Thạc Sĩ Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển mức nước bình cấp trên nền Centum VP

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .i
LỜI CẢM ƠN . ii
MỤC LỤC . iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU .v
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
2.3. Sách lược điều khiển .28
2.4. Thiết kế bộ điều khiển .30
2.4.1. Xác định hàm truyền của biến tần và động cơ .30
2.4.2. Thiết kế bộ điều khiển theo phương pháp tối ưu đối xứng [2] .32
2.4.3. Thiết kế vòng điều khiển lưu lượng .34
2.5. Kết luận chương 2 .36iv
Chương 3. THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BÌNH CẤP TRÊN NỀN
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 Function 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 .77v
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 1-5. Cấu trúc điều khiển tập trung với vào/ra phân tán .12
Hình 1-6. Cấu trúc điều khiển phân tán với vào/ra tập trung .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. Transmitters lưu lượng ADMAG AXF025G .18
Hình 1-11. Transmittes 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 3-2. Sơ đồ cấu trúc tổng thể của CENTUM VP 38
Hình 3-3. Quá trình cài đặt HIS 42
Hình 3-4. Vị trí đặt địa chỉ Domain, Stattion và Action Mode trên card Vnet/IP 43
Hình 3-5. Nút gạt DIP cài đặt số domain .43
Hình 3-6. Nút gạt DIP cài đặt địa chỉ số station .44
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 46vii
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
Hình 3-34. Sơ đồ nối dây hoàn chỉnh các khối Function 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 P B = 75%, T I = 10s, T D =0s, với các giá trị đặt là SV = 5
l/m và 15 l/m .66
Hình 3-42. Đáp ứng lưu lượng với P B = 75%, T I = 3s, T D =0 , với các giá trị đặt là SV = 5 l/m
và 15 l/m .66
Hình 3-43. Bảng điều khiển tham số PID của điều khiển mức 67
Hình 3-44. Đáp ứng mức với P B = 30%, T I = 25s, T D =0s; với giá trị đặt lần lượt là SV = 30%
và 50% 68viii
Hình 3-45. Đáp ứng mức với P B = 10%, T I = 25s, T D =0; với giá trị đặt lần lượt là SV = 30%
và 50% 68
Hình 3-46. Sơ đồ khối chức năng của khối điều khiển PID .69
Hình 3-47. Sơ đồ khối tính toán của điều khiển PID 70
Hình 3-48. Đáp ứng lưu lượng với các giá trị đặt là 5 l/m và 15 l/m .73
Hình 3-49. Đáp ứng mức với các giá trị đặt là SV = 30% và 50% 73ix
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1. Các số domain và các vị trí bít điều chỉnh DIP 44
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 691
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]:
ã Điều khiển quá trình-PID, Cascade PID, Ratio control, Feedforward .
ã Điều khiển phân tán qua mạng FieldBus-ProfiBus, ProfiNet, .
ã Dự phòng nóng (Redundancy) và khả năng Hot plug.
ã Nạp chương trình khi hệ thống đang "chạy".
ã 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 tìm tòi nghiên cứu nhằm tạo ra một tài liệu thuận
tiện 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, tiến hành cài đặt, đấu nối thiết
bị trên thiết bị thực tại phòng thí nghiệm Điện – Điện tử trường Đại học Kỹ thuật Công
nghiệp.2
Ý nghĩa khoa học:
- Biết cách vận dụng lý thuyết để thiết kế một hệ thống điều khiển quá trình trong
công nghiệp.
- Là tài liệu chuyên khảo cho cán bộ kỹ thuật, giáo viên và sinh viên chuyên ngành
Điều khiển, Tự động hóa.
Ý nghĩa thực tiễn:
- Làm chủ được công việc thiết kế trên nền CENTUM VP cho các đối tượng trong
công nghiệp.
- 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
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
lượng nước với bộ tham số PID thiết kế được.
Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển mức nước bình cấp trên nền CENTUM
VP, bao gồm các bước cài đặt phần cứng cho HIS, cài đặt phần mềm, thiết kế đồ họa
giao diện điều khiển, chương trình điều khiển. Cuối cùng là phần thực nghiệm.