CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT LÒ HƠI .1 Những yêu cầu thực tế trong việc giám sát lò hơi .2 Những hoạt động cần có trong hệ thống điều khiển, giám sát lò hơi .3 Những yêu cầu đặt ra cho hệ thống điều khiển ổn định và giám sát lò hơi 7 1. Cấp trường (Field Level). Cấp điều khiển (Control Level).
Cấp điều khiển giám sát (Supervisory Control Level) .4 Đối tượng nghiên cứu .5 Phương pháp thực hiện đề tài .6 Dự kiến kết quả đạt được. 11 CHƯƠNG II. BÀI TOÁN CÔNG NGHỆ CỦA HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG LÒ HƠI .1 Các thành phần của hệ thống lò hơi .1 Cảm biến áp suất khí nén .2 Cảm biến nhiệt độ môi trường trong lò hơi .2 Bộ điều khiển PLC .3 Phần mềm mô phỏng và giám sát hệ thống .1 Tổng quan về phần mềm WinCC .2 Các đối tượng và hệ thông strong Wincc. 34 CHƯƠNG III.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH VÀ GIÁM SÁT LÒ HƠI ……………………………………………………………….1 Các thiết bị trong hệ thống. Thiết bị có trong cấp trường .2 Thiết bị có trong cấp điều khiển.1 Lựa chọn bộ điều khiển trung tâm .1 Modun Analog mở rộng.3 Cấp điều khiển giám sát.4 Bảng địa chỉ của hệ thống điều khiển giám sát ổn định lò hơi .5 Quá trình công nghệ và lưu đồ thuật toán .1 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển giám sát lò hơi .2 Quá trình công nghệ .6 Chương trình điều khiển PLC .7 Thiết lập giao diện HMI .1 Tổng quan về màn hình HMI .2 Chi tiết các bước thực hiện. 55 CHƯƠNG IV. KẾT LUẬN VỀ ĐỒ ÁN VÀ MỤC TIÊU HƯỚNG TỚI TRONG TƯƠNG LAI .1 Kết quả thực nhiệm của hệ thống điều khiển và giám sát.2 Mục tiêu hướng tới trong tương lai.
59 Danh mục hình ảnh Hình 1 Cấu tạo của cảm biến áp suất. 14 Hình 2 Hình ảnh về cảm biến nhiệt độ. 17 Hình 3 Sơ đồ cấu tạo cơ bản của lò hơi ống lửa. 18 Hình 4 Cấu trúc cơ bản của PLC.
23 Hình 5 Cấu trúc chính của PLC. 26 Hình 6 Nguyên lý hoạt động của PLC. 27 Hình 7 Hình ảnh thực tế về một PLC. 28 Hình 8 Các đối tượng trong HMI.
36 Hình 9 Kết nối HMI với bộ điều khiển PLC. 38 Hình 10 Nút ấn Start / Stop. 39 Hình 11 Cảm biến nhiệt độ PT100. 40 Hình 12 Cảm biến áp suất D2415 - JSP.
40 Hình 13 Van xả khí mặt bích. 41 Hình 14 Hình ảnh về PLC S7 – 1200 1214C AC/DC/ RLY. 42 Hình 15 Hình ảnh về SM 1234 AI4/AQ2. 44 Hình 16 PLC Tags cho hệ thống điều khiển và giám sát lò hơi.
47 Hình 17 Sơ đồ khối của bài toán. 47 4 Hình 18 Màn hình HMI hệ thống điều khiển và giám sát lò hơi. 55 Hình 19 Các bước tạo lập thiết bị trong màn hình HMI. 55 Hình 20 Cách gắn tag cho HMI.
56 Hình 21 Gắn Animation cho đối tượng. 57 Hình 22 Sơ đồ đấu dây PLC. 58 Danh mục bảng biểu Bảng 1 Bảng biểu về các loại CPU của dòng PLC S7 - 1200. 31 Bảng 2 Thông tin về PLC S7 – 1200 1214C AC/DC/RLY.
