ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
TRƯƠNG QUANG TƯƠI
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
MỨC NƯỚC BÌNH CẤP TRÊN NỀN CENTUM VP
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
THÁI NGUYÊN – 2014
i
LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Trương Quang Tươi
Sinh ngày 12 tháng 10 năm 1979
Học viên lớp cao học khóa K14 - Tự động hóa, trường Đại học Kỹ thuật Công
Nghiệp - Đại học Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại: Trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật Vĩnh Phúc.
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dựa trên sự hướng
dẫn của người hướng dẫn khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Kết quả
nghiên cứu là trung thực và chưa từng công bố trên bất cứ các công trình nào khác.
Thái Nguyên, ngày
tháng 10 năm 2014
Tác giả luận văn
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ........................................................................................vi
DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................................ix
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài .............................................1
2. Các kết quả đạt được ..........................................................................................................2
3. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................................2
4. Cấu trúc của luận văn .........................................................................................................2
Chương 1. TỔNG QUAN................................................................................................4
1.1. Tổng quan về điều khiển quá trình ..................................................................................4
1.1.1. Quá trình và các biến quá trình.................................................................................4
1.1.2 Mục đích và chức năng của điều khiển quá trình ......................................................5
1.2. Tổng quan về điều khiển phân tán...................................................................................6
1.2.1. Cấu trúc và các thành phần cơ bản của hệ thống DCS.............................................7
1.2.2. Mô hình phân cấp .....................................................................................................8
1.2.3. Cấu trúc điều khiển.................................................................................................10
1.3. Hệ thống điều khiển quá trình YOKOGAWA tại phòng thí nghiệm Điện – Điện tử
trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp ........................................................................................15
1.3.1. Cấu hình phần cứng................................................................................................15
1.3.2. Chức năng nhiệm vụ của hệ thống thiết bị thí nghiệm ...........................................21
1.3.3. Những vấn đề nghiên cứu còn bỏ ngỏ ....................................................................21
1.4. Kết luận chương 1 .........................................................................................................22
Chương 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC
NƯỚC BÌNH CẤP ........................................................................................................23
2.1. Giới thiệu chung ............................................................................................................23
2.2. Xây dựng phương trình mô hình ...................................................................................24
2.2.1. Cơ sở lý thuyết........................................................................................................24
2.2.2. Áp dụng cho bài toán điều khiển mức....................................................................25
2.2.3. Biến chênh lệch và mô hình hàm truyền đạt ..........................................................26
1. Kết luận.............................................................................................................................75
2. Kiến nghị ..........................................................................................................................75
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................77
v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
PV
Biến quá trình (Process variable)
MV
Biến điều khiển (Manipulated output value)
SV
Giá trị đặt (Setpoint value)
vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1-1. Quá trình và phân loại biến quá trình.........................................................................4
Hình 1-2. Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển và giám sát..............................7
Hình 1-3. Phân cấp chức năng của một hệ thống điều khiển và giám sát ..................................9
Hình 1-4. Cấu trúc điều khiển tập trung với vào/ra tập trung...................................................11
Hình 3-7. Nút gạt chế độ hoạt động..........................................................................................45
