BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
NGUYỄN TUẤN ANH
KHỞI THẢO, NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
TỰ ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT, THU THẬP
DỮ LIỆU SCADA CHO QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT
SƠN NHANH ATA FAST
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Chuyên ngành: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. NGUYỄN MINH HỆ
Hà Nội 2011
1
LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc
LỜI NÓI ĐẦU
Đặt vấn đề
Hiện nay, đất nước ta bước vào thời kỳ công nghiệp hoá, hiện đại hóa, để quá
trình này phát triển nhanh chúng ta cần tập trung đầu tư vào các dây chuyền sản
xuất tự động hóa, nhằm mục đích giảm chi phí sản xuất, nâng cao năng suất lao
động và cho ra sản phẩm có chất lượng cao. Một trong những phương án là đầu tư
Nghiên cứu hệ thống điều khiển tự động và điều khiển giám sát thu thập dữ liệu
SCADA từ xa cho dây chuyền sản xuất sơn nhanh ATA FAST
Mục tiêu của đề tài
Trên cơ sở lý thuyết của hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu, bộ
điều khiển PLC và cơ sở lý thuyết mạng truyền thông công nghiệp, lý thuyết về
mạng Internet và các ứng dụng của Internet để tích hợp hệ thống điều khiển tự
động, giám sát và thu thập dữ liệu cho dây chuyền pha sơn.
Nội dung của đề tài
Trình bày về tính cấp thiết, tính khoa học và thực tiễn của hệ thống điều khiển
giám sát trong quá trình sản xuất.
Trình bày cơ sở lý thuyết hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu, thiết
bị điều khiển , thiết bị đo lường, phần mềm xây dựng hệ điều khiển giám sát. Trên
cơ sở lý thuyết sẽ đưa ra các lựa chọn về thiết bị, phần mềm để xây dựng nên hệ
điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu cho luận văn.
Trình bày về đối tượng công nghệ sản xuất, để đưa ra các yêu cầu công nghệ,
quy trình công nghệ. Căn cứ vào các bài toán công nghệ đó để chọn các giải pháp
thiết kế bài toán điều khiển giám sát và xử lý dữ liệu cho nhà máy.
Sau khi đã lựa chọn được các giải pháp thích hợp, đề tài sẽ đi sâu xây dựng các
thành phần hệ thống, lựa chọn và giới thiệu các thiết bị trong hệ thống. Từ đó viết
thuật toán, chương trình, thiết lập giao diện điều khiển giám sát cho các nhà máy.
Họ và tên : Nguyễn Tuấn Anh
2
Lớp Cao học ĐK& TĐH
LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc
thông công nghiệp và lĩnh vực phần mềm thực sự đem lại nhiều khả năng và giải
pháp mới. Theo xu hướng hiện đại, với khả năng xử lý phân tán có sẵn trong hệ
thống truyền thông cấp dưới (Bus trường, Bus vi xử lý ) và ở cấp trên (Ethernet), thì
trọng tâm của việc xây dựng hệ SCADA là lựa chọn công cụ phần mềm và thiết kế
giao diện và tích hợp hệ thống.
Để đánh giá một giải pháp SCADA cần chú ý tới các vấn đề sau
+ Khả năng hỗ trợ của công cụ phần mềm với việc thực hiện các màn
hình giao diện , chất lượng của các thành phần đồ hoạ có sẵn .
+ Khả năng truy cập và cách thức kết nối dữ liệu từ các quá trình kỹ thuật
(Trực tiếp từ các cơ cấu chấp hành, cảm biến, các module vào ra qua
các PLC hay các bus hệ thống).
+ Tính năng mở của hệ thống, chuẩn hoá các giao diện quá trình .
+ Khả năng hỗ trợ xây dựng các chức năng trao đổi thông tin
(Messaging) xử lý sự kiện và sự cố ( Event and Alarm ), lưu trữ thông
tin (Archive and History) và lập báo cáo (Reporting).
