đồ họa Hình 4-15 Hình 4-16 Cửa sổ thiết kế giao diện Cấu trúc phần lập trình điều khiển Hình 4-17 Giao diện vận hành điều khiển ` MỞ ĐẦU Cơ sở lựa chọn đề tài Hiện nay, việc nghiên cứu hệ thống đo lƣờng điều khiển đại có ý nghĩa quan trọng nhằm đƣa ƣu nhƣợc điểm chúng, từ ứng dụng có hiệu hệ thống công nghiệp Thực tiễn nhu cầu điện nƣớc ta tăng cao, việc phát triển nhà máy nhiệt điện đƣợc tiến hành việc ứng dụng hệ thống điều khiển có vai trò quan trọng Hệ DCS IIT hệ điều khiển cung cấp hãng ABB Thuật ngữ IndustrialIT mô tả cam kết hãng ABB việc thu hẹp khoảng cách đòi hỏi công nghiệp với công nghệ thông tin (Information Technology - IT), mở tiềm thực cho phép mở rộng sản xuất Việc chọn đề tài “Nghiên cứu hệ đo lường điều khiển phân tán IIT ABB, ứng dụng nhà máy nhiệt điện” cần thiết Mục đích nghiên cứu luận văn Phân tích sơ đồ công nghệ nhà máy nhiệt điện, đƣa giải pháp phần cứng phần mềm hệ thống, so sánh giải pháp truyền thông chọn giải pháp tối ƣu, phần mềm thực đƣợc thực công cụ ABB Các phần mềm mô tả phần quy trình công nghệ trình phát điện Để đạt đƣợc mục đích trên, nhiệm vụ luận văn bao gồm nội dung sau: - Tìm hiểu công nghệ sản xuất điện nhà máy nhiệt điện - Tìm hiểu đặc tính kỹ thuật cấu trúc phần cứng hệ thống gom - Ứng dụng công cụ hệ điều hành ABB để thiết kế dự án điều khiển giám sát công nghệ - Chạy mô đánh giá kết Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Đề tài luận văn tập trung nghiên cứu: - Hệ DCS IIT hãng ABB ` - Công nghệ sản xuất điện nhà máy nhiệt điện - Ứng dụng công cụ hệ điều hành ABB để thiết kế dự án Phƣơng pháp nghiên cứu - Khảo sát thực thực tế công nghệ tổng hợp cấu hình hệ thống - Quá trình nghiên cứu đƣợc thực theo nội dung dƣới đây: I Hệ điều khiển DCS II Công nghệ sản xuất điện nhà máy điện III Các giải pháp thiết bị trƣờng, thiết bị truyền thông IV Các giải pháp phần cứng phần mềm hệ điều khiển Kết luận Kiến nghị Em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo hƣớng dẫn TS Bùi Đăng Thảnh, Thầy Cô giáo Viện Điện Viện Sau Đại Học Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện giúp đỡ em suốt trình làm luận văn Xin cảm ơn chuyên gia DCS ABB Việt Nam giúp đỡ em trình thiết kế Do kiến thức thân hạn chế nên luận văn không tránh khỏi thiếu sót Em mong đƣợc góp ý Thầy Cô giáo đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện Hà Nội, tháng 09 năm 2013 Tác giả Nguyễn Văn Chí ` CHƢƠNG I HỆ ĐIỀU KHIỂN DCS 1.1 Tổng quan hệ điều khiển DCS Hệ điều khiển phân tán (Distributed Control System, DCS) hệ điều khiển mà chức điều khiển đƣợc phân bổ toàn hệ thống thay đƣợc xử lý tập trung trạm trung tâm Hệ DCS điển hình bao gồm trạm điều khiển có chức hoàn toàn độc lập trạm điều hành theo dõi, xử lý liệu trạm điều khiển, cung cấp giao diện đồ hoạ cho phép ngƣời điều hành thực thay đổi cách dễ dàng 1.1.1 ấu trúc chung hệ điều hiển phân tán Cấu trúc chung hệ điều khiển phân tán việc phân bố xử lý thông tin nhƣ chức theo chiều rộng chiều sâu kết hợp với việc sử dụng mạng truyền thông thay cho phƣơng pháp nối dây dòng điện thông thƣờng Bên cạnh giải pháp sử dụng cụm vào/ra chỗ thiết bị chấp hành thông