Nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển giám sát hoạt động của tuyến ống công nghệ nhập hàng trong kho xăng dầu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --- NGUYỄN PHẠM THANH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA TUYẾN ỐNG CÔNG NGHỆ NHẬP HÀNG TRONG KHO XĂ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN PHẠM THANH

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA TUYẾN ỐNG CÔNG NGHỆ NHẬP HÀNG TRONG KHO XĂNG DẦU

Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS NGUYỄN HUY PHƯƠNG

Hà Nội – 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung luận văn này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Nguyễn Huy Phương Các số liệu, tính toán, thiết kế, mô phỏng trong luận văn hoàn toàn trung thực và là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Học viên

Nguyễn Phạm Thanh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TỪ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHO XĂNG DẦU ĐỨC GIANG VÀ CÔNG NGHỆ NHẬP HÀNG QUA TUYẾN ỐNG 2

1.1 Hoạt động trong lĩnh vực sản xuất phân phối xăng dầu tại Việt Nam 2

1.2 Giới thiệu về kho xăng dầu Đức Giang 3

1.3 Giới thiệu một số hệ thống tự động hóa tại kho xăng dầu Đức Giang 5

1.3.1 Hệ thống đo bồn tự động 5

1.3.2 Hệ thống điều khiển giám sát quá trình xuất hàng cho xe bồn đường bộ và toa xe đường sắt 6

1.3.3 Hệ thống giám sát và điều khiển tuyến ống công nghệ nhập hàng 7

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN LOGIC KHẢ TRÌNH VÀ MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP SIEMENS 10

2.1 Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC Siemens 10

2.1.1 Khái niệm PLC thiết bị điều khiển logic khả trình - PLC 10

2.1.2 Cấu trúc của thiết bị PLC 10

2.1.3 Các module thành phần của PLC 10

2.1.4 Kiểu dữ liệu, phân chia bộ nhớ 13

2.1.5 Vòng quét chương trình 15

2.1.6 Cấu trúc chương trình 16

2.1.7 Ngôn ngữ lập trình cho PLC S7-300 17

2.2 Mạng truyền thông công nghiệp Simatic Net 17

2.2.1 Mạng PPI 18

2.2.2 Mạng MPI 19

2.2.3 Mạng AS-i 20

2.2.4 Mạng Ethernet công nghiệp 21

2.2.5 Mạng PROFIBUS 23

CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CỦA HỆ THỐNG 25

3.1 Tổng quát về giải pháp thiết kế phần cứng 25

3.2 Thiết bị lưu lượng kế 26

3.2.1 Nguyên lý thiết bị lưu lượng kế Coriolis 26

3.2.2 Chủng loại mã hiệu của lưu lượng kế 30

3.2.3 Kết nối sensor và transmitter 31

3.2.4 Kết nối đầu ra của transmitter vào mạng Profibus PA 32

3.3 Thiết bị đo Áp suất 33

3.3.1 Chủng loại thiết bị 33

3.3.2 Chi tiết thành phần cấu tạo và hoạt động 33

3.3.3 Kết nối thiết bị vào mạng Profibus PA 36

3.4 Thiết bị đo nhiệt độ 36

3.4.1 Chủng loại thiết bị 36

3.4.2 Chi tiết thành phần cấu tạo và hoạt động 37

3.4.3 Kết nối thiết bị vào mạng Profibus PA 38

3.5 Van điều khiển 39

3.5.1 Cấu tạo và đấu nối: 39

3.5.2 Các chế độ hoạt động của Van 41

3.6 Lựa chọn cấu hình PLC và giải pháp kết nối các thiết bị 44

3.6.1 Cấu hình PLC và các module mở rộng 44

3.6.2 Truyền thông từ PC xuống PLC 46

3.6.3 Mạng truyền thông từ PLC xuống các thiết bị đo 47

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIAO DIỆN PHẦN MỀM GIÁM SÁT HỆ THỐNG 48