Hình 3-8. Vị trí khe cắm card Vnet/IP trên main của máy tính................................................46
vii
Hình 3-9. Card Vnet/IP lắp đặt trong máy tính ........................................................................46
Hình 3-10. Hộp thoại thông tin người sử dụng ........................................................................48
Hình 3-11. Kiểu hiển thị PC .....................................................................................................49
Hình 3-12. Console loại Solid Style .........................................................................................50
Hình 3-13. Hộp thoại Confirm cho Touch Panel......................................................................51
Hình 3-14. Màn hình kiểu Open Style Console .......................................................................51
Hình 3-15. Xác nhận cài đặt .....................................................................................................52
Hình 3-16. Cài đặt hoàn tất.......................................................................................................52
Hình 3-17. Màn hình bắt đầu khởi tạo một dự án mới .............................................................53
Hình 3-18. Tạo dự án mới trong System View ........................................................................53
Hình 3-19. Đặt tên và chọn vị trí lưu cho dự án mới................................................................54
Hình 3-20. Quá trình tạo dự án mới hoàn tất............................................................................54
Hình 3-21. Khai báo các module INPUT/OUTPUT cho hệ thống...........................................55
Hình 3-22. Màn hình tạo giao diện điều khiển trong System View .........................................55
Hình 3-23. Đặt tên cho giao diện đồ họa trong System View ..................................................56
Hình 3-24. Giao diện đồ họa trong phần mềm Graphic Builder ..............................................56
Hình 3-25. Thư viện thiết bị trong mục Stencil........................................................................57
Hình 3-26. Giao diện đồ họa hoàn chỉnh của hệ thống điều khiển mức nước bình cấp...........57
Hình 3-27. Các khối chức năng của Function Block................................................................58
Hình 3-28. Chọn một khối chức năng DR0001 để thiết kế điều khiển ....................................58
Hình 3-29. Hộp thoại lựa chọn một khối chức năng (ví dụ PIO) .............................................59
Hình 3-30. Khai báo địa chỉ I/O cho khối chức năng...............................................................59
Hình 3-31. Hộp thoại khai báo Control PID.............................................................................60
Hình 3-32. Khai báo tên cho khối Function .............................................................................60
Hình 3-33. Kết nối giữa các khối Function ..............................................................................61
Bảng 3.2. Các số station và các vị trí bit điều chỉnh DIP .........................................................45
Bảng 3.3. Mức độ khi điều chỉnh DIP ......................................................................................45
Bảng 3.4. Nhóm người dùng được thực hiện một cài đặt mới .................................................46
Bảng 3.5. Phần mềm được cài đặt và kiểu máy trạm ...............................................................49
Bảng 3.6. Các phương pháp kết nối và điểm đến kết nối của của các đầu vào/ra của khối điều
khiển PID..................................................................................................................................69
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài
Hệ thống điều khiển và giám sát là thành phần không thể thiếu trong mỗi nhà
máy công nghiệp hiện đại [4], [9]. Từ những năm đầu của thế kỷ trước cho tới nay,
điều khiển tự động [1], [2] đóng vai trò ngày càng quan trọng trong các ngành công
nghiệp khai thác, chế biến và năng lượng như dầu khí, thực phẩm, nhà máy điện,…
Các hệ thống điều khiển và giám sát được sử dụng trong những lĩnh vực đó có một số
đặc thù chung, được xếp vào các hệ thống điều khiển quá trình [4]. Một hệ thống điều
khiển quá trình chứa đựng trong đó toàn bộ các giải pháp đo lường, điều khiển, vận
hành và giám sát nhằm đảm bảo các yêu cầu của quá trình và thiết bị công nghệ như
chất lượng sản phẩm, sản lượng, hiệu quả sản xuất, an toàn cho người, máy móc và
môi trường. Các đặc điểm chính là [5], [9]:
• Điều khiển quá trình-PID, Cascade PID, Ratio control, Feedforward...
• Điều khiển phân tán qua mạng FieldBus-ProfiBus, ProfiNet, ...
• Dự phòng nóng (Redundancy) và khả năng Hot plug.
• Nạp chương trình khi hệ thống đang "chạy".
• Và nhiều đặc điểm khác.
Phần mềm CENTUM VP do YOKOGAWA phát triển dùng trong nhiều hoạt
động của nhà máy điện, nhà máy xi măng, nhà máy năng lượng tái tạo và hạt nhân...
-
Tập trung khai thác các thiết bị thí nghiệm hiện có, tăng cường năng lực thực
hành thí nghiệm cho giáo viên và sinh viên.
