Tài liệu Nghiên cứu hệ điều khiển CENTUM CS3000 và ứng dụng trong công đoạn trộn bột nhà máy xeo Công ty giấy

ĐỀ TÀI: Nghiên cứu hệ điều khiển CENTUM CS3000 và ứng dụng trong công đoạn trộn bột nhà máy xeo Công ty giấy Bãi Bằng

lời nói đầu
Ngày nay trên thế giới, sự phát triển không ngừng của công nghệ chế tạo thiết bị tự động hoá và những thành tựu trong kỹ thuật vi mạch, công nghệ thông tin đă cho phép các chuyên gia tích hợp hệ thống có các giải pháp kỹ thuật linh hoạt, tối ưu, an toàn và hoàn toàn tự động hoá. Người sử dụng có khả năng điều hành, quan sát và quản lư toàn bộ dây chuyền sản xuất trong nhà máy bằng các thiết bị gọn nhẹ, làm việc thông minh và có độ tin cậy cao. Mét trong các giải pháp kỹ thuật hiện đại nhất để tích hợp hệ thống là tích hợp các mạng công nghiệp (Industrial Network). Mạng công nghiệp của các hăng tự động hoá hàng đầu trên thế giới đều được tích hợp theo chuẩn ISO. Điều đó có nghĩa là các thiết bị trong mạng không chỉ riêng của một hăng chế tạo mà c̣n là thiết bị của hăng khác có thể tích hợp thành một mạng hoàn chỉnh. Do vậy sẽ đạt được một kết quả tốt nhất về kỹ thuật và kinh tế.
Việc trao đổi thông tin giữa các hệ thống tự động hoá với các thiết bị phân tán được thông qua các mạng thông tin công nghiệp chuẩn. Với ứng dụng của mạng thông tin trong nhiều lĩnh vực của các nghành công nghiệp khác nhau đă chứng minh công nghệ này đạt được độ tin cậy cao.
Mạng công nghiệp trong những năm gần đây đă được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như hàng không, dầu khí, điện năng, chế biến thực phẩm, công nghiệp sản xuất xi măng, công nghiệp giấy, công nghiệp khai thác mỏ . Những hăng công nghiệp chế tạo thiết bị tự động hoá, mà giải pháp kỹ thuật của họ được định hướng như trên là ABB, Honeywell, Siemens và Yokogawa.
Ở Việt Nam mạng công nghiệp cũng được sử dụng trong nhiều nhà máy nh­: Phả Lại, Lâm Thao, Băi Bằng , .Do đó, để có được các định hướng theo hướng phát triển mới, trong đề tài tốt nghiệp của ḿnh em tập chung nghiên cứu ứng dụng Centum CS3000.
Trong phạm vi của đề tài, chúng em đă thực hiện những nội dung sau:
Phần 1: Nghiên cứu hệ thống điều khiển phân tán CENTUM CS3000: Đề cập đến các vấn đề cơ bản của mạng truyền thông và thông tin công nghiệp, đưa ra mô h́nh phân cấp, các thiết bị phần cứng, chức năng liên kết mạng trong hệ thống, đồng thời c̣n đưa ra quá tŕnh tạo một dự án mới.
Phần 2: Phần xây dựng hệ thống điều khiển CENTUM CS3000 cho công đoạn trộn bột cho nhà máy xeo, nhà máy giấy Băi Bằng: Đưa ra được thực trạng của nhà máy và quá tŕnh xây dựng hệ điều khiển cho công đoạn này, bao gồm cả chọn thiết bị phần cứng và các điểm đo lường điều khiển

PHẦN 1

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN CENTUM CS3000
CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN CHUNG VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN CÔNG NGHIỆP
I. KHÁI NIỆM CƠ BẢN.