4.1 Xây dựng thuật toán chương trình điều khiển 48

4.1.1 Phân tích yêu cầu công nghệ của hệ thống điều khiển tự động hóa tuyến ống công nghệ nhập hàng 48

4.1.2 Lưu đồ thuật toán của chương trình 49

4.1.3 Phương pháp xác định tín hiệu báo lẫn 50

4.1.4 Phân tích trình tự đóng mở van 52

4.1.5 Phân tích chương trình điều khiển van 52

4.2 Cấu hình và lập trình trên công cụ lập trình Step 7 của Siemens 55

4.2.1 Khai báo cấu hình phần cứng cho Project trong Simatic Manager 55

4.2.2 Thực hiện các bước lập trình 59

4.3 Thực hiện mô phỏng hoạt động của hệ thống 60

4.4 Giới thiệu phần mềm thiết kế giao diện WinCC 7.0 của hãng Siemens 61

4.5 Thiết kế giao diện điều khiển 62

4.5.1 Graphics Designer và các đối tượng để thiết kế đồ họa 62

4.5.2 Các thuộc tính của các đối tượng trong WinCC 65

4.5.3 Xây dựng giao diện cho hệ thống giám sát và điều khiển tuyến ống công nghệ nhập hàng 66

4.6 Thiết lập kết nối truyền thông giữa PLC và phần mềm WINCC trên máy tính điều khiển 71

4.6.1 Cách thức tạo kênh truyền thông 71

4.6.2 Tên và kết nối địa chỉ cho một biến ngoại 73

4.6.3 Thiết lập giá trị các thông số từ giao diện điều khiển trên PC xuống PLC 79

4.6.4 Các bước thiết lập đọc thông số từ PLC lên giao diện điều khiển giám sát trên máy tính 81

KẾT LUẬN 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO 85

PHỤ LỤC 86

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TỪ VIẾT TẮT

PCS: Process control system,

DCS: Distributed control system

PLC: Program Logic Controller

HMI: Human-machine interface

API: Application Program Interface

PPI: Point to Point Interface

MPI: Multi Point Interface

AS-i: Actuator Sensor Interface

IE: Industrial Ethernet

PROFIBUS: Process Field Bus

PROFIBUS FMS: Process Field Bus Fieldbus Message Specification

PROFIBUS DP: Process Field Bus Distributed Peripheral

PROFIBUS PA: Process Field Bus Process Automation

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Mô tả tuyến ống vận chuyển hàng hóa 3

Hình 1.2: Mô tả quy trình công nghệ chính tại kho xăng dầu thành phẩm 4

Hình 1.3: Hệ thống đo mức tự động bồn chứa xăng dầu 5

Hình 1.4: Hệ thống tự động hóa cấp hàng cho ô tô xitec chở hàng 6

Hình 1.5: Hệ thống điều khiển nhập tuyến ống công nghệ nhập hàng 7

Hình 2.1: Cấu trúc chung của Thiết bị điều khiển logic khả trình 10

Hình 2.2: Bố trí các module của PLC S7-300 trên rack 0 12

Hình 2.3: CPU S7-300 kết nối với các modul thành phần tối đa trên 4 rack 13

Hình 2.4: Chu trình hoạt động của PLC trong một vòng quét 15

Hình 2.5: Lập trình tuyến tính 16

Hình 2.6: Lập trình cấu trúc 16

Hình 2.7: Ba kiểu ngôn ngữ lập trình cho PLC Siemens LAD, STL, FDB 17

Hình 2.8: Sơ đồ cấu trúc nối mạng PPI 19

Hình 2.9: Sơ đồ cấu trúc nối mạng MPI 20

Hình 2.10: Sơ đồ cấu trúc nối mạng AS-i 21

Hình 2.11: Sơ đồ cấu trúc nối mạng Ethernet công nghiệp 22

Hình 2.12: Sơ đồ cấu trúc nối mạng Profibus 23

Hình 3.1: Giải pháp phần cứng cho hệ thống điều khiển tự động hóa tuyến ống nhập hàng tại kho Đức Giang 25

Hình 3.2: Hiệu ứng Coriolis khi khối chất chuyển động tương đối với vật thể quay 26

