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 tễn 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 ....................................................................

CENTUM VP VÀ THỰC NGHIỆM ............................................................................37
3.1. Quá trình phát triển và các tính năng của CENTUM VP .............................................. 37
3.1.1. Quá trình phát triển của CENTUM VP .................................................................. 37
3.1.2. Các tính năng chủ yếu của CENTUM VP .............................................................. 37
3.2. Phương pháp cài đặt HIS và CENTUM VP .................................................................. 42
3.2.1. Các bước cài đặt HIS .............................................................................................. 42
3.2.2. Các bước cài đặt CENTUM VP ............................................................................. 46
3.3. Thiết kế hệ điều khiển mức nước bình cấp....................................................................
53
3.3.1. Khởi tạo một dự án mới..........................................................................................
53
3.3.2. Thiết kế giao diện điều khiển ................................................................................. 55
3.3.3. Lập trình điều khiển bằng Functon Block ............................................................. 58
3.4. Thực nghiệm ..................................................................................................................
61
3.4.1. Các bước cơ bản vận hành hệ thống thí nghiệm của YOKOGAWA ..................... 61
3.4.2. Giới thiệu và chạy thử các vòng điều khiển PID.................................................... 64
3.4.3. Phân tích khối điều khiển PID theo quan điểm của YOKOGAWA [8] ................. 69
3.4.4. Kết quả thực nghiệm...............................................................................................
73
3.5. Kết luận chương 3 ......................................................................................................... 74

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................75
1. Kết luận............................................................................................................................. 75
2. Kiến nghị .......................................................................................................................... 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................77


5

13
Hình 1-7. Cấu trúc điều khiển phân tán với vào/ra phân tán ....................................................
14
Hình 1-8. HIS0164 & HIS0163 ................................................................................................ 15
Hình 1-9. FCS........................................................................................................................... 16
Hình 1-10. Transmiters lưu lượng ADMAG AXF025G ......................................................... 18
Hình 1-11. Transmites chênh áp EJA118W ............................................................................ 18
Hình 1-12. Động cơ bơm nước FORERUN ............................................................................. 19
Hình 1-13. Biến tần SINAMICS G110 .................................................................................... 19
Hình 1-14. Rơ le trung gian IDEC - RU48- C- D24 ................................................................ 20
Hình 1-15. Đối tượng bình nước cấp........................................................................................
20
Hình 2-1. Bình chứa chất lỏng.................................................................................................. 25
Hình 2-2. Sơ đồ khối cho mô hình bình cấp............................................................................. 28
Hình 2-3. Lưu đồ P&ID điều khiển mức nước bình cấp .......................................................... 29
Hình 2-4. Cấu trúc điều khiển phản hồi.................................................................................... 29
Hình 2-5. Sơ đồ cấu trúc hệ thống ............................................................................................
30
Hình 2-6. Thông số kỹ thuật của bơm P01 ...............................................................................
31
Hình 2-7. Sơ đồ mô phỏng hệ thống trên Simulink.................................................................. 33
Hình 2-8. Hiệu chỉnh tham số PID ........................................................................................... 33
Hình 2-9. So sánh đáp ứng bước của PID thiết kế với PID sau khi đã hiệu chỉnh................... 34
Hình 2-10. Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID trên Simulink................................................... 34
Hình 2-11. Sơ đồ cấu trúc điều khiển lưu lượng ......................................................................
35
Hình 2-12. Sơ đồ mô phỏng hệ thống trên Simulink................................................................ 35
Hình 2-13. So sánh đáp ứng bước của PID thiết kế với PID sau khi đã hiệu chỉnh................. 36
Hình 3-1. Lịch sử phát triển của CENTUM ............................................................................. 37


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 Functon 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 Functon ............................................................................. 60
Hình 3-33. Kết nối giữa các khối Functon .............................................................................. 61
Hình 3-34. Sơ đồ nối dây hoàn chỉnh các khối Functon của hệ thống điều khiển mức, lưu
lượng.........................................................................................................................................
61
Hình 3-35. Lựa chọn dự án Default chuẩn bị Download ......................................................... 62
Hình 3-36. Download chương trình vào FCS101..................................................................... 62
Hình 3-37. Màn hình giao tiếp người – máy khi chạy short cut BKHBos ............................... 63
Hình 3-38. Toàn cảnh màn hình điều khiển mức, lưu lượng.................................................... 63
Hình 3-39. Cửa sổ lựa chọn quyền điều khiển OFFUSER/ONUSER...................................... 64
Hình 3-40. Bảng điều khiển tham số PID của lưu lượng ......................................................... 65
Hình 3-41. Đáp ứng lưu lượng với PB = 75%, TI = 10s, TD=0s, với các giá trị đặt là SV = 5
l/m và 15 l/m.............................................................................................................................
66
Hình 3-42. Đáp ứng lưu lượng với PB = 75%, TI = 3s, TD=0 , với các giá trị đặt là SV = 5 l/m và
15 l/m ................................................................................................................................... 66


vii

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...
CENTUM VP sử dụng đã được chứng minh là có khả năng mở rộng, ổn định, hiệu
suất và độ tin cậy cao [7].
Phần mềm CENTUM VP của YOKOGAWA hứa hẹn mang đến nhiều khả năng
khai thác về phương diện thiết kế giao diện người – máy (HIS), chương trình điều
khiển và lập báo cáo.... Với mục đích tm tòi nghiên cứu nhằm tạo ra một tài liệu
thuận tện cho người sử dụng, làm chủ công nghệ thiết kế cho các quá trình công
nghiệp khác, tôi đã lựa chọn phần mềm CENTUM VP để nghiên cứu và áp dụng phần
mềm này để thiết kế hệ thống điều khiển mức nước bình cấp, tến hành cài đặt, đấu