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT LÒ HƠI 1.1 Những yêu cầu thực tế trong việc giám sát lò hơi Lò hơi công nghiệp là một thiết bị quan trọng trong nhiều quy trình sản xuất, cung cấp năng lượng dưới dạng nhiệt cho các ứng dụng khác nhau. Việc giám sát và điều khiển lò hơi một cách chính xác là yếu tố quyết định đến hiệu quả, an toàn và tuổi thọ của hệ thống. Để đạt được điều này, cần đáp ứng những yêu cầu thực tế sau: 1. Đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành: Lò hơi hoạt động ở nhiệt độ và áp suất cao, điều này tạo ra nguy cơ tiềm ẩn về cháy nổ nếu không được giám sát và kiểm soát chặt chẽ.
Hệ thống giám sát cần liên tục theo dõi các thông số như nhiệt độ, áp suất, mức nước trong lò, và phải có cơ chế cảnh báo hoặc ngắt khẩn cấp khi các thông số vượt ngưỡng cho phép. Duy trì hiệu suất và tính ổn định: Để tối ưu hóa quá trình cháy và sử dụng năng lượng, các thông số vận hành như tỷ lệ không khí/nhiên liệu, nhiệt độ hơi, và áp suất cần được duy trì ổn định. Điều này đòi hỏi hệ thống giám sát phải có khả năng điều chỉnh liên tục và chính xác để đảm bảo lò hơi hoạt động trong điều kiện tối ưu. Tính chính xác và kịp thời: Trong môi trường công nghiệp, mọi biến đổi nhỏ trong các thông số của lò hơi đều có thể ảnh hưởng lớn đến toàn bộ quy trình sản xuất.
Do đó, hệ thống giám sát cần có độ chính xác cao và khả năng phản hồi nhanh chóng để điều chỉnh và duy trì các điều kiện vận hành lý tưởng. Giảm thiểu chi phí vận hành và bảo trì: Một hệ thống giám sát hiệu quả giúp phát hiện sớm các vấn đề, từ đó giảm thiểu thời gian dừng máy và chi phí sửa chữa. Đồng thời, việc giám sát liên tục cũng giúp kéo dài 6 tuổi thọ của lò hơi thông qua việc ngăn ngừa các sự cố tiềm ẩn và duy trì điều kiện hoạt động tối ưu. Tuân thủ các tiêu chuẩn và quy định an toàn: Việc giám sát lò hơi cần tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn công nghiệp và quy định pháp lý hiện hành.
Điều này không chỉ đảm bảo an toàn cho người lao động và tài sản mà còn giúp doanh nghiệp tránh các hình phạt pháp lý và chi phí phát sinh do vi phạm quy định. Khả năng tích hợp và mở rộng: Hệ thống giám sát cần có khả năng tích hợp với các hệ thống quản lý và điều khiển khác trong nhà máy, đồng thời phải dễ dàng mở rộng khi quy mô sản xuất tăng lên. Điều này giúp đảm bảo tính linh hoạt và khả năng thích ứng với sự phát triển của công nghệ và yêu cầu sản xuất. Từ những yêu cầu thực tế đó mà hệ thống giám sát và điều khiển lò hơi đã sớm được hình thành và phát triển.
Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, kỹ thuật điện- điện tử và điều khiển tự động đóng vai trò hết sức quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học, quản lý, công nghiệp tự động hóa, cung cấp thông tin. Do đó chúng ta phải nắm bắt và vận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự nghiệp phát triển nền khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và trong sự phát triển kỹ thuật điều khiển tự động nói riêng. Với những kỹ thuật tiên tiến như vi xử lý, PLC, vi mạch số… được ứng dụng vào lĩnh vực điều khiển, thì các hệ thống điều khiển cơ khí thô sơ, với tốc độ xử lý chậm chạp ít chính xác được thay thế bằng các hệ thống điều khiển tự động với các lệnh chương trình đã được thiết lập trước.2 Những hoạt động cần có trong hệ thống điều khiển, giám sát lò hơi Hệ thống giám sát và điều khiển lò hơi sử dụng nguyên lý dùng các thiết bị cảm biến để thu thập dữ liệu về nhiệt độ, áp suất, mức nước sau đó tính toán bằng cấp điều khiển rồi ra lệnh cho cấp trường theo một thuật toán được cài đặt từ trước đó. 7 Từ nguyên lý làm việc trên ta thấy muốn hệ thống hoạt động được thì sẽ cần những thao tác sau: Thu thập dữ liệu từ các cảm biến môi trường trong lò hơi.
Xử lý tin hiệu và tính toán ra con số nhiệt độ, áp suất chính xác. Tiến hành so sánh và đưa ra các lệnh cho cấp trường gồm: Điều khiển các van, điều khiển hệ thống đốt, điều khiển hệ thống bơn nước.3 Những yêu cầu đặt ra cho hệ thống điều khiển ổn định và giám sát lò hơi Hệ thống điều khiển ổn định và giám sát lò hơi cần được thiết kế và triển khai dựa trên các yêu cầu kỹ thuật cao nhằm đảm bảo hoạt động an toàn, hiệu quả và ổn định trong mọi điều kiện vận hành. Để đạt được mục tiêu này, hệ thống cần được phân cấp và đáp ứng các yêu cầu khác nhau ở từng cấp độ: cấp trường (field level), cấp điều khiển (control level), và cấp điều khiển giám sát (supervisory control level). Cấp trường (Field Level) Cấp trường là cấp độ thấp nhất trong hệ thống, chịu trách nhiệm thu thập dữ liệu và điều khiển trực tiếp các thiết bị phần cứng.
Những yêu cầu chính đặt ra cho cấp trường bao gồm: - Cảm biến và thiết bị đo lườn: Hệ thống cần trang bị các cảm biến có độ chính xác cao để đo lường các thông số quan trọng như nhiệt độ, áp suất, mức nước, và lưu lượng nhiên liệu. Các cảm biến này phải chịu được điều kiện khắc nghiệt của lò hơi và đảm bảo độ tin cậy cao. - Thiết bị chấp hành (actuators): Cấp trường cũng bao gồm các thiết bị chấp hành như van điều khiển, bơm, và quạt. Những thiết bị này phải hoạt động ổn định, đáp ứng nhanh chóng với các lệnh điều khiển để duy trì các thông số vận hành trong giới hạn cho phép.
8 - Tính liên tục và ổn định: Cấp trường cần đảm bảo hoạt động liên tục, ổn định và có khả năng tự phục hồi trong trường hợp xảy ra lỗi. Ngoài ra, hệ thống cũng cần được bảo trì định kỳ để duy trì hiệu suất cao. Cấp điều khiển (Control Level) Cấp điều khiển là nơi xử lý dữ liệu từ cấp trường và ra quyết định để điều chỉnh hoạt động của lò hơi. Yêu cầu chính của cấp điều khiển bao gồm: - Bộ điều khiển logic lập trình (PLC) hoặc bộ điều khiển phân tán (DCS) : Cấp điều khiển cần sử dụng các bộ điều khiển mạnh mẽ như PLC hoặc DCS để xử lý dữ liệu từ các cảm biến và thiết bị chấp hành.
Bộ điều khiển phải có khả năng thực hiện các thuật toán điều khiển phức tạp như PID, điều khiển mờ (fuzzy control), hoặc các kỹ thuật điều khiển tiên tiến khác để duy trì sự ổn định của lò hơi. - Tính chính xác và nhanh nhạy: Hệ thống điều khiển cần phải chính xác trong việc đưa ra các lệnh điều chỉnh, đồng thời phản ứng nhanh chóng với các thay đổi của thông số vận hành để giữ cho lò hơi hoạt động trong các điều kiện tối ưu.