B GIO DC V O TO
TRNG I HC NễNG NGHIP H NI
-----------------------o0o-------------------------
TRƯƠNG VĩNH THịNH NGHIấN CU, THIT K H T NG GIM ST
CC THễNG S CA Mễ HèNH NH MY NHIT
IN DU V10CF/D0/125 - NG DNG TRONG O TO. Chuyờn ngnh: in khớ hoỏ sn xut nụng nghip v nụng thụn
Mó s
: 60 52 54
Ng
i hng dn khoa hc:
TS. HONG NGC NHN H N
I 2010
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ..................
ii
LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận văn, tôi ñã nhận ñược sự giúp ñỡ nhiệt
tình của các tập thể và cá nhân các Thầy Cô giáo: Trường ðHNN Hà Nội, Trường
ðHBK Hà Nội, Trường ðHðL Hà Nội và của các bạn bè, ñồng nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Hoàng Ngọc Nhân, Thạc sỹ Vũ Duy Thuận, Thạc sỹ
Lã Văn Thắng Trường ðHðL Hà Nội. Cảm ơn các Thầy Cô giáo trong Bộ môn ñiện,
Khoa cơ ñiện, Viện sau ñại học Trường ðHNN Hà Nội. Cảm ơn Khoa công nghệ tự
ñộng - Trường ðHðL Hà Nội. Cảm ơn các bạn bè và ñồng nghiệp ñã tận tình giúp ñỡ
tôi nghiên cứu hoàn thành luận văn này.
Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn, vì thời gian và trình ñộ có hạn,
nên không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận ñược ý kiến ñóng góp chân
thành của các Thầy Cô và bạn bè ñồng nghiệp.
Tác gi
ả luận văn Tr
ương Vĩnh Thịnh
V10CF/D0/125 ……………………………………………………………………….13
2.1. Giới thiệu về mô hình nhà máy nhiệt ñiện…………………..…...…......……..13
2.2. Hiện trạng của mô hình nhà máy nhiệt ñiện……………......…...……..…..…18
2.3. Giải pháp tự ñộng hóa cho mô hình nhà máy ñiện……...…….....………..…18
2.3.1. Bảo dưỡng, vận hành lại mô hình nhà máy nhiệt ñiện……………
…..
………...18
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ..................
iv2.3.2. Tự ñộng hoá cho nhà máy nhiệt ñiện………………………………
…..
………..19
2.3.3. Yêu cầu bài toán thực tế cho giám sát mô hình nhà máy nhiệt ñiện…..……....…..…....20
2.4. Kết luận
…………………………………………………………………………………21
CHƯƠNG 3. GIẢI PHÁP THỰC HIỆN……………………………….…...……....22
3.1. Lựa chọn cấu trúc phần cứng cho hệ ñiều khiển giám sát………..…………..22
3.1.1. Lựa chọn phần cứng…………………………………………………..…..….…23
3.1.1.1. Sơ ñồ cấu trúc phần cứng……………………………………………..…...….23
3.1.1.2. Thiết bị phần cứng……………………………………………………..….......23
3.1.2. Sơ ñồ ñấu dây ñầu vào module SM 331 8AI 13 bits………………...…..….......24
3.2. Nghiên cứu kỹ thuật phần cứng hệ SIMATIC PLC S7 – 300….………..……27
3.2.1. Những khái niệm chung về PLC………………………………………………..27
3.2.2. Các module của PLC S7-300…………………………………………..………..29
3.2.3. Cấu trúc bộ nhớ của PLC S7 – 300…………………………………………......32
PLC – PC – TP177A
(phụ lục 4)
…………………………………………………………………………..…53
3.11. Phần mềm thiết kế giao diện với màn hình cảm ứng…………………….......54
3.11.1. Xây dựng phần mềm giao diện giữa người và màn hình cảm ứng.………..….56
3.11.2. Xây dựng phần mềm giao diện cảnh báo, báo cáo hệ thống…………….…….56
3.12. Giới hạn các thông số và ñánh giá về sai số......................................................58
3.13. Kết luận…………………………………………………………………………59
KẾT LUẬN, ðỀ XUẤT GIẢI PHÁP………………….…………………………....60
Tài liệu tham khảo
……………………………….……………………………..…..61
Phụ lục 1.
Các bước ñể tạo một Project mới với WinCC………...………………..….62
Phụ lục 2.
Lập trình xây dựng hàm...............................................................................69
Phụ lục 3.
Chương trình giám sát thu thập từ cảm biến...............................................