Hệ thống Truyền thông thông tin công nghiệp thực chất là một quá tŕnh trao đổi thông tin giữa hai thiết bị với nhau theo kiểu truyền thông được quy định trước, được gọi là các đối tác truyền thông. Đối tác này có thể điều khiển hoặc quan sát các trạng thái của đối tác kia có thể thực hiện theo nhiều cách khác nhau.
Đối tác truyền thông thực chất là các thiết bị có khả năng tham gia vào quá tŕnh truyền thông. Các đối tác truyền thông có thể cùng nằm trong một thiết bị, ví dụ nh­ các CPU, các module, . là các thiết bị có khả năng tham gia vào quá tŕnh truyền thông.
Trạm là thiết bị (nh­ các hệ thống tự động hoá, thiết bị lập tŕnh, panel điều hành OP, các thiết bị ngoại vi khác) được ghép nối vào một hay nhiều mạng con (Subnetwork ).
Mạng con (Subnetwork ) là sự liên kết thống nhất của các phần tử vật lư tham gia vào quá tŕnh truyền thông trong mạng, cũng như của phương pháp truyền thông chung để đảm bảo sự trao đổi dữ liệu trong mạng được thực hiện.
Các thành viên trong mạng Subnetwork không nối với nhau theo kiểu truyền thông qua lại, mà có một cấu trúc vật lư chung của một mạng Subnetwork ( MPI, PROFIBUS, ModBus, DeviceNet, ControlNet, Industrial Ethernet ) cấu trúc này được gọi là môi trường truyền thông (Tranfer medium).
Mạng (Network) là sự liên kết thông nhất của một hay nhiều mạng con kiểu khác nhau, nó liên kết tất cả các trạm để có thể truyền thông với nhau.












[TABLE=align: left]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[/TR]
[/TABLE]














H́nh 1.1 Mạng truyền thông

Nối là tổ chức logic giữa hai đối tác truyền thông trong mạng để thực hiện một dịch vụ truyền thông nhất định nào đó. Nối liên kết trực tiếp với dịch vụ truyền thông. Mỗi một nối có có hai điểm kết thúc, hai điểm này có chứa đựng thông tin về địa chỉ của đối tác truyền thông về cấu trúc đường truyền. Những hàm truyền thông được sử dụng cho điểm cuối cục bộ để chỉ đường nối.
Những hàm truyền thông được thiết lập sẵn ở các phần mềm chuyên dụng để đáp ứng các đ̣i hỏi của dịch vụ truyền thông. Các hàm truyền thông thực hiện việc truyền dữ liệu giữa các đối tác truyền thông, có thể điều khiển các đối tác truyền thông ( ví dụ nh­ ngừng truyền thông ) hoặc giám sát các trạng thái tức thời.
Dịch vụ truyền thông và phần mềm chuyên dụng mô tả các hàm truyền thông với các tiêu chuẩn định trước, nh­ trao đổi dữ liệu, điều khiển thiết bị, giám sát các thiết bị và cài đặt chương tŕnh.
Một phần mềm chuyên dụng không cần phải thoả măn tất cả các nhiệm vụ mà dịch vụ truyền thông yêu cầu. Dịch vụ truyền thông có thể chấp nhận các phần mềm truyền thông chuyên dụng khác nhau.
Trong khi thực hiện truyền thông, một việc không thể thiếu được là khai báo giao thức truyền thông ( Protocol). Protocol thực chất là sự thoả thuận xác định một quy tắc trao đổi dữ liệu nhất định giữa các đối tác truyền thông để xác định dịch vụ truyền thông được sử dụng. Trong giao thức truyền thông cấu trúc truyền dữ liệu được định nghĩa: đường truyền vật lư, kiểu lắp đặt các đường nối, bảo vệ dữ liệu và tốc độ truyền.
Đường truyền vật lư dùng để chuyển các tín hiệu điện tử giữa các trạm. Các tín hiệu điện tử đó biểu thị các giá trị dữ liệu dưới dạng xung nhị phân. Khi lựa chọn đường truyền vật lư cần chú ư tới các đặc trưng cơ bản của chúng là dải thông (dải thông của đường truyền chính là phương truyền - được tính bằng số lượng bit được truyền đi trong một giây. Thông lượng c̣n được đo bằng một đơn vị khác là baud. Baud biểu thị số lượng thay đổi tín hiệu trong một giây.
Độ suy giảm là độ đo sự suy yếu của tín hiệu trên đường truyền. Nó cũng phụ thuộc vào độ dài của cáp. Nhiễu điện từ (EMI- Electromagnetic Interference ) gây ra bởi nhiễu điện từ bên ngoài làm ảnh hưởng
Mật độ dữ liệu là độ lớn của phạm vi lưu trữ dữ liệu không thay đổi với quá tŕnh. Phạm vi lưu trữ dữ liệu mà lớn hơn mật độ dữ liệu có thể làm sai dữ liệu tổng thể. Điều đó có nghĩa phạm vi lưu giữ số liệu mà lớn hơn mật độ dữ liệu th́ có thể xẩy ra tại một thời điểm nào đó mật độ dữ liệu bao gồm cả khối dữ liệu cũ và khối dữ liệu mới.
II. NHIỆM VỤ CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN CÔNG NGHIỆP

