Đặt vấn đề Với sự phát triển của xã hội ngày nay, các hệ thống tự động hóa trong công nghiệp ngày càng xâm nhập vào đời sống của con người. Vì vậy, để đáp ứng nhu cầu điều khiển ngày càng cao về chất lượng, ổn định hệ thống là rất quan trọng. Hệ thống giám sát, điều khiển đa cấp được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy, xí nghiệp trên toàn thế giới. Kiểm soát, giám sát và điều khiển được cải tiến, cung cấp các tính năng cơ bản nhằm nâng cao hiệu quả và năng suất sản xuất.
Tuy nhiên, không phải thiết kế hệ thống nào cũng hoàn hảo vì thường bỏ qua đăc điểm kỹ thuật là dự phòng (hay còn gọi là redundancy). Những gì sẽ xảy ra khi hệ thống bị hư hỏng. Hầu hết các máy tính, các bộ điều khiển được thiết kế một cách đáng tin cậy nhưng hư hỏng vẫn xảy ra, đặc biệt là khi chúng được sử dụng trong một môi trường khắc nghiệt. Nếu một hoặc tất cả các phần tử quan trọng trong hệ thống không hoạt động, thời gian chờ sửa chữa dài sẽ dẫn đến nhiều tổn thất về chi phí, chất lượng công việc… Tính năng Redundancy phải được tích hợp vào hệ thống để loại trừ sự cố hư hỏng đó.
Trong các hệ thống điều khiển đa cấp với các tính năng nổi bật được áp dụng trong các nhà máy, xí nghiệp trên các dây chuyên công nghệ hiện đại và linh hoạt đem lại hiệu quả kinh tế cao. Ví dụ trong các nhà máy lọc dầu, trong các hệ thống đường dẫn nếu có sự cố xảy ra sẽ gây thiệt hại rất nhiều về tài sản, mức độ đáp ứng cho thị trường bị ảnh hưởng nghiêm trọng, gây thiệt hại cho nền kinh tế. Trong các ngành chế biến và bảo quản thủy sản, nếu chất lượng và vệ sinh an toàn thực phẩm được đặt lên hàng đầu thì các hệ thống cấp đông và giữ lạnh phải được duy trì hoạt động ổn định. Trong các ngành thủy điện cung cấp điện năng cho sử dụng dân dụng và công nghiệp.
Trong các đường hầm giao thông nhân tạo, các hệ thống thông gió… phải được tự động giám sát và kiểm tra nghiêm ngặt, các thiết bị điều khiển phải được thiết kế với chất lượng cao đồng thời phải được tích hợp phương án dự phòng để đảm bảo hệ thống luôn hoạt động ổn định, nếu có sự cố xảy ra không những gây thiệt hại rất lớn về tài sản thậm chí còn cả tính mạng con người. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1 do an Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh Vì vậy, nghiên cứu các công nghệ ứng dụng trong hệ thống điều khiển tự động, đặc biệt là nghiên cứu xây dựng kỹ thuật dự phòng (redundancy) cho hệ thống điều khiển tự động là rất cần thiết nhằm đem lại hệ thống điều khiển hoàn chỉnh, hoạt động ổn định, giảm thiểu thời gian sửa chữa các thiết bị hư hỏng và đảm bảo được độ liên tục nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế.2 Tình hình thực tế trong công nghiệp Tự động hóa được áp dụng vào tất cả các lĩnh vực hoạt động của con người Hình 1.1: Sự phát triển của tự động hóa trong công nghiệp Các phương tiện giao thông: - Ô tô: điều khiển các thiết bị riêng biệt (cửa, chỗ ngồi, radio,…), điều khiển động cơ (exhaust regulations). - Phương tiện đường sắt: có hơn 20 máy tính được nối với nhau trong một đầu máy để điều khiển các bộ phận như lực kéo, chuẩn đoán, tín hiệu, hiển thị, năng lượng… - Máy bay: có đặc điểm là yêu cầu cao về độ tin cậy, áp dụng điện tử điều khiển chuyến bay (safe flight envelope, autopilot,…), quản lý chuyến bay, ghi chép và sao lưu dữ liệu bay, chuẩn đoán, dự báo…. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2 do an Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh Các cánh tay robot: được ứng dụng nhiều trong công nghiệp chế tạo lắp ráp.