78
Phụ luc 4. Thiết kế cấu hình mạng MPI cho việc truyền thông giữa
PLC-PC-Tp177A..
90
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ..................
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ..................
viiDANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Cấu trúc chung của hệ SCADA…………………………………………....…6
Hình 1.2. Tổ chức truy cập ……………………………...…………………….………..7
Hình 1.3. Mô hình phân cấp………………………………………………………….... 8
Hình 2.1. Hình ảnh tổng thể của mô hình nhà máy nhiệt ñiện……………………...... 13
Hình 2.2. Sơ ñồ công nghệ của mô hình nhà máy nhiệt ñiện………………………….14
Hình 2.3. Turbine và máy phát………………………………………………………...16
Hình 2.4. Sơ ñồ cấu trúc của hệ SCADA cho mô hình nhà máy ñiện………………...20
Hình 2.5. Sơ ñồ các ñiểm ño của mô hình nhà máy nhiệt ñiện………………………..21
Hình 3.1. Sơ ñồ cấu trúc phần cứng ứng dụng cho hệ ñiều khiển giám sát…………...23
Hình 3.2. Sơ ñồ ñấu dây kỹ thuật khi ñầu vào là V…………………………………...25
Hình 3.3. Sơ ñồ ñấu dây kỹ thuật khi ñầu vào là mA....................................................25
Hình 3.4. Sơ ñồ ñấu dây các cảm biến vào module SM331..........................................26
Hình 3.5. Nguyên lý chung về cấu trúc của một bộ ñiều khiển logic khả trình……….28Hình 3.6. Sơ ñồ bố trí các Modul của PLC…………………………...…………….....30
Hình 3.7. Vòng quét chương trình………………………………………………….....34
Hình 3.8. Sơ ñồ khối kiểu lập trình tuyến tính……………………...………………....35
Hình 3.9. Sơ ñồ khối kiểu lập trình có cấu trúc…………………………………….....35
Hình 3.10. Ba kiểu ngôn ngữ lập trình chính chính của S7-300………...…………….36
Hình 3.11. Thuật toán chính thu thập và xử lý thông tin ño ñược từ cảm biến.……....39
Hình 3.12. Thuật toán quét dữ liệu………………………………………...………….40
Hình 3.13. Thuật toán chuyển ñổi....……………………………...……………….......41
Hình 3.14. Thuật toán ñọc và hiển thị kết quả………………………………………...42
Hình 3.15. Thuật toán cảnh báo quá giá trị ñặt……………………………………......43
phát triển nhanh chóng. ðòi hỏi phải có một nguồn nhân lực chất lượng cao, ñặt biệt
trong lĩnh vực tự ñộng ñiều khiển, do ñó việc ñào tạo sát với thực tiễn là rất cần thiết.
Hiện nay hàng năm nước ta sản xuất ra khoảng 50 tỷ KWh. Theo quy hoạch phát triển
của ðiện lực Việt nam, trong năm 2010 sẽ xây dựng thêm 32 nhà máy ñiện với tổng
công suất 9500MW và ñến năm 2020, khi nước ta cơ bản trở thành nước công nghiệp
thì phải cần ñến 250 tỷ KWh.
ðể nâng cao chất lượng ñiện năng, ñòi hỏi các nhà máy ñiện phải ñược tự ñộng hoá ở
mức cao. Trong hệ thống tự ñộng, việc giám sát tự ñộng các thông số của nhà máy ñiện
là công ñoạn ñầu tiên và rất quan trọng của quá trình, nó quyết ñịnh ñến hoạt
ñộng chính xác hay không của hệ thống. Việc giám sát này không những góp phần
tự ñộng hoá của hệ thống mà còn giúp cho quá trình giám sát biến ñổi nhanh ñược tốt
hơn, nhằm phân tích các quá trình công nghệ một cách hiệu quả.
ðược sự hướng dẫn của Giảng viên: TS. Hoàng Ngọc Nhân. Trường ðại học ðiện lực
Hà nội và các Thầy cô trong khoa cơ ñiện Trường ðại học Nông nghiệp Hà nội, chúng
tôi chọn ñề tài luận văn:
“ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ TỰ ðỘNG GIÁM SÁT
CÁC THÔNG SỐ CỦA MÔ HÌNH NHÀ MÁY NHIỆT
ðIỆN DẦU V10CF/D0/125 - ỨNG DỤNG TRONG ðÀO TẠO.”
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ..................