1. Khái niệm hệ thống thông tin công nghiệp

Hệ thống thông tin công nghiệp là một khái niệm mới trong kỹ thuật thông tin hiện đại. Nó làm nhiệm vụ thu nhận, biến đổi thông tin trong quá tŕnh đo lường điều khiển và đang là xu hướng của nền công nghiệp tự động hoá các quá tŕnh.
Hệ thống bao gồm các quá tŕnh:
- Thu thập thông tin từ đối tượng
- Gia công, xử lư thông tin
- Truyền thông tin trên kênh liên lạc
- Lưu giữ thông tin
- T́m kiếm thông tin để chọn ra những thông tin khác nhau .
Từ đó ta có thể đưa ra định nghĩa về một hệ thống thông tin công nghiệp nh­ sau :
Một hệ thống tự động đo, điều khiểu và gia công thông tin theo mét Algorithm nào đấy, được kết nối trong hệ thống mạng thực hiện việc truyền tin giữa các đối tác truyền thông trong hệ thống đó theo mét giao thức công nghiệp th́ được gọi là hệ thống thông tin công nghiệp
Sơ đồ khối của hệ thống:


[TABLE=align: left]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[/TR]
[/TABLE]





- Đối tượng nghiên cứu: Là các quá tŕnh công nghệ
- Thiết bị thu nhận thông tin: Quá tŕnh đo và biến đổi thành tín hiệu chuẩn như các sensor, các tranmiter .
- Thiết bị gia công: Chíp vi xử lư hoặc máy tính PC
- Biến truyền và thiết bị lưu giữ : Thông tin được truyền trên các đường dây nhờ các thủ tục giao thức mạng
- Thiết bị thể hiện: Thông tin được thể hiện theo nhiều cách
+ Các thiết bị cũ nh­: - Dụng cô kim chỉ
- Dụng cụ tự ghi
- Dụng cụ số
+ Các thiết bị hiện đại: Màn h́nh giám sát, Các hiển thị số .
- Bộ điều khiển: Bộ điều khiển dùng cho các hệ thống nhỏ là các Microcontroller, c̣n các hệ thống lớn là các CPU làm việcnh­ một máy tính công nghiệp
2. Nhiệm vụ của hệ thống thông tin công nghiệp :
Hệ thống thông tin công nghiệp thực hiện các nhiệm vụ sau :
2.1. Đo lường: Sử dụng phương pháp thực nghiệm để nhận được ước lượng về số lượng của đối tượng thông qua việc so sánh với mẫu . Đây là quá tŕnh quan trọng nhất bởi từ kết quả này sẽ phục vụ cho các bước tiếp theo trong hệ thống
2.2. Kiểm tra: Là so sánh trạng thái của đại lượng kiểm tra với mẫu và đưa ra tín hiệu để đánh giá .
2.3. Nhận dạng: Xác định xem có sự tương ứng giữa đại lượng cần kiểm tra với mẫu hay không
2.4 . Điều khiển: Từ các kết quả đo nhận được chúng sẽ được tính toán theo các luật điều khiển để đưa tín hiệu ra điều khiển đối tượng
2.5 . Chuẩn đoán: Để giúp cho hệ thống làm việc hiệu quả cần thiết phải chuẩn đoán t́nh trạng thiết bị. Một hệ thống chuyên kiểm tra t́nh trạng hoạt động của thiết bị th́ được gọi là hệ thống chuẩn đoán kỹ thuật .
2.6 . Tính toán: Đây là quá tŕnh tính toán theo các Algorithm từ các đại lượng đầu vào để đưa ra quyết định.
2.7. Truyền thông: Đây là quá tŕnh rất quan trọng trong hệ thống thông tin công nghiệp bởi ngày nay khi các đối tác tham gia truyền thông là rất lớn th́ vấn đề truyền thông tin đảm bảo không lỗi và hiệu quả là vấn đề đặt lên hàng đầu .
3. Các loại hệ thống thông tin công nghiệp .

3.1. Phân loại hệ thống theo sơ đồ cấu trúc.

3.1.1. Hệ thống với cấu trúc song song.




[TABLE=align: left]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[/TR]
[/TABLE]


- Đặc điểm : Các kênh làm việc độc lập với nhau.
- Ưu điểm : Độ tin cậy cao, tốc độ truyền thông tin cao, nếu hỏng một kênh các kênh kia vẫn hoạt động.
- Nhược điểm tốn kém dây dẫn, hệ thống rất phức tạp và chỉ kinh tế trong phạm vi một nhà máy.