Họ và tên : Nguyễn Tuấn Anh
4
Lớp Cao học ĐK& TĐH
LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc
+ Tính năng thời gian thực và hiệu suất trao đổi thông tin .
+ Giá thành tổng thể của hệ thống .
1.1.1 Kết cấu cơ bản của một hệ điều khiển giám sát
Một hệ thống SCADA thường gồm những hệ thống con sau:
Một giao diện người - máy HMI (Human - Machine Interface) là các thiết bị
hiển thị dữ liệu quá trình cho người vận hành và thông qua đó, người vận hành quan
Quản lý công ty
Mạng công ty
Điều hành sản xuất
Mạng xí nghiệp
Điều khiển giám sát
Bus hệ thống
Điều khiển
Bus trường
Chấp hành
Hình 1.1 Mô hình phân cấp chức năng
Chức năng của các cấp :
-
Cấp chấp hành
Chức năng chính của cấp này là đo lường, dẫn động và chuyển đổi tín hiệu
trong trường 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 lường, truyền động được 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, trước khi đưa lên cấp trên .
-
Cấp điều khiển
Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin từ các bộ phận cảm biến
xử lý các thông tin đó theo một thuật toán nhất định và truyền đạt lại kết quả xuống
bộ phận chấp hành .
sõn bay, bn cng.
+ H thng SCADA giỏm sỏt cỏc gin khoan, ng dn du, ng khớ.
+ H thng SCADA cho nh mỏy nc, x lý cht thi, cỏc kho xng
du.
+ H thng SCADA cho h thng phõn phi li in.
+ H thng SCADA giỏm sỏt v iu khin trong cỏc nh mỏy ht
nhõn
H v tờn : Nguyn Tun Anh
7
Lp Cao hc K& TH
LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc
1.2 Khái quát về đối tượng công nghệ
Sơn là mặt hàng được sử dụng nhiều trong lĩnh vực xây dựng dân dụng, trong
các ngành sản xuất vật liệu gia dụng…Hiện nay trong Việt Nam có rất nhiều nhãn
hiệu sơn khác nhau gồm cả sơn ngoại nhập. Các nhà máy sản xuất sơn của hãng
nước ngoài đều sản xuất trên những dây chuyền tự động hóa, do đó có chất lượng
ổn định. Trong khi các nhà máy sơn nội địa, sử dụng phương pháp sản xuất thủ
công, do đó chất lượng không ổn định bằng, khó cạnh tranh với các hãng khác. Vì
vậy, công ty sơn ATA đã đề ra mục tiêu xây dựng nên 1 dây chuyền sản xuất sơn tự
động để sản xuất ra sản phẩm ổn định, chất lượng cao, cùng với đó là hệ điều khiển
giám sát và thu thập dữ liệu phụ vụ cho công việc quản lý sản xuất.
Để xây dựng được một hệ thống SCADA hoàn chỉnh cho nhà máy pha sơn, ta
phải nắm rõ công nghệ của nhà máy này.Sơ đồ công nghệ nhà máy sơn
Sơ đồ công nghệ nhà máy sơn ATA FAST trên hình vẽ 1.1
PSCA
PSA
Valve
Valve
Valve
Valve
Valve
PSTT
Valve
Valve
Valve
Valve
0.00
Pump
Pump
Valve
Valve
0.00
FIT
Valve
Họ và tên : Nguyễn Tuấn Anh
9
Valve
Valve
Lớp Cao học ĐK& TĐH
LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc
1.2.1 Các thiết bị quá trình công nghệ sản xuất sơn
Các thiết bị của quá trình công nghệ
+ Thùng chứa trung gian : dùng để chứa nguyên liệu sơn gốc dùng cho
quá trình pha sơn, thùng chứa trung gian có 5 thùng chứa, thể tích 2m3 ,
chứa 5 loại sơn là PSTT, PSCA, PPA, PSA, PNA. Các thùng chứa
được làm kín để tránh tiếp xúc với không khí có thể gây ra khô sơn.