2. Các kết quả đạt được
- Mô hình toán học của hệ thống điều khiển mức nước bình cấp thông qua điều
khiển biến tần điều khiển tốc độ động cơ máy bơm.
- Thiết kế hoàn toàn mới hệ thống điều khiển mức nước bình cấp trên nền
CENTUM VP bao gồm các công việc: lắp đặt phần cứng, cài đặt phần mềm, thiết kế
giao diện điều khiển, thiết kế chương trình điều khiển.
- Làm thực nghiệm theo mô hình toán đã thiết kế được. Các kết quả thực nghiệm
cho thấy các vòng điều khiển mức và lưu lượng hoạt động ổn định và cho chất lượng
tốt.
- Tài liệu chuyên khảo về phần mềm CENTUM VP bằng tiếng Việt, làm tiền đề
quan trọng cho các nghiên cứu tiếp theo.
3. Phương pháp nghiên cứu
– Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích đánh giá và hệ thống hóa các công trình nghiên
cứu được công bố thuộc lĩnh vực liên quan: bài báo, tạp chí, sách chuyên ngành.
– Nghiên cứu thực tiễn: Nghiên cứu hệ thống điều khiển quá trình hiện có tại
trung tâm thí nghiệm trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp, các nhà máy Nhiệt
điện…Hỏi ý kiến các chuyên gia Công ty TNHH YOKOGAWA Việt Nam.
4. Cấu trúc của luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, luận văn gồm 3 chương:
3
được can thiệp .
Trạng thái hoạt động và diễn biến của một qua trình thể hiện qua các biến quá
trình. Khái niện quá trình cùng với sự phân loại các biến quá trình được minh họa ở
hình 1-1.
Biến vào
Nhiễu
Biến điều khiển
Vật chất
năng lượng
thông tin
Vật chất
năng lượng
thông tin
QUÁ TRÌNH
KỸ THUẬT
Biến trạng thái
Biến không cần
điều khiển
Biến ra
Biến cần điều
khiển
theo một biến chủ đạo/ tín hiệu mẫu.
Biến điều khiển là một biến vào của quá trình có thể can thiệp trực tiếp từ bên
ngoài, qua đó tác động tới biến ra theo ý muốn. Trong điều khiển quá trình thì lưu
lượng là biến điều khiển tiêu biểu nhất.
Những biến vào còn lại không can thiệp được một cách trực tiếp hay gián tiếp
trong phạm vi quá trình đang quan tâm được coi là nhiễu. Nhiễu tác động tới quá trình
một cách không mong muốn, vì thế cần có biện pháp loại bỏ hoặc ít nhất là giảm thiểu
ảnh hưởng của nó. Có thể phân biệt hai loại nhiễu có đặc trưng khác hẳn nhau là nhiễu
quá trình và nhiễu đo. Nhiễu quá trình là những biến vào tác động lên quá trình kỹ
thuật một cách cố hữu nhưng không can thiệp được. Còn nhiễu đo hay còn gọi là nhiễu
tạp là nhiễu tác đông lên phép đo, gây ra sai số trong giá trị đo được.
1.1.2 Mục đích và chức năng của điều khiển quá trình
Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là đảm bảo điều kiện vận hành an toàn, hiệu
quả và kinh tế cho quá trình công nghệ. Trước khi tìm hiểu hoặc xây dựng một hệ
6
thống điều khiển quá trình, người kỹ sư phải làm rõ các mục đích điều khiển và chức
năng hệ thống cần thực hiện nhằm đạt được các mục đích đó. Việc đặt bài toán và đi
đến xây dựng một giải pháp điều khiển quá trình bao giờ cũng bắt đầu với việc tiến
hành phân tích và cụ thể hóa các mục đích điều khiển. Phân tích mục đích điều khiển
là cơ sở quan trọng cho việc đặc tả các chức năng cần thực hiện của hệ thống điều
khiển quá trình.