22. MỤC ðÍCH VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU CỦA ðỀ TÀI.
2.1. MỤC ðÍCH NGHIÊN CỨU CỦA ðỀ TÀI.
Nghiên cứu cấu trúc của hệ thu thập và giám sát dữ liệu, từ ñó làm cơ sở thiết kế hệ
thống giám sát tự ñộng, ứng dụng cho mô hình nhà máy Nhiệt ñiện dầu V10CF/D0/125
tại Trường ðại học ðiện lực Hà Nội.
Nâng cao khả năng thực hiện các dự án tự ñộng hoá trong nhà máy ñiện cũng như
trong các nhà máy công nghiệp khác.
Giúp nâng cao khả năng nghiên cứu của giảng viên ñể nâng cao chất lượng ñào tạo
ra của quá trình kỹ thuật phải ñược ñiều khiển theo một mô hình cho trước trong khi có
tác ñộng của môi trường xung quanh, ñồng thời ảnh hưởng xấu của quá trình kỹ thuật
ñối với con người và môi trường xung quanh phải ñược giảm thiểu. Hiện nay, hệ thống
ñiều khiển giám sát có xu hướng phát triển theo sự tích hợp. Tùy thuộc vào quy mô sản
xuất mà người ta áp dụng mô hình hệ thống ñiều khiển khác nhau. Với các hệ thống
vừa và nhỏ, số lượng ñiểm ño và thiết bị thường ít thì hay sử dụng hệ SCADA; còn ñối
với các hệ thống lớn, người ta thường sử dụng hệ DCS. Qua nghiên cứu, khảo sát thực
nghiệm về mô hình nhà máy nhiệt ñiện V10CF/D0/125 tại trường ðại học ðiện lực,
chúng tôi lựa chọn hệ SCADA ñể ñiều khiển và giám sát.
1.1. ðịnh nghĩa hệ thống SCADA.
SCADA (S
upervisory Control And Data Acquisition): là một hệ thống ñiều khiển
giám sát và thu thập dữ liệu, nói một cách khác là một hệ thống hỗ trợ con người trong
việc giám sát và ñiều khiển từ xa, ở cấp cao hơn hệ ñiều khiển tự ñộng thông thường.
ðể có thể ñiều khiển và giám sát từ xa thì hệ SCADA phải có hệ thống truy cập, truyền
tải dữ liệu cũng như hệ giao diện người và máy (HMI - H
uman Machine Interface).
Trong hệ thống ñiều khiển giám sát thì HMI là một thành phần quan trọng không chỉ ở
cấp ñiều khiển giám sát mà ở các cấp thấp hơn người ta cũng cần giao diện người và
máy ñể phục vụ cho việc quan sát và thao tác vận hành ở cấp ñiều khiển cục bộ.Vì lý
do giá thành, ñặc ñiểm kỹ thuật nên các màn hình vận hành (OP - O
perator Panel),
màn hình chạm (TP - T
ouch Panel), Multi Panel chuyên dụng ñược sử dụng nhiều và
chiếm vai trò quan trọng hơn.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ..................
4
Hệ thống SCADA mạng: ðây là hệ có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu với nhiều
bộ vi xử lý. Các máy tính giám sát ñược nối mạng với nhau. Hệ này có khả năng ñiều
khiển ñược nhiều nhóm máy móc, tạo nên dây chuyền sản xuất. Qua mạng truyền
thông, hệ thống ñược kết nối với phòng quản lý, phòng ñiều khiển, có thể nhận quyết
ñịnh ñiều khiển trực tiếp từ phòng quản lý hoặc từ phòng thiết kế. Từ phòng ñiều khiển
có thể ñiều khiển hoạt ñộng của các thiết bị ở xa.
1.3. Những chuẩn ñể ñánh giá một hệ thống SCADA.
ðể ñánh giá một hệ thống ñiều khiển và giám sát SCADA ta cần phải phân tích các
ñặc ñiểm của hệ thống theo một số các tiêu chuẩn sau:
Khả năng hỗ trợ của công cụ phần mềm ñối với việc thực hiện xây dựng các màn
hình giao diện.
Số lượng và chất lượng của các thành phần ñồ hoạ có sẵn, khả năng truy cập và cách
kết nối dữ liệu từ các quá trình kỹ thuật (trực tiếp từ các cơ cấu chấp hành, sensor,
module vào/ra qua PLC hay các hệ thống bus trường).
Tính năng mở của hệ thống, chuẩn hoá các giao diện quá trình, khả năng hỗ trợ xây
dựng các chức năng trao ñổi tin tức (Messaging), xử lý sự kiện và sự cố (Event and
Alarm), lưu trữ thông tin (Archive and History) và lập báo cáo (Reporting).