Hình 3.3: Ống thẳng – đơn khi không có dòng chảy (no flow) và có dòng chảy 28

Hình 3.4: Sự lệch pha của tín hiệu đầu ra trên hai cuộn dây đo 28

Hình 3.5: Thiết bị đo Coriolis loại ống đôi U 29

Hình 3.6: Sensor CMF400 và Transmiter model 2700 30

Hình 3.7: Các kiểu kết nối giữa Sensor và Transmitter 31

Hình 3.8: Chi tiết dấu nối sơ đồ 9 dây và 4 dây kết nối sensor và transmitter 32

Hình 3.9: Sơ đồ đấu nối Transmitter Model 2700 PA trong mạng Profibus PA 32

Hình 3.10: Thiết bị đo Sitrans P DSIII PA 33

Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý làm việc Sitrans P 34

Hình 3.12: Cảm biến đo áp suất 35

Hình 3.13: Các phím chức năng 35

Hình 3.14: Màn hình hiển thị số 35

Hình 3.15: Sơ đồ nối mạng profibus PA cho thiết bị đo áp suất 36

Hình 3.16: Thiết bị đo nhiệt độ Sitrans TF 36

Hình 3.17: Cấu tạo thiết bị đo áp suất 37

Hình 3.18: Sơ đồ khối mô tả cấu trúc của Sitrans TF 37

Hình 3.19: Sơ đồ đấu nối sensor nhiệt độ vào mạng Profibus PA 38

Hình 3.20: Cấu tạo van điện Limitorque MX05 39

Hình 3.21: Các đầu nối đường điện nguồn và điều khiển cho van 39

Hình 3.22: Chức năng các chân đấu nối của Van điện 40

Hình 3.23: Các nút điều khiển, chọn chế độ của Van điện 41

Hình 3.24: Các đèn hiển thị trạng thái hoạt động của van điện 41

Hình 3.25: Sơ đồ hình cây menu chính của van điện 42

Hình 3.26: Các menu thiết lập của van điện 42

Hình 3.27: Trình tự thiết lập vị trí đóng mở bằng điều khiển van điện tại chỗ 43

Hình 3.28: Trình tự thiết lập vị trí đóng mở bằng tay xoay van điện 43

Hình 3.29: Nguồn PS307 5A 44

Hình 3.30: Bộ xử lý trung tâm Simatic S7-300 CPU317-2DP 45

Hình 3.31: Sơ đồ các chân đấu của Module SM321 45

Hình 3.32: Sơ đồ các chân đấu của Module SM 322 46

Hình 3.33: Kết nối MPI giữa PC và PLC 46

Hình 3.34: Mô tả đấu nối thiết bị DP/PA coupler 47

Hình 4.1: Sơ đồ thuật toán của chương trình điều khiển trên PLC 49

Hình 4.2: Quá trình phát hiện lẫn hàng trong trường hợp mặt hàng mới 50

Hình 4.3: Quá trình phát hiện lẫn hàng trong trường hợp mặt hàng mới 51

Hình 4.4: Quá trình phát hiện lẫn hàng theo lượng hàng trong trường hợp mặt hàng mới và mặt hàng hiện tại cùng là xăng hoặc cùng là dầu 51