+ Thùng chứa sản phẩm : gồm có 2 thùng, chứa hỗn hợp sơn sản phẩm
hnh pha sn cho thựng cha cha sn phm khỏc.
Sau khi quỏ trỡnh khuy sn kt thỳc , bm sn phm s hỳt sn trong
thựng cha sn phm a vo cỏc tank cha sn phm úng thựng.
1.2.3 Cỏc bi toỏn t ng húa cho nh mỏy pha sn
Cp nguyờn liu cho thựng cha trung gian : nguyờn liu c a vo tng
thựng tng ng nh h thng valve, khi thựng y bm phi t ng ngt khi y.
- Bi toỏn pha sn :
Sn c pha theo t l chớnh xỏc t 3 loi nguyờn liu sn khỏc nhau.
- Bi toỏn khuy trn :
Nguyờn liu c tun hon liờn tc trong cỏc thựng cha trung gian.
- Bi toỏn giỏm sỏt :
Giỏm sỏt thựng cha trung gian , a ra cỏc cnh bo thựng cha y hay khụng
pha sn, v cỏc thụng s khỏc ca h thng.
- Bi toỏn giỏm sỏt qua mng internet
H v tờn : Nguyn Tun Anh
11
Lp Cao hc K& TH
LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc
CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG NHÀ MÁY
PHA SƠN
2.1 Các bài toán điều khiển và giải pháp trong dây chuyền pha sơn
Như phân tích trên dây chuyền pha sơn gồm có các bài toán công nghệ sau :
- Cung cấp nguyên liệu.
- Khuấy trộn.
Các tank chứa trung gian luôn luôn trong trạng thái kín, không tiếp xúc với
không khí, để giúp cho sơn không bị khô, đóng cục, sẽ làm giảm chất lượng sơn, do
đó tất cả các valve trên đường ống là valve thường đóng.
Trong quá trình cấp nguyên liệu, khi thùng chứa trung gian đầy, chương trình
điều khiển sẽ phải ngắt bơm, dừng cung cấp sơn nguyên liệu. Ở đây chúng ta dùng
giải pháp sử dụng cảm biến siêu âm, đo mức sơn trong thùng chứa để đưa ra cảnh
báo ngắt động cơ bơm. Trong quá trình bơm nguyên liệu, chất lỏng trong thùng
chứa sẽ bị sóng sánh mặc dù rất nhỏ do sơn có độ dính cao và đường ống nằm gần
dưới đáy. Tuy nhiên nó vẫn sẽ gây ra nhiễu đo cho cảm biến siêu âm. Vì vậy ở đây
chúng ta dùng giải pháp tính độ cao mức sơn trong thùng trong 1 khoảng thời gian.
Khi sơn đầy 90% thùng sơn, vavle nguyên liệu V.NL sẽ đóng để dừng cung cấp
nguyên liệu, bơm vẫn hoạt động 1 thời gian để đẩy hết sơn trong đường ống vào
tank chứa trung gian.
Họ và tên : Nguyễn Tuấn Anh
13
Lớp Cao học ĐK& TĐH
LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc
2.1.2 Bài toán khuấy trộn nguyên liệu
- Vấn đề bài toán :
Khi sơn để trong tank khuấy trộn trong 1 thời gian dài không sử dụng đến có
thể gây ra hiện tượng khô, gây đóng cục ngay trong tank chứa, làm ảnh hưởng đến
chất lượng sơn, vì thế sơn nên được luân chuyển liên tục sau 1 khoảng thời gian.
- Sơn đồ công nghệ bài toán khuấy trộn nguyên liệu
Hình 2.2 - Sơ đồ công nghệ bài toán khuấy trộng nguyên liệu
V.PSCA3
V.PNA3
V.PPA3
V.PSA3
V.PSTT4
Hình 2.3 - Sơ đồ công nghệ bài toán pha sơn
- Giải pháp :
Nguyên liệu để pha sơn mỗi mẻ có khối lượng riêng khác nhau, vì thế công
nghệ pha sơn dùng tỷ lệ thể tích để pha sơn đạt chất lượng cao hơn. Do đó trong bài
toán này chúng ta không dùng giải pháp sử dụng cân để pha sơn, sử dụng cảm lưu
lượng dòng chất lỏng áp dụng cho công nghệ pha sơn trên.