Toàn bộ các chức năng của một hệ thống điều khiển quá trình có thể phân loại và
sắp xếp nhằm phục vụ những mục đích cơ bản sau:
- Đảm bảo vận hành hệ thống ổn định, trơn tru: Giữ cho hệ thống hoạt động ổn
định tại điểm làm việc cũng như chuyển chế độ một cách trơn tru, đảm bảo các
điều kiện theo yêu cầu của chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ máy móc, vận hành
thuận tiện.
giám sát đóng vai trò giao diện giữa người vận hành và máy. Các thiết bị có thể được
ghép nối trực tiếp điểm-điểm, hoặc thông qua mạng truyền thông.
Hệ thống điều khiển giám sát
NI
Nối trực tiếp
NI
Thiết bị điều khiển tự động
NI
I/O
Nối qua mạng
NI
NI network interface (giao
diện mạng)
NI
I/O
I/O input/output
Các biến và chấp hành
NI
hình tổng quát được minh họa trên hình 1-3 định nghĩa các cấp theo chức năng, không
phụ thuộc lĩnh vực công nghiệp cụ thể.
Tuy nhiên, ranh giới giữa các cấp không phải bao giờ cũng rõ ràng. Trong các
ngành công nghiệp chế biến (Process Industry), phần dưới của cấp điều khiển (bao
gồm điều khiển máy móc, thiết bị đơn lẻ) và cấp chấp hành thường được gọi chung là
cấp trường, phần còn lại của cấp điều khiển và cấp điều khiển giám sát được gọi chung
là cấp điều khiển quá trình.
Càng ở những cấp dưới thì các chức năng càng mang tính chất cơ bản hơn và đòi
hỏi yêu cầu cao hơn về độ nhanh nhạy, thời gian phản ứng. Một chức năng ở cấp trên
được thực hiện dựa trên các chức năng cấp dưới, tuy không đòi hỏi thời gian phản ứng
nhanh như ở cấp dưới, nhưng ngược lại lượng thông tin cần trao đổi và xử lý lại lớn
hơn nhiều. Thông thường, người ta chỉ coi ba cấp dưới 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
điều hành sản xuất) trên giúp ta hiểu thêm một mô hình lý tưởng cho cấu trúc chức
năng tổng thể cho các công ty sản xuất công nghiệp.
9
Tính toán giá thành, lãi suất thống kê
số liệu sản xuất, kinh doanh, xử lý
đơn đặt hàng, kế hoạch tài nguyên
Đánh giá kết quả, lập kế hoạch sản
xuất, bảo dưỡng máy móc, tính toán
tối ưu hóa sản xuất
Giám sát, vận hành, điều
khiển cao cấp, lập báo cáo
QL
công ty
Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin từ các cảm biến, xử lý các
thông tin đó theo một thuật toán nhất định và truyền đạt lại kết quả xuống các cơ cấu
chấp hành. Khi còn điều khiển thủ công, nhiệm vụ đó được người đứng máy trực tiếp
đảm nhiệm qua việc theo dõi các công cụ đo lường, sử dụng kiến thức và kinh nghiệm
để thực hiện những thao tác cần thiết như ấn nút đóng/mở van, điều chỉnh cần gạt,
núm xoay v.v... Trong một hệ thống điều khiển tự động hiện đại, việc thực hiện thủ
công những nhiệm vụ đó được thay thế bằng máy tính.
10
1.2.2.3. Cấp điều khiển giám sát
Cấp điều khiển giám sát có chức năng giám sát và vận hành một quá trình kỹ
thuật. Khi đa số các chức năng như đo lường, điều khiển, điều chỉnh, bảo toàn hệ
thống được các cấp cơ sở thực hiện, thì nhiệm vụ của cấp điều khiển giám sát là hỗ trợ
người sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, thao tác, theo dõi, giám sát vận hành và xử
lý những tình huống bất thường. Ngoài ra, trong một số trường hợp, cấp này còn thực
hiện các bài toán điều khiển cao cấp như điều khiển phối hợp, điều khiển trình tự và
điều khiển theo công thức (ví dụ trong chế biến dược phẩm, hoá chất). Khác với các
cấp dưới, việc thực hiện các chức năng ở cấp điều khiển giám sát thường không đòi
hỏi phương tiện, thiết bị phần cứng đặc biệt ngoài các máy tính thông thường (máy
tính cá nhân, máy trạm, máy chủ, termimal,...).