Hình 4.5: Giao diện chính của SIMATIC Manager Step7 56

Hình 4.6:Thiết lập cấu hình phần cứng trong Step 7 56

Hình 4.7: Thiết lập cấu hình mạng truyền thông giữa các thiết bị trong Step 7 58

Hình 4.8: Lập trình các khối OB trong Step 7 59

Hình 4.9: Lập trình ngôn ngữ lập trình LAD trong Step 7 59

Hình 4.10: Sử dụng PLC Sim để mô phỏng hoạt động của PLC 60

Hình 4.11: Giao diện tương tác của PLC Sim 60

Hình 4.12: Công cụ Graphics Designer trong cửa sổ WinCC Explorer 62

Hình 4.13: Cửa sổ thiết kế Graphics Designer 62

Hình 4.14: Màn hình giao diện chính của hệ thống 67

Hình 4.15:Màn hình giao diện cài đặt thông số hệ thống 68

Hình 4.16: Màn hình giám sát sự biến thiên các thông số về tỷ trọng 69

Hình 4.17: Màn hình giám sát toàn bộ các thông số trong hệ thống 70

Hình 4.18: Công cụ Tag Managerment trong WinCC 71

Hình 4.19: Các kiểu Driver truyền thông mà WinCC hỗ trợ 72

Hình 4.20:Thiết lập kiểu truyền thông MPI kết nối Win CC với PLC S7-300 73

Hình 4.21: Thiết lập các Tag Group 74

Hình 4.22: Thiết lập các từng Tag 74

Hình 4.23: Các tag liên quan đến van điện 75

Hình 4.24: Thiết lập Tag loại hàng 75

Hình 4.25: Thiết lập Tag liên quan đến thông số tỷ trọng 76

Hình 4.26: Thiết lập Tag tín hiệu lẫn 76

Hình 4.27: Thiết lập Tag nhiệt độ 77

Hình 4.28: Thiết lập Tag áp suất 77

Hình 4.29: Thiết lập Tag lượng hàng 78

Hình 4.30: Thiết lập Tag chế độ làm việc 78

Hình 4.31: Thiết lập liên kết tag với IO Field 79

Hình 4.32: Cửa sổ cấu hình cho I/OField 80

Hình 4.33: Tạo một lưu trữ thông số quá trình 81

Hình 4.34: Thêm các tag lưu trữ 82

Hình 4.35: Cấu hình cho WinCC Online Trend Control 82

MỞ ĐẦU

Ngày nay hầu hết trong các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp, tự động hóa điều khiển đã được áp dụng nhằm mục đích nâng cao chất lượng sản phẩm, năng suất lao động, tiết giảm chi phí và giải phóng con người khỏi những vị trí làm việc nguy hiểm độc hại Tại kho xăng dầu có môi trường làm việc độc hại, nguy cơ cháy

nổ cao thì nhu cầu triển khai áp dụng các giải pháp công nghệ tự động hóa điều khiển, thiết bị đo thông minh càng trở nên thiết thực và hiệu quả

Kho xăng dầu Đức Giang là một trong những kho xăng lớn tại khu vực phía bắc thuộc quản lý của Tập đoàn xăng dầu Việt Nam Tại kho xăng này các quy trình công nghệ quan trọng được áp dụng dụng tự động hóa và đem lại nhiều hiệu quả Đối với công nghệ nhập hàng cho kho xăng này có đặc thù là nhiều mặt hàng cùng được vận chuyển trên đường ống Quy trình phân tách và điều khiển van cho hệ thống nhập hàng sẽ ảnh hưởng nhiều đến chất lượng hàng hóa đầu vào của kho xăng

Luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu về hệ thống này, nhằm giải quyết bài toán công nghệ của hệ thống thông qua việc lên giải pháp thiết kế thiết bị điều

khiển, xây dựng chương trình điều khiển và giám sát cho hệ thống

Luận văn gồm 4 chương:

- Chương 1: Giới thiệu tổng quan về kho xăng dầu Đức Giang Trong đó

tập trung tìm hiểu về hệ thống giám sát và điều khiển tuyến ống công nghệ nhập hàng

- Chương 2: Tổng quan về thiết bị điều khiển logic khả trình và một số

cấu trúc mạng truyền thông công nghiệp của hãng Siemens

- Chương 3: Trình bày giải pháp thiết kế phần cứng hệ thống

- Chương 4: Xây dựng chương trình điều khiển và giám sát phần mềm

giám sát hệ thống

Để hoàn thành luận văn này tôi đã nhận được sự hướng dẫn tận tình trong thời gian qua của Thầy hướng dẫn TS Nguyễn Huy Phương Do kinh nghiệm và khả năng còn hạn chế nên luận văn này vẫn còn nhiều thiếu sót Tôi mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp hữu ích từ các thầy, cô cùng các đồng nghiệp để có thể thấy rõ những điều cần nghiên cứu bổ sung, giúp cho việc xây dựng đề tài đạt đến kết quả hoàn thiện hơn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHO XĂNG DẦU ĐỨC GIANG VÀ CÔNG NGHỆ

NHẬP HÀNG QUA TUYẾN ỐNG 1.1 Hoạt động trong lĩnh vực sản xuất phân phối xăng dầu tại Việt Nam

Ngành công nghiệp dầu khí được phân chia thành 2 lĩnh vực: Thượng nguồn (up stream): bao gồm các hoạt động liên quan đến khai thác dầu thô, chế biến các sản phẩm lọc hóa dầu Hạ nguồn (down stream): bao gồm các hoạt động liên quan đến khâu lưu kho, vận tải, phân phối bán buôn bán lẻ các sản phẩm lọc hóa dầu tới người tiêu dùng