Tính năng thời gian thực và hiệu suất trao ñổi thông tin, ñối với nền Windows: hỗ
trợ sử dụng mô hình phần mềm WINCC.
Trng i hc Nụng nghip H Ni Lun vn thc s nụng nghip ..................
61.4. Cu trỳc chung ca h SCADA.
Giao din quỏ trỡnh: bao gm cỏc cm bin, thit b ủo, thit b chuyn ủi v cỏc c
cu chp hnh.
Thit b ủiu khin t ủng: gm cỏc b ủiu khin chuyờn dng (PID), cỏc b ủiu
khin kh trỡnh PLC (P
rogrammable Logic Controller), cỏc thit b ủiu chnh s ủn
l CDC (C
ompact Digital Controller) v mỏy tớnh PC vi cỏc phn mm ủiu khin
tng ng.
H thng ủiu khin giỏm sỏt: gm cỏc phn mm v giao din ngi v mỏy HMI,
cỏc trm k thut, trm vn hnh, giỏm sỏt v ủiu khin cao cp.
H thng truyn thụng: ghộp ni ủim-ủim, bus cm bin/chp hnh, bus trng,
bus h thng.
H thng bo v, c ch thc hin chc nng an ton.
Cơ sở dữ liệu
quá trình
Giao diện
ngời - máy
Cảnh báo,
báo động
Điều khiển
cấp cao
Lập báo cáo
tự động
I/O DriverI/O ServerI/O Server
Hỡnh 1.2. T chc truy cp. Trng i hc Nụng nghip H Ni Lun vn thc s nụng nghip ..................
Tuỳ thuộc vào mức ñộ tự ñộng hoá và cấu trúc hệ thống cụ thể mà ta có mô hình phân
cấp chức năng.
Cấp chấp hành: Các chức năng chính của cấp chấp hành là ño lường, dẫn ñộng và
chuyển ñổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết. Thực tế, ña số các thiết bị cảm biến hay
chấp hành cũng có phần ñiều khiển riêng cho việc thực hiện ño lường - truyền ñộng
ñược chính xác và nhanh nhạy. Các thiết bị thông minh (có bộ vi xử lý riêng) cũng có
thể ñảm nhận việc xử lý và chuẩn bị thông tin trước khi ñưa lên cấp trên ñiều khiển.
Cấp ñiều khiển: Nhiệm vụ chính của cấp ñiều khiển là nhận thông tin từ các bộ cảm
biến, xử lý các thông tin ñó theo một thuật toán nhất ñịnh và truyền ñạt lại kết quả
xuống các bộ chấp hành. Máy tính ñảm nhận việc theo dõi các công cụ ño lường, tự
thực hiện các thao tác nhấn nút mở, ñóng van, ñiều chỉnh cần gạt, núm xoay…ðặc tính
nổi bật của cấp ñiều khiển là xử lý thông tin. Cấp ñiều khiển và cấp chấp hành hay
ñược gọi chung là cấp trường (Field level) chính vì các bộ ñiều khiển, cảm biến và
chấp hành ñược cài ñặt trực tiếp tại hiện trường gần kề với hệ thống kỹ thuật.
Cấp ñiều khiển giám sát: có chức năng giám sát và vận hành một quá trình kỹ thuật,
có nhiệm vụ hỗ trợ người sử dụng trong việc cài ñặt 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 ñiều khiển cao cấp như ñiều khiển phối hợp, ñiều
khiển trình tự và ñiều khiển theo công thức. Việc thực hiện các chức năng ở cấp ñiều
khiển và giám sát thường không ñòi hỏi phương tiện, thiết bị phần cứng ñặc biệt ngoài
máy tính thông thường.
Thông thường người ta chỉ coi ba cấp dưới thuộc phạm vi của một hệ thống ñiều khiển
và giám sát. Tuy nhiên biểu thị hai cấp trên cùng (Quản lý công ty và ðiều hành sản
xuất) sẽ giúp ta hiểu thêm một mô hình lý tưởng cho cấu trúc chức năng tổng thể cho
các công ty sản xuất công nghiệp. Gần ñây, do nhu cầu tự ñộng hoá tổng thể kể cả ở
các cấp ñiều hành sản xuất và quản lý công ty, việc tích hợp hệ thống và loại bỏ các
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ..................