minh, ngƣời ta đƣa phận điều khiển/ xử lý từ xa (nhƣ điều chỉnh, vi điều khiển) xuống vị trí trƣờng (Remotel/ O cabinet) Cấu trúc điển hình hệ DCS đƣợc thể hình dƣới đây, qua thấy rõ hệ DCS gồm lớp: Data Information Management Historian System Management Layer Operator Operator Operator Station Station Station Management Network Field Controller Field Controller Field Controller Field Controller Field I/O Field I/O Field I/O (Ethernet) Field I/O Hình 1-1: Sơ đồ phân cấp cấu trúc hệ DCS ` + I/O: Lớp vào gồm trƣờng vào PLC + Control: Lớp điều khiển bao gồm trạm điều khiển (ví dụ nhƣ FCS - trạm điều khiển trƣờng) + Operation: Lớp điều hành gồm trạm điều hành (ví dụ nhƣ HIS - trạm giao diện ngƣời máy) + Management Infomation: Lớp sở liệu trạm quản lý (ví dụ nhƣ Exaquantum PRM - Chƣơng trình quản lý tài nguyên nhà máy) 1.1.2 Lớp điều hiển Các phận điều khiển trao đổi thông tin với lớp I/O: Đọc liệu vào, thực chức điều khiển gửi tín hiệu Các trạm điều khiển đƣợc hoạt động độc lập với nên xảy cố trạm không ảnh hƣởng đến hoạt động trạm khác Đồng thời, trạm điều khiển trao đổi liệu dễ dàng với trạm khác sử dụng phƣơng pháp truyền thông điểm - điểm mạng điều khiển 1.1.3 Hệ thống mạng hệ thống điều hiển phân tán Tƣơng ứng với lớp nhƣ mạng máy tính để liên kết lớp với nhau, mạng trao đổi rộng rãi với lớp nhƣ sau: - Mạng I/O - Remote I/O Bus, Fieldbus, Truyền thông PLC - Mạng điều khiển - nối điều khiển trạm điều hành - Mạng diện rộng nhà máy - nơi chứa hầu hết thông tin quản lý 1.2 Giới thiệu số hệ DCS tiêu biểu 1.2.1 D S truyền thống Hệ DCS truyền thống sử dụng điều khiển trình theo kiến trúc riêng nhà sản xuất, hệ cũ thƣờng đóng kín, tuân theo chuẩn giao tiếp công nghiệp, điều khiển đƣợc sử dụng thƣờng làm nhiệm vụ điều khiển trình Vì vậy, phải sử dụng kết hợp PLC cho toán điều khiển logic điều khiển trình tự Các hệ có tính mở tốt hơn, số điều khiển lại đảm nhiệm chức điều khiển trình, điều khiển trình tự điều khiển logic ` khiển cách dễ dàng Đồng thời, cho phép ngƣời vận hành theo dõi giám sát hệ thống cách thuận tiện Cấu trúc nguyên tắc vận hành điều khiển đƣợc thể qua sơ đồ: Hình 4-16 Cấu trúc phần lập trình điều khiển Giải thích sơ đồ nhƣ sau: Các đại lƣợng thực đƣợc chuyển thành đại lƣợng hiển thị (các giá trị tuyệt đối thực tế trình, chẳng hạn mức nƣớc 200mm), sau đại lƣợng hiển thị cung cấp giá trị thực tế để chuyển lên giao diện Đại lƣợng chuẩn hóa đại lƣợng dạng % đƣợc chuẩn hóa thứ nguyên phục vụ cho thiết kế điều khiển Bộ điều khiển: đại lƣợng chuẩn hóa phục vụ cho chƣơng trình điều khiển Các giá trị mà chƣơng trình điều khiển xử lý đƣợc đƣa giao diện thông qua khâu chuẩn hóa khâu hiển thị, điều khiển luật logic thực cảnh báo alarm để đóng mở van từ bơm Kết chƣơng trình điều khiển xuất biến tự động để tác động trở lại trình Sau thiết lập phần tử giao diện tiến hành chuẩn hóa gán đƣờng dẫn đối tƣợng với biến trình chƣơng trình điều khiển Control Builder M ta đƣợc giao diện hoàn chỉnh nhƣ sau: 71 ` Hình 4-17 Giao diện vận hành điều khiển Thông qua giao diện, ngƣời vận hành quan sát tác động vào phần lập trình cách chuyển chế độ từ tự động sang