Tại Việt Nam hiện nay tham gia trong lĩnh vực thượng nguồn có Tập đoàn dầu khí Quốc Gia Việt Nam với liên doanh Xí nghiệp Vietsopetro tham gia khai thác dầu thô trên vùng thềm lục địa Việt Nam, Nhà máy lọc hóa dầu Bình Sơn sản xuất các sản phẩm lọc hóa dầu Đối với lĩnh vực hạ nguồn kinh doanh phân phối bán buôn bán lẻ các sản phẩm lọc hóa dầu tới các doanh nghiệp và người tiêu dùng

có một số đơn vị như : Tổng công ty dầu PV Oil thuộc Tập đoàn dầu khí Quốc Gia Việt Nam, Công ty xăng dầu Quân đội, Tập đoàn xăng dầu Việt Nam – Petrolimex

Nói về luồng vận động hàng hóa xăng dầu tại thị trường nội địa của nước ta, hiện nay sản phẩm xăng dầu gồm 2 nguồn: nguồn nội địa được sản xuất từ nhà máy lọc dầu Bình Sơn – Dung Quất và nguồn nhập khẩu

Đường vận tải chính là qua đường biển các tàu dầu với dung lượng vận chuyển lớn Xăng dầu được bơm chuyển từ các tàu dầu xuống các hệ thống kho chính đặt gần cảng biển Ở phía bắc có các kho tập trung ở khu vực Bãi Cháy Thành phố Hạ Long – Tỉnh Quảng Ninh Ở phía nam có các kho tập trung ở khu vực Huyện Nhà Bè Thành phố Hồ Chí Minh Ở miền Trung và Nam Tây Nguyên có kho

ở khu vực Đà Nẵng, Khánh Hòa Các kho này thường được gọi là các kho đầu mối

Từ các kho đầu mối xăng dầu tiếp tục được vận chuyển tiếp vào các kho đặt trong nội địa Tùy theo đặc thù giao thông, địa hình mà hình thực vận chuyển từ các kho đầu mối vào các kho tuyến sau mà có thể có nhiều hình thức: Ở miền Nam với địa hình nhiều kênh rạch nên hình thức vận chuyển chủ yếu dùng xà lan Ở miền Trung thì chủ yếu là vận tải đường bộ Ở miền Bắc thì có sự đan xen: vận chuyển

giữa các kho lớn sử dụng vận chuyển bằng tuyến ống, giữa các kho lớn tới các kho

nhỏ ở các tỉnh vùng cao bằng đường bộ hoặc bằng các toa xe kéo đường sắt

1.2 Giới thiệu về kho xăng dầu Đức Giang

Tổng kho xăng đầu Đức Giang được đặt tại quận Long Biên Hà Nội Với sức chứa trên 8 vạn m3, có vị trí địa lý chiến lược nên kho xăng Đức Giang là một trong

số những kho xăng quan trọng của Tập đoàn xăng dầu Việt Nam

Hàng hóa nhập về kho Đức Giang theo hình thức vận chuyển bằng đường ống: hàng được bơm từ kho đầu mối tại Quảng Ninh hoặc bơm từ kho trung chuyển đặt tại Hải Dương Từ đây hàng hóa được vận chuyển tiêu dùng cho địa bàn Hà Nội

và các tỉnh lân cận

Hình 1.1: Mô tả tuyến ống vận chuyển hàng hóa

Các quy trình công nghệ chính trong kho xăng:

NHẬP HÀNG VÀO KHO (QUA TUYẾN ỐNG)

LƯU TRỮ VÀ BẢO QUẢN HÀNG HÓA TẠI CÁC BỒN CHỨA

CẤP XUẤT HÀNG HÓA XUẤT CHO XE BỒN, TOA XE ĐƯỜNG SẮT (THEO CÁC ĐƠN HÀNG)

Hình 1.2: Mô tả quy trình công nghệ chính tại kho xăng dầu thành phẩm

1.3 Giới thiệu một số hệ thống tự động hóa tại kho xăng dầu Đức Giang

1.3.1 Hệ thống đo bồn tự động

Chức năng: Hệ thống cho phép kiểm soát lượng hàng thực tế trên các bể chửa theo

gian thực

Cấu trúc hệ thống:

Hình 1.3: Hệ thống đo mức tự động bồn chứa xăng dầu

Các sensor đo bể được lắp đặt tại các bể trụ Thông tin chiều cao hàng hóa (các loại xăng dầu được đưa về máy chủ trung tâm) Dựa trên barem bể chứa tương ứng sẽ xác định chính xác lượng hàng hiện tại trong các bể

Hiệu quả đem lại:

Hệ thống đo bồn tự động đưa vào hoạt động đã khắc phục được phương pháp

cũ là công nhân phải đi đo bể bằng thước tay một ngày 2 lần, số liệu đo không liên tục, độ chính xác không cao do yếu tố chủ quan của con người

Hệ thống cho phép bộ phận quản lý hàng hóa có thể kiểm soát lượng hàng

theo thời gian thực Từ đó có thể thiết lập kế hoạch nhập hàng, xuất hàng phù hợp

1.3.2 Hệ thống điều khiển giám sát quá trình xuất hàng cho xe bồn đường bộ

và toa xe đường sắt

Chức năng: Thực hiện việc cấp xuất hàng hóa cho xe bồn một cách chính xác theo

đúng dung tích các ngăn chứa của xe

Cấu trúc hệ thống:

Hình 1.4: Hệ thống tự động hóa cấp hàng cho ô tô xitec chở hàng

Mỗi họng xuất hàng được trang bị các bộ điều khiển (batch controller) kết hợp với các thiết bị lưu lượng kế (có bộ phát xung), sensor nhiệt độ, van điện Bộ điều khiển batch controller sẽ điều khiển xuất hàng cho xe bồn chính xác theo lượng đặt trước (theo yêu cầu của các đơn hàng)

Hiệu quả đem lại:

Hệ thống tự động hóa cấp xuất cho xe bồn, toa xe đường sắt giúp cho năng lực cấp xuất hàng hóa tăng lên, đảm bảo tính an toàn, giảm thiểu việc tiếp xúc với xăng dầu cho công nhân vận hành

Khắc phục được các nguy cơ tiềm ẩn nhiều rủi ro so với phương pháp cũ là người công nhân điều khiển bơm hàng bằng tay, dễ xảy ra hiện tượng bơm tràn hàng hoặc hiện tượng gian lận trong quá trình cấp xuất

1.3.3 Hệ thống giám sát và điều khiển tuyến ống công nghệ nhập hàng

Do yếu tố lịch sử để lại và sự khó khăn trong việc mở rộng xây dựng mới nên việc nhập hàng từ các kho cảng đầu mối về kho Đức Giang cho đến nay hiện vẫn sử dụng một tuyến đường ống chung để nhập tất cả các sản phẩm xăng dầu (tổng cộng có 4 loại mặt hàng: xăng RON 95, RON 92, Diezen 0.05%S, Diezen 0.25%S) Đây là hệ thống đặc thù với các kho trung chuyển lớn có vị trí sâu trong nội địa, nhập hàng sản lượng lớn bằng tuyến đường ống

Hình 1.5: Hệ thống điều khiển nhập tuyến ống công nghệ nhập hàng

- Cảm biến nhiệt độ: sử dụng để xác định nhiệt độ dòng chất lỏng

- Hệ thống các van điều khiển: đóng mở các nhánh tuyến ống dẫn

- Thiết bị PLC: thu nhận dữ liệu từ bộ lưu lượng kế, các cảm biến nhiệt độ, đồng thời đóng vai trò là thiết bị xử lý các thông số đo từ đó đưa ra các quyết định điều khiển van theo các thuật toán đã được lập trình

Kết luận chương 1:

Chương này giới thiệu khái quát về một số hệ thống tự động hóa đang được

áp dụng tại kho xăng dầu Đức Giang Trong đó có giới thiệu hệ thống điều khiển giám sát hoạt động của tuyến ống công nghệ nhập hàng tại kho xăng dầu Đức Giang Đây là hệ thống có nhiệm vụ phát hiện và phân tách các loại hàng hóa được vận chuyển liên tục kế tiếp nhau trên cùng 1 tuyến ống