10
Chức năng của mỗi cấp SCADA cung cấp những dịch vụ sau:
Thứ nhất: là thu thập từ xa (qua ñường truyền số liệu) các số liệu về sản xuất và tổ
chức việc lưu giữ trong nhiều loại cơ sở dữ liệu (số liệu lịch sử về sản xuất, sự kiện
thao tác, báo ñộng).
Thứ hai: là dùng các dữ liệu trên ñể cung cấp các dịch vụ về ñiều khiển, giám sát hệ
sản xuất.
Thứ ba: là hiển thị báo cáo tổng kết về quá trình sản xuất (trang màn hình, trang ñồ
thị, trang sự kiện, trang báo ñộng, trang báo cáo sản xuất).
Thứ tư: là ñiều khiển từ xa quá trình sản xuất (ñóng cắt các máy móc thiết bị, tăng
giảm nấc phân áp).
Thứ năm: là thực hiện các dịch vụ về truyền số liệu trong hệ và ra ngoài (ñọc viết số
liệu PLC/RTU (Remote Teminal Unit), gửi trả lời các bản tin yêu cầu của cấp trên về
số liệu, về thao tác hệ).
Nhìn chung SCADA là một hệ kết hợp phần cứng và phần mềm ñể tự ñộng hoá việc
quản lý giám sát ñiều khiển cho một ñối tượng sản xuất công nghiệp. Tuỳ theo yêu cầu
cụ thể của bài toán tự ñộng hoá ta có thể xây dựng hệ SCADA thực hiện một số những
nhiệm vụ tự ñộng hoá như: thu thập giám sát từ xa về ñối tượng, ñiều khiển ñóng
cắt từ xa lên ñối tượng, ñiều chỉnh tự ñộng từ xa với các ñối tượng và các cấp
quản lý.
Các chức năng ñó mỗi thứ ñều có những yêu cầu ñặc biệt ñối với các bộ phận phần
cứng, phần mềm, phần chuyên trách của SCADA. Cụ thể là phần ño, giám sát từ xa
cần bảo ñảm thu thập dữ liệu hiển thị in ấn ñủ những số liệu cần cho quản lý kỹ thuật.
Phần ñiều khiển thao tác xa phải ñảm bảo ñược việc kiểm tra ñóng cắt an toàn, ñúng
ñắn. Phần truyền tin xa phải quy ñịnh rõ các nhiệm vụ truyền số liệu hiện trường, ñặc
biệt là thủ tục truyền với các SCADA cấp trên. Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ..................
12
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ..................
14
Hình 2.2. Sơ ñồ công nghệ của mô hình nhà máy nhiệt ñiện.
* Mô hình bao gồm các khối cụ thể sau:
1 – Khối xử lý nước ñầu vào (A):
A1- Trong khối này có bộ phận làm mềm nước bằng plastic A1 với lưu lượng 100L/h.
A2- Làm nhiệm vụ trung hoà nước trước khi sử dụng.
QA- ðo lưu lượng khối của nguồn nước vào.
FA- Bộ lọc nước.
PA- Giám sát áp suất của nguồn nước vào.
2 – Khối nguồn nước vào (M):
M1- Bể chứa nước bằng thép có sơn lớp bảo vệ epoxy, dung tích 300L.
TM- ðo nhiệt ñộ nước.
LM- Thiết bị báo mức nước.
FM1, FM2- Các bộ lọc nước.
3 – Khối bình ngưng (B):
B1- Bình ngưng kiểu ống với hệ thống ñiều khiển áp suất và nhiệt ñộ
B3- Bơm chân không ñể bơm nước từ bể ngưng ñến nguồn nước cung cấp M1.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ..................
15Thông số kỹ thuật:
- Áp suất chân không: 735-1000mmHg.
- Tốc ñộ dòng chảy mong ñợi: 7-15m
3
/h.
TD- Bộ ñiều nhiệt số của hơi.
QD- Bộ ño lưu lượng khống chế nguồn nước vào.
6 – Khối ño lưu lượng của hơi quá nhiệt (E):
E1- Ống thu hẹp mẫu ñặt trực tiếp trong ống hơi.
PE- ðo áp suất vi sai ñể tính lưu lượng.
E2, E3- Bình chứa chất cặn trong quá trình vận hành.
7 – Khối sử dụng hơi nước (H):
H1: Turbine hơi, hoạt ñộng trong trường hợp áp suất thấp hoặc chân không, kết hợp
với bộ ñiều tốc ly tâm.
Hình 2.3. Turbine và máy phát.
Copyright: Tài liệu đại học ©