tay để điều khiển trực tiếp tín hiệu Output tới trình Trong chế độ tự động ngƣời vận hành tiến hành nhập tham số cho PID đặt giá trị Set Point cho van điều khiển CV3 giao diện faceplate chế độ tự động 4.5 Kết luận Trong chƣơng này, tác giả đƣa giải pháp phần cứng phần mềm Trên sở phân tích lƣu đồ thuật toán thiết kế toán điều khiển nhà máy nhiệt điện nhằm mục đích ổn định nhiệt độ nƣớc cấp, ổn định mức nƣớc bình cấp điều khiển áp lực cho hệ thống bao hơi, gom Ngoài ra, tác giả giới thiệu phần mềm thiết kế giao diện điều khiển cho trình sinh gia nhiệt cho nƣớc cấp 72 ` KẾT LUẬN Kết luận đánh giá kết thực đồ án Trong trình làm luận văn tốt nghiệp với đề tài: “Nghiên cứu hệ đo lƣờng điều khiển phân tán IIT ABB, ứng dụng nhà máy nhiệt điện” em tìm hiểu tiếp thu đƣợc nhiều kinh nghiệm thực tế toán điều khiển nói chung toán điều khiển nhiệt độ, áp suất, mức lƣu lƣợng Cùng với đó, em tổng hợp đƣợc nhiều kiến thức truyền thông công nghiệp Những kết đƣợc tóm tắt nhƣ sau: - Tìm hiểu đƣợc công nghệ sản xuất điện theo công nghệ nhiệt điện - Hiểu phần cứng nhƣ phần mềm hệ điều khiển IIT ABB - Ứng dụng hệ điều khiển cho công đoạn sinh gia nhiệt cho nƣớc cấp nhà máy nhiệt điện, kết mô thể tính đắn phân tích thiết kế nhƣ thực phần mềm hệ thống cho công đoạn sinh gia nhiệt cho nƣớc cấp nhà máy nhiệt điện Tuy nhiên luận văn tồn nhƣợc điểm sau: - Chƣa áp dụng vào thực tế hệ thống điều khiển nhà máy nhiệt điện - Các tính toán cho đối điều khiển mức, lƣu lƣợng, nhiệt độ áp suất dừng mô hình lý thuyết, chƣa đƣợc kiểm chứng Hƣớng phát triển đồ án - Hoàn thiện nghiên cứu thiết kế cho toàn nhà máy nhiệt điện - Tính toán tối ƣu thông số cho điều khiển thử nghiệm chúng thực tế - Thử nghiệm toàn hệ thống 73 ` TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Văn Doanh, Phạm Thƣợng Hàn, Nguyễn Văn Hòa, Võ Thạch Sơn, Đoàn Văn Tân (2007), Các cảm biến kỹ thuật đo lường điều khiển, NXB khoa học Kỹ thuật [2] Hoàng Minh Sơn (2001), Mạng truyền thông công nghiệp, nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội [3] Hoàng Minh Sơn (2009), Giáo trình hệ thống điều khiển phân tán, Nhà xuất Bách Khoa Hà Nội [4] Bùi Đăng Thảnh (1997), “ Nghiên cứu hệ thống điều khiển phân tán”, Luận văn tốt nghiệp cao học Việt Pháp [5] Website : www.abb.com [6] Kurt V.T Waller – Department of chemical engineering Abo Akademi, Abo, Finland, Decoupling in Distillation [7] Douglas J Cooper, Practical Process Control using LOOP-PRO [8] ABB technical Docunentation 2011 74 ` PHỤ LỤC P1 code chƣơng trình Compiler switches Switch Global Simultaneous Execution in SFC Allowed Loops In ST Allowed Nested IF or CASE Allowed Implicit Cast Allowed Instruction List language Allowed Ladder Diagram language Allowed SFC language Allowed Loops in Control Modules Error Force I/O from code Allowed Multiple calls to the same Function Block Warning None or multiple calls to ExecuteControlModules Warning Connected Libraries AlarmEventLib 1.4-8 BasicLib 1.5-7 ControlSimpleLib 1.1-2 ControlStandardLib 1.3-8 ControlSupportLib 1.2-2 IconLib 1.2-1 My_Lib Data Types Auto_Type Properties and Settings: 75 ` Name Data