Do yêu cầu cao về chất lượng và chính xác, ta sử dụng cho mỗi tank chứa
nguyên liệu trung 1 gian 1 cảm biến và 1 bơm để tránh việc lẫn sơn sau mỗi lần hút
nguyên liệu pha sơn.
Họ và tên : Nguyễn Tuấn Anh
15
Lớp Cao học ĐK& TĐH
LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc
- Sơ đồ P&ID cho từng thùng chứa nguyên liệu trung gian
LT
2.1.4 Các yêu cầu chung về hệ thống điều khiển tự động dây chuyền pha sơn
- Các yêu cầu chung :
Hệ thống tự động dây chuyền pha sơn thực hiện nhiệm giám sát, thực hiện quá
trình pha sơn. Thiết kết tự động hóa bao gồm toàn bộ các Transmistters, valve,
sensor, PLC, máy tính, máy in, dây tín hiệu và dây điều khiển nhằm tăng độ an
toàn, tin cậy trong vận hành quá trình sản xuất sơn.
Đưa các công nghệ hiện đại được áp dụng trên thế giới đồng thời phải thích ứng
với điều kiện thích ứng với Việt Nam.
Đáp ứng được chỉ tiêu kinh tế đầu tư cho dây chuyền.
Dễ dàng bảo trì, sửa chữa, thay thế, mở rộng, nâng cấp và kết nối với các hệ
thống khác.
- Yêu cầu về hệ thống đo lường
Quá trình sản xuất sai sót có thể gây thiệt hại về kinh tế lớn, vì thế việc giám sát
phải được thực hiện hết sức chặt chẽ. Các thông số giám sát bao gồm mức sơn trong
tank, khố lượng sơn, lưu lượng sơn, và thể tích sơn, áp suất khí nén thông qua các
thiết bị đo tương ứng. Các thiết bị đo phải đảm bảo mọi tiêu chuẩn về an toàn, và sai
số cho phép.
Các thông số này được theo dõi và cập nhật liên tục trên màn hình vi tính tại
phòng điều khiển trung tâm. Thông số về khối lượng và lưu lượng sơn phải được
hiển thị tại chỗ. Ngoài ra thông số quá khứ được lưu lại dưới dạng bản đồ và đồ thị.
Các tín hiệu cảnh báo trên màn hình để thông báo sự cố, mức sơn trong tank vượt
giá trị an toàn phải được cảnh báo thêm bằng còi lớn và tự động xử lý.
Họ và tên : Nguyễn Tuấn Anh
17
Lớp Cao học ĐK& TĐH
Lớp Cao học ĐK& TĐH
LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc
Hình 2.5 – Hệ điều khiển tự động SLC500 dùng cho dây chuyền sản xuất sơn
Để thực hiện được các phương án điều khiển như và các yêu cầu hệ thống điều
khiển như đã trình bầy, ta lựa chọn sử dụng bộ điều khiển PLC vì các lý do sau đây:
+ Bộ điều khiển PLC có thể đáp ứng được các yêu cầu điều khiển mong muốn
của dây chuyền pha sơn .
+ PLC có kết cấu tin cậy, thích hợp với môi trường làm việc công nghiệp.
+ PLC có tính linh hoạt, dễ dàng thay đổi chương trình khi cần thay đổi công
nghệ. Khả năng mở rộng số đầu vào – ra đơn giản.
+ Xây dựng thuật toán điều khiển nhanh chóng, đơn giản.
+ Kết nối dễ dàng với các hệ thống truyền thông, khả năng giám sát và thu thập
dữ liệu hoạt động của dây chuyền sản xuất.
+ Tính năng thời gian thực.