[TABLE]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[/TR]
[/TABLE]

3.1.2. Hệ thống với cấu trúc nối tiếp.
- Đặc điểm: Hệ thống biến tín hiệu song song thành nối tiếp, mỗi tín hiệu chiếm một khoảng thời gian do người thiết kế quyết định và phụ thuộc vào sai số, tốc độ của hệ thống yêu cầu
- Ưu điểm : tiết kiệm dây dẫn dẫn đến giá thành rẻ
- Nhược điểm: Độ tin cậy thấp






3.1.3. Hệ thống với cấu trúc song song nối tiếp.


[TABLE=align: left]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[/TR]
[/TABLE]


- Ưu điểm : Độ tin cậy tăng số kênh tăng
- Nhược điểm : Phức tạp , thường được sử dụng trong các hệ thống lớn
3.1.4. Hệ thống kiểm tra tự động .

Đại lượng đo được so sánh với mẫu cho toàn hệ thống, sau đó được đưa về để xử lư kết quả đo phân tích và điều khiển
3. 2. Phân loại theo môi trường truyền đẫn.

- Hệ thống hữu tuyến: Là hệ thống sử dụng các đường truyền thông tin thông thường nh­ cáp đôi dây xoắn, cáp đồng trục .Tốc độ truyền có thể lên tới hàng Mb/s
- Hệ thống truyền vô tuyến: Là hệ thống sử dụng sóng vô tuyến truyền đi trong không gian, đường truyền này rất thích hợp với những khu vực địa h́nh phức tạp mà ở đó khả năng thực hiện một đường truyền hữu tuyến là không hiện thực. Tốc độ truyền có thể lên đến hàng Gb/s
- Hệ thống cáp quang: Đây là môi trường truyền dẫn đặc biệt, tín hiệu truyền trên đường truyền là tín hiệu quang sử dụng các bước sóng trong vùng hồng ngoại. Cáp quang có rất nhiều ưu điểm nh­: khả năng chống nhiễu điện từ cao, tính bảo mật, tốc độ truyền .
3. 3. Phân loại theo mục đích .

- Hệ thống đo lường: Đó là các hệ thống có nhiệm vụ đo lường các đại lượng vật lư, thông tin ra bằng số hoặc mang tính chất số lượng
- Hệ thống kiểm tra tự động và điều khiển: Để thực hiện việc kiểm tra (hay điều khiển ) cần thiết phải có giá trị đặt và so sánh đại lượng kiểm tra với chúng
- Hệ thống chẩn đoán kỹ thuật: Trên cơ sở của kết quả đo so sánh với mẫu để đưa ra các cảnh báo về t́nh trạng thiết bị
- Hệ thống nhận dạng : Là hệ thống nhận biết thông tin đo có giống mẫu không
3. 4. Phân loại hệ thống theo khoảng cách.

- Hệ thống gần: Là hệ thống hoạt động trong phạm vi nhà máy bán kính 2 Km. Nó thường sử dụng các chuẩn thông tinnh­ RS422, RS485
- Hệ thống xa: Là hệ thống hoạt động với bán kính lớn hơn 2 Km. Người ta thường sử dụng các phương pháp điều chế tín hiệu nh­ điều chế tần số, điều chế pha .
3. 5. Phân loại theo quy mô hiện đại hoá

3.5.1. Hệ thống tập trung quy mô nhỏ:

Cấu trúc tiêu biểu của một hệ thống điều khiển tập trung được minh hoạ nh­ h́nh bên. Một máy tính duy nhất để điều khiển các quá tŕnh con. Các bộ cảm biến và cơ cấu chấp hành được nối trực tiếp điểm - điểm với các máy tính điều khiển trung tâm qua các cổng vào ra của nó. Đặc điểm chung nhất của hệ thống này là toàn bộ quá tŕnh xử lư tập chung ở một thiết bị điều khiển duy nhất
Ưu điểm của hệ thống này là thích hợp với các loại máy móc và thiết bị và các điểm đo Ưt bởi sự đơn giản, dễ thực hiện và giá thành một lần cho máy tính điều khiển.
Tuy nhiên cấu trúc này cũng có hạn chế nh­: Viếc nối dây phức tạp, giá thành cao, việc mở rộng hệ thống gặp khó khăn. Độ tin cậy của hệ thống phụ thuộc hoàn toàn vào một máy tính điều khiển duy nhất. Nếu muốn nâng cao độ tin cậy của hệ thống phải dùng thêm một máy tính dự pḥng cho máy tính điều khiển dẫn đến giá thành cao
Điển h́nh cho các hệ thống có cấu trúc tập trung là các hệ thống:
- CAMAC : Computer Application for Measurement and Control.
- SCADA : Supervisory Control and Data Acquisition.
Cấu trúc của một hệ thống điều khiển tập trung :