Giới hạn duỗi thẳng 2-3m (các robot vận chuyển 10-20m), có đặc điểm là thường xuyên lập trình lại cho nhiệm vụ mới, trang bị máy tính nhúng đơn giản, phân cấp điều khiển. Trạm biến áp: tự động hóa cao trong bảo vệ (đường dây, các máy biến áp, máy phát.), điều khiển đáp ứng tốc độ cao để đảm bảo độ an toàn, các vị trí đo lường, dòng điện trong lưới, tính toán năng lượng sử dụng… Ngành công nghiệp dược phẩm: tự động hóa trong nhiều khâu kiểm kê, quản lý công thức, đóng gói, thử mẫu, giám sát và theo dõi đảm bảo sản xuất tuân theo các quy định của chính phủ… Tự động hóa linh hoạt: sử dụng nhiều băng chuyền, robot, các máy gia công CNC, các trạm sơn, hậu cần…. Các kho hàng: đặc thù của những nơi này phụ thuộc vào những tính năng có sẵn của điều khiển hệ thống, có yêu cầu điều khiển kết nối tới quản lý dây chuyền cung cấp, thi hành theo thứ tự, quản lý khách hàng và tính toán thương mại… Hệ thống máy in: điều khiển động cơ (đồng bộ các trục cán), điều khiển mực in và nước, điều khiển bản giấy in (các trục quấn giấy, độ căng bản giấy, dao cắt,…), giao diện vận hành (các hệ lệnh, đèn báo…) Công nghiệp hóa chất: hệ thống tự động hóa có nhiệm vụ điều khiển tại chỗ các lò phản ứng. Trong các nhà máy sản xuất năng lượng: thủy điện, nhiệt điện, gió, quang điện 1.3 Lý do lựa chọn đề tài Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ điện – điện tử kỹ thuật số các hệ thống điều khiển dần dần được tự động hóa.
Với những kỹ thuật tiên tiến như vi xử lý, PLC, vi số mạch… được ứng dụng vào lĩnh vực điều khiển, thì các hệ thống điều khiển cơ khí thô sơ với tốc dộ xử lý chậm, ít chính xác được thay thế bằng các hệ thống điều khiển tự động với các lệnh chương trình đã được thiết lập trước. Trong quá trình hoạt động ở các nhà xưởng, xí nghiệp như hiện nay, hầu hết đêu đã đưa tự động hóa vào hoạt động sản xuất nhằm mang lại sự chính xác cho việc quản lý và thu thập dữ liệu từ các dây chuyền và sản phẩm của toàn bộ hệ thống một cách hợp lý nhất nhằm mang lại hiệu quả kinh tế, tiết kiệm thời gian và chi phí hoạt động. Bên canh đó, việc hệ thống được hoạt động liên tục là điều tất yếu cần quan tâm, các sự cố về điện và cơ có thể xảy ra trong bất kì thời điểm nào mà ta không thể kiểm soát được. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 3 do an Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh Để đáp ứng yêu cầu cho một hệ thống tự động hóa hoạt động liên tục kể cả khi có sự cố xảy ra, nhóm em đã tiến hành nghiên cứu tìm hiểu các giải pháp tối ưu để dự phòng cho các trường hợp trên nhằm mang lại hiệu quả hoạt động cho một hệ thống tự động hóa công nghiệp.
Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng chức năng điều khiển dự phòng của PLC Allen-Bradley” được nhóm em lựa chọn để giải quyết các vấn đề được nêu trên.4 Mục tiêu của đề tài Dự phòng cho hệ thống là một chức năng quan trọng trong các hệ thống điều khiển công nghiệp. Chức năng dự phòng đảm bảo cho hệ thống hoạt động được liên tục, giảm thiểu thời gian ngừng máy, nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm. Tùy theo tầm quan trọng của hệ thống, khả năng tài chính mà hệ thống được thiết kế ở nhưng cấp khác nhau. Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng chức năng điều khiển dự phòng cho PLC Allen-Bradley” tìm hiểu các giải pháp điều khiển dự phòng cho PLC về phần cứng và phần mềm.
Thử nghiệm thực tế trên hệ thống bao gồm 1 động cơ AC được kết nối với biến tần, biến tần được kết nối với bộ điều khiển ControlLogix qua module mạng DeviceNet, bộ điều khiển ControlLogix được dự phòng thông qua mạng ControlNet.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động hiện đại và công nghệ điều khiển logic khả trình dựa trên cơ sở phát triển của tin học mà cụ thể là sự phát triển của kỹ thuật máy tính. Thiết bị điều khiển logic lập trình được PLC là dạng thiết bị điều khiển đặc biệt dựa trên bộ xử lý, sử dụng bộ nhớ lập trình được để lưu trữ các lệnh và thực hiện các chức năng, chẳng hạn cho phép tính logic, lập chuỗi và các thuật toán để điều khiển máy móc và quy trình công nghệ. PLC làm công cụ hỗ trợ cho các kỹ sư, không yêu cầu cao về kiến thức máy tính và ngôn ngữ máy tính, có thể cài đặt vận hành hoặc thay đổi chương trình. Vì vậy, các thiết kế PLC phải lập trình sẵn sao cho chương trình điều khiển có thể nhập bằng cách sử dụng ngôn ngữ lập trình.
Thiết bị điều khiển PLC sẽ giám sát các tín hiệu vào và các tín hiệu ra theo chương trình này và thực hiện các quy tắc điều khiển đã được lập trình. Các PLC tương tự máy tính, nhưng máy tính được tối ưu hóa cho các tác vụ tính toán và hiển thị, còn PLC được chuyên biệt cho các tác vụ điều khiển và môi trường công nghiệp. vì vậy, các PLC - Được thiết kế bền để chịu được rung động, nhiệt độ, độ ẩm và tiếng ồn. - Có sẵn giao diện cho các thiết bị vào/ra.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4 do an Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh - Được lập trình dễ dàng với ngôn ngữ điều khiển dễ hiểu, chủ yếu giải quyết các phép toán logic và chuyển mạch. Về cơ bản, chức năng của bộ điều khiển PLC cũng giống như chức năng của bộ điều khiển thiết kế trên cơ sở các role công tắc tơ hoặc trên cơ sở các khối điện tử đó là: - Thu thập các tín hiệu vào và các tín hiệu phản hồi từ các cảm biến. - Liên kết, ghép nối các tín hiệu theo yêu cầu điều khiển và thực hiện đóng mở các mạch phù hợp với công nghệ. - Tính toán và soạn thảo các lệnh điều khiển trên cơ sở so sánh các thông tin thu thập được.
- Truyền các lệnh điều khiển đến các địa chỉ được cài đặt 1.1 Hệ thống điều khiển giám sát dự phòng PLC Allen-Badley trong công nghiệp 1.1 Đặc tính dự phòng điển hình của PLC Allen-Bradley Hệ thống ControlLogix Redundancy của Allen-Bradley với những đặc tính như: - Tối ưu hóa tính sẵn sàng điều khiển - Tuyệt đối không cần đến chương trình người dùng để thực thi. - Ngắt chuyển mạch không rung, được đảm bảo cho bất kì ngõ ra điều khiển nào. - Ngắt chuyển mạch trong suốt bất kì thiết bị nào được kết nối tới khung điều khiển dự phòng.