Type Attributes On_Off_SV1_auto bool retain On_Off_SV2_auto bool retain On_Off_SV3_auto bool retain In_Pump_auto bool retain Out_Pump_auto bool retain Udk_CV1_auto real retain Udk_CV2_auto real retain Udk_CV3_auto real retain Initial value Description Cold_Filing_Type Properties and Settings: Name Data Type Attributes FT2_thuc RealIO retain TT2_thuc RealIO retain TT2_chuan_hoa Real retain FT2_chuan_hoa Real retain FT2_hien_thi Real retain TT2_hien_thi Real retain Udk_CV2_thuc RealIO retain ON_OFF_SV2_thuc BoolIO retain Name Data Type Attributes K12 real retain T12 real retain K11 real retain Initial value Initial value Description Description Name Data Type Attributes FT3_thuc RealIO retain FT3_chuan_hoa real retain FT3_hien_thi real retain Udk_CV3_thuc RealIO retain ON_OFF_SV3_thuc BoolIO retain TT3_thuc RealIO retain TT3_chuan_hoa ControlConnection retain LT_thuc RealIO retain LT_hienthi real retain 10 TT3_hienthi real retain 11 LT_chuan_hoa ControlConnection retain 12 SP_Level_hien_thi real retain 13 SP_Temp_hien_thi real retain 14 SP_Level_chuan_hoa ControlConnection retain 15 SP_Temp_chuan_hoa ControlConnection retain 16 SP_Level_deco ControlConnection retain 17 SP_Temp_deco ControlConnection retain 18 DK_Level_Par PidCCPar retain 76 Initial value Description ` Name Data Type Attributes 19 DK_Temp_Par PidCCPar retain 20 SP_Temp_deco_real real retain 21 SP_Level_deco_real real retain 22 PID_Level_TRACK bool retain true 23 PID_Temp_TRACK bool retain true 24 SP_Level_ramp ControlConnection retain 25 SP_Temp_ramp ControlConnection retain 26 Ramp_Level_par AccelerationLimCCPar retain 27 Ramp_Temp_par AccelerationLimCCPar retain 28 Ramp_Level_TRACK bool retain true 29 Ramp_Temp_TRACK bool retain true Name Data Type Attributes Warming Warm_Filling_Type retain Colding Cold_Filing_Type retain Draining Draining_Type retain Pump Pump_Type retain Control Control_Type retain Auto Auto_Type retain Manual Manual_Type retain Auto_Manual Bool retain Initial value false 77 Initial value Description Description ` Manual_Type Properties and Settings: Name Data Type Attributes Udk_CV1_man Real retain Udk_CV2_man Real retain Udk_CV3_man Real retain On_Off_SV1_man Bool retain On_Off_SV2_man Bool retain On_Off_SV3_man Bool retain In_Pump_man Bool retain Out_Pump_man Bool retain Initial value Description Pump_Type Properties and Settings: Name Data Type Attributes IN_PUMP BoolIO retain OUT_PUMP BoolIO retain Initial value Description Warm_Filling_Type Properties and Settings: Name Data Type Attributes FT1_thuc RealIO retain TT1_thuc RealIO retain FT1_chuan_hoa real retain TT1_chuan_hoa real retain FT1_hien_thi real retain TT1_hien_thi real retain Udk_CV1_thuc RealIO retain ON_OFF_SV1_thuc BoolIO retain Initial value Function Block Types Control Module Types Control Modules Auto_Manual (Single control module) 78 Description ` Properties and Settings: Code If((GV.Auto.On_Off_SV1_auto=1 and GV.Auto.Udk_CV1_auto>0) or (GV.Auto.On_Off_SV1_auto =1 and GV.Auto.Udk_CV2_auto>0)) then GV.Auto.In_Pump_auto:=1; else GV.Auto.In_Pump_auto :=0; End_If; If(GV.Draining.LT_hienthi