Hiện nay trên thế giới có nhiều chủng loại PLC của các hãng như Siemens,
Allen-Bradley, Omron,… Mỗi hãng sẽ cung cấp giải pháp phần cứng, phầm mềm
đi kèm với thiết bị PLC. Đề tài xây dựng trên giải pháp tự động hóa tích hợp của
Allen-Bradley. Giải pháp này phần nào đáp ứng được các yêu cầu đặt ra về mặt kỹ
thuật cũng như kinh tế bởi vì :
Họ và tên : Nguyễn Tuấn Anh
19
Lớp Cao học ĐK& TĐH
Họ và tên : Nguyễn Tuấn Anh
20
Lớp Cao học ĐK& TĐH
Luận văn thạc sĩ khoa học
c lp trỡnh 1 cỏch linh hot bng gúi phn mm VBA tớch hp cựng phn mm
SCADA.
+ Ch tiờu v kinh t
Cỏc thit b iu khin ca Allen-Bradley rt a dng v chng loi, phong phỳ
trờn th trng, ng dng trong hu ht cỏc ngnh sn xut quan trng nh du khớ,
in, húa chtThit b d thay th vỡ vy thun tin trong quỏ trỡnh thay th bo trỡ
v sa cha.
Thit b c sn xut hng lot, nhiu chng loi khỏc nhau, giỏ c hp lý vỡ
vy rt d la chn cho bi toỏn cụng ngh yờu cu, giỳp ti u v bi toỏn kinh t.
2.2.2 H thng iu khin SLC-500ca Allen-Bradley
Trờn c s phõn tớch trờn v thit b iu khin, tỏc gi ó chn b iu khin
SLC-500 ca Allen-Bradley cho ti.
B iu khin SLC-500 úng vai trũ l b iu khin trung tõm va thc hin
chc nng vn hnh iu khin cỏc thit b chp hnh, thu thp thụng s cm bin,
ngoi ra cũn thc hin chc nng truyn thụng a cỏc tớn hiu trng v trm vn
hnh thc hin quỏ trỡnh giỏm sỏt. Cu trỳc h iu khin t ng gm cú :
2.2.2.1 CPU SLC-5/03-L532-OS302
Cú kh nng m rng qun lý n 4096 cng vo s v 4096 cng ra s, v
kờnh tng t ti a l 480.
B nh chng trỡnh ln 12K.
Thi gian thc hin 1 vũng quột: 1ms/K.
c gn 2 cng truyn thụng gm DH-485 v RS-232.Cỏc dng truyn thụng
+ Độ trễ tín hiệu (max): 1ms
2.2.2.4 Module Analog Input 1746-NI4
Đây là các module dùng để đọc tín hiệu vào dạng tương tự, thường dùng để đọc
tín hiệu các cảm biến như đo mức, đo nhiệt độ…Đề tài này chọn sử dụng module
1746 NI4 có 4 cổng vào analog hỗ trợ cả 2 dạng tín hiệu 4 – 20 mA và 0 – 10V,
Họ và tên : Nguyễn Tuấn Anh
22
Lớp Cao học ĐK& TĐH
LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc
2.2.2.5Module High Speed Counter 1746-HSCE
Đây là các module dùng để đọc tín hiệu vào dạng xung tốc độ cao. Đê tài này
chọn sử dụng module 1746 NI8 có 3 cổng vào , hộ trợ các dải điện áp từ 0VDC 24VDC.
2.2.2.6 Module nguồn
Chọn module nguồn 1747 - PS02 của hãng Allen-Bradley để cấp điện cho toàn
bộ hệ thống PLC có các thông số sau:
+ Nguồn cấp vào: 220VAC
+ Nguồn ra: 24VDC
+ Công suất: 240W
2.2.2.7 Truyền thông kết nối máy tính cho PLC
Sử dụng cổng truyền thông DF1 – RS232 cho việc kết nối máy tính và PLC.
Họ và tên : Nguyễn Tuấn Anh
23
H v tờn : Nguyn Tun Anh
24
Lp Cao hc K& TH
Copyright: Tài liệu đại học ©