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 tễn: 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

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về hệ thống điều khiển quá trình, điều khiển
phân tán trong công nghiệp, giới thiệt hệ thống thiết bị thí nghiệm của YOKOGAWA
tại phòng thí nghiệm Điện – Điện tử trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp.
Chương 2: Xây dựng mô hình toán học của hệ điều khiển mức nước bình cấp sử
dụng biến tần. Mô phỏng trong Matlab-Simulink vòng điều khiển mức nước và lưu

Vật chất
năng lượng
thông tn

Nhiễu

Vật chất
năng lượng
thông tn

QUÁ TRÌNH
KỸ THUẬT
Biến trạng thái

Biến không cần
điều khiển

Biến ra

Biến cần điều
khiển

Biến không cần
điều khiển

Hình 1-1. Quá trình và phân loại biến quá trình

Một biến vào là một đại lượng hoặc một điều kiện phản ánh tác động từ
bên ngoài vào quá trình, ví dụ như lưu lượng dòng nguyên liệu, nhiệt độ hơi
nước cấp

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


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 tến
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 tện.
- Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm: Đảm bảo lưu lượng sản phẩm
theo kế hoạch sản xuất và duy trì các thông số liên quan tới chất lượng sản phẩm
trong phạm vi yêu cầu.
- Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn: Giảm thiểu các nguy cơ xảy ra sự cố cũng
như bảo vệ cho con người, máy móc, thiết bị và môi trường trong trường hợp
xảy ra sự cố.
- Bảo vệ môi trường: Giảm ô nhiễm môi trường thông qua giảm nồng độ khí thải

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

Quá trình kỹ thuật
Hình 1-2. Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển và giám sát

Tùy theo loại cảm biến, tín hiệu của chúng đưa ra có thể là tín hiệu nhị phân, tín
hiệu số hay tín hiệu tương tự theo các chuẩn tín hiệu điện thông dụng khác nhau
(0..10V, 0..5V, 4..20mA, 0..20mA, v.v...). Trước khi có thể xử lý trong máy tính số, các
tín hiệu đo cần được chuyển đổi, thích ứng với chuẩn giao diện vào/ra của máy tính.
Bên cạnh đó, ta cũng cần các biện pháp cách ly điện học để tránh sự ảnh hưởng xấu
lẫn nhau giữa các thiết bị. Đó chính là các chức năng của các module vào/ra (I/O).

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 tn 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.


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
Điều khiển, điều chỉnh,
bảo vệ, an toàn ghi
chép tường trình
Đo lường, truyền động,
chuyển đổi tín hiệu

QL
công ty
Điều hành
sản xuất
Điều khiển giám sát

Cấp điều khiển

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 tện theo dõi.
1.2.3. Cấu trúc điều khiển
Biến thể của cấu trúc cơ bản trên hình 1-4 tìm thấy trong các giải pháp thực tế
khác nhau ở sự phân bố chức năng điều khiển cũng như ở sự phân bố vị trí các
máy tính quá trình và phụ kiện được lựa chọn. Căn cứ vào đó, ta có thể phân biệt
giữa cấu trúc điều khiển tập trung và cấu trúc điều khiển phân tán, cấu trúc vào/ra
tập trung và cấu trúc vào/ra phân tán.
1.2.3.1. Điều khiển tập trung
Cấu trúc tiêu biểu của một hệ điều khiển tập trung (centralized control system)
được minh họa trên hình 1-4. Một máy tính duy nhất được dùng để điều khiển toàn
bộ quá trình kỹ thuật. Máy tính điều khiển ở đây (MTĐK) có thể là các bộ điều khiển
số trực tếp (DDC), máy tính lớn, máy tính cá nhân hoặc các thiết bị điều khiển khả
trình. Trong điều khiển công nghiệp, máy tính điều khiển tập trung thông thường
được đặt tại phòng điều khiển trung tâm, cách xa hiện trường. Các thiết bị cảm biến
và cơ cấu



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 tn 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 tn cậy kém.
1.2.3.2. Điều khiển tập trung với vào/ra phân tán
Cấu trúc vào/ra tập trung với cách ghép nối điểm-điểm thể hiện một nhược
điểm cơ bản là số lượng lớn các cáp nối, dẫn đến giá thành cao cho dây dẫn và công
thiết kế, lắp đặt. Một hạn chế khác nữa là phương pháp truyền dẫn tín hiệu thông
thường giữa các thiết bị trường và thiết bị điều khiển dễ chịu ảnh hưởng của nhiễu,
gây ra sai số lớn. Vấn đề này được khắc phục bằng phương pháp dùng bus trường
như đã nêu trong phần trước. Hình 1-5 minh họa một cấu hình mạng đơn giản. Ở đây
các module vào/ra được đẩy xuống cấp trường gần kề với các cảm biến và cơ cấu
chấp hành, vì vậy được