Như vậy, phân cấp chức năng như trên sẽ tiện lợi cho việc thiết kế hệ thống và
lựa chọn thiết bị. Trong thực tế ứng dụng, sự phân cấp chức năng có thể khác một chút
tùy thuộc vào mức độ tự động hoá và cấu trúc hệ thống cụ thể. Trong những trường
hợp ứng dụng đơn giản như điều khiển trang thiết bị dân dụng (máy giặt, máy lạnh,
điều hòa độ ẩm,...), sự phân chia nhiều cấp có thể hoàn toàn không cần thiết. Ngược
lại, trong tự động hóa một nhà máy lớn hiện đại như điện nguyên tử, nhà máy nhiệt
điện, sản xuất xi măng, lọc dầu, ta có thể chia nhỏ hơn nữa các cấp chức năng để tiện
theo dõi.
A
S
Phân đoạn 1
Phân đoạn 1
A
S
…
S
Phân đoạn 1
I/O: Input A: Actor S: Sensor
Hình 1-4. Cấu trúc điều khiển tập trung với vào/ra tập trung
Đây là cấu trúc điều khiển tiêu biểu trong những năm 1965-1975. Ngày nay, cấu
trúc tập trung thường thích hợp cho các ứng dụng tự động hóa qui mô vừa và nhỏ,
phạm vi địa lý hẹp, một máy tính điều khiển, số lượng vào/ra không lớn. Điểm đáng
chú ý ở đây là sự tập trung toàn bộ “trí tuệ”, tức chức năng xử lý thông tin trong một
thiết bị điều khiển duy nhất. Tuy nhiên, cấu trúc này bộc lộ những hạn chế sau:
- Công việc nối dây phức tạp, giá thành cao
- Việc mở rộng hệ thống gặp khó khăn
- Độ tin cậy kém.
1.2.3.2. Điều khiển tập trung với vào/ra phân tán
I/O
S
A
I/O
S
A
A
S
A
S
S
Hình 1-5. Cấu trúc điều khiển tập trung với vào/ra phân tán
Sử dụng bus trường và cấu trúc vào/ra phân tán mang lại các ưu điểm sau:
- Tiết kiệm dây dẫn và công đi dây, nối dây
- Giảm kích thước hộp điều khiển
- Tăng độ linh hoạt hệ thống nhờ sử dụng các thiết bị có giao diện chuẩn và
- khả năng ghép nối đơn giản
- Thiết kế và bảo trì dễ dàng nhờ cấu trúc đơn giản
MTĐK 1
A
S
Phân đoạn 1
MTĐK 2
A
S
Phân đoạn 2
PHÒNG
ĐIỀU KHIỂN
CỤC BỘ
HIỆN TRƯỜNG
MTĐK n
A
S
Phân đoạn n
MTGS
MTGS
BUS
HỆ THỐNG
MTĐK 1
MTĐK 2
MTĐK n
PHÒNG ĐIỀU KHIỂN
CỤC BỘ
I/O
A
I/O
S
Phân đoạn 1
A
I/O
S
Các chức năng tiêu biểu của một trạm vận hành gồm có:
• Hiển thị các hình ảnh chuẩn (hình ảnh tổng quan, hình ảnh nhóm, hình ảnh từng
mạch vòng, hình ảnh điều khiển trình tự, các đồ thị thời gian thực và đồ thị quá
khứ)
Copyright: Tài liệu đại học ©