Trên tuyến ống hiện đang sử dụng bơm chung hai loại mặt hàng xăng và hai loại mặt hàng dầu Dựa trên đặc điểm giữa xăng và dầu có dải tỷ trọng khác biệt nên căn cứ phân tách là sử dụng chỉ số đo về tỷ trọng Trong trường các hàng bơm liên tục cùng là xăng hoặc cùng là dầu thì chỉ số đo về tỷ trọng không thể phân biệt được nên sử dụng phương pháp tách lượng để phân tách chuyển loại hàng hóa Yêu cầu

hệ thống điều khiển giám sát hoạt động tuyến ống công nghệ nhập hàng là thực hiện giám sát các thông số đo tỷ trọng và lượng hàng một cách chính xác từ đó thực hiện các quyết định đóng mở van tương ứng với các loại hàng đảm bảo đúng và không gây gián đoạn quá trình bơm hàng

Đây chính là hệ thống mà luận văn này sẽ tập trung vào tìm hiểu nghiên cứu các thiết bị ứng dụng trong hệ thống, xây dựng hệ thống giám sát điều khiển đảm bảo hoạt động chính xác ổn định

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN LOGIC KHẢ TRÌNH VÀ

MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP SIEMENS

2.1 Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC Siemens

2.1.1 Khái niệm PLC thiết bị điều khiển logic khả trình - PLC

Thiết bị điều khiển logic khả trình (Programmable Logic Controller) viết tắt

là PLC ra đời cho phép thực hiện các linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua lập trình điều khiển thay thế phương pháp điều khiển truyền thống dùng rơle và thiết bị rời cồng kềnh Với việc sử dụng PLC cho phép chúng ta hiệu chỉnh hệ thống điều khiển mà không cần có sự thay đổi nào về mặt kết nối dây, sự thay đổi chỉ là thay đổi chương trình điều khiển

2.1.2 Cấu trúc của thiết bị PLC

Để có thể thực hiện được một chương trình điều khiển, PLC phải có một bộ

vi xử lý (CPU), một hệ điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển, dữ liệu và tất nhiên phải có các cổng vào/ra để giao tiếp với đối tượng điều khiển và để trao đổi thông tin với môi trường xung quanh Bên cạnh đó nhằm phục vụ bài toán điều khiển số, PLC còn cần phải có thêm các khối chức năng đăc biệt khác như bộ đếm (Counter), bộ thời gian (Timer)…và những khối hàm chuyên dụng

Bộ nhớ chương trình

Khối vi xử lý trung tâm +

Hệ điều hành

Bộ đệm Vào + Ra

Timer Counter Bit Cờ

Cổng vào ra onboard

Cổng ngắt và đếm tốc độ cao

Quản lý ghép nối

được không bị khoá cứng về cấu hình PLC được chia thành các module nhằm tăng tính mềm dẻo linh hoạt

Số module được sử dụng nhiều hay ít tuỳ thuộc vào từng bài toán, tuy nhiên tối thiểu bao giờ cũng phải có một module chính là module CPU Các module còn lại là những module truyền nhận tín hiệu với các đối tượng điều khiển, các module chức năng chuyên dụng như PID, điều khiển động cơ Chúng được gọi là các module mở rộng Tất cả các module được gá lên những thanh ray (Rack)

2.1.3.a Module CPU

Module CPU chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ thời gian, bộ đếm, cổng truyền thông RS485 Và có thể có một số cổng vào ra số Các cổng vào

ra số có trên module CPU gọi là cổng vào ra onboard Trong họ PLC S7-300 có nhiều loại module CPU khác nhau ví dụ như module CPU312, module CPU314, module CPU315

Những module cùng sử dụng một loại bộ vi xử lý, nhưng khác nhau về cổng vào/ra onboard cũng như các khối hàm đặc biệt được tích hợp sẵn trong thư viện của hệ điều hành phục vụ việc sử dụng các cổng vào/ra onboard này sẽ được phân biệt với nhau trong tên gọi bằng thêm cụm từ chữ cái IFM (viết tắt của Intergrated Funcion Module) Ví dụ module CPU312 IFM, module CPU314 IFM…

Ngoài ra còn có các module CPU với hai cổng truyền thông, trong đó cổng truyền thông thứ hai có chức năng chính là phục vụ nối mạng phân tán Các loại module CPU được phân biệt với các module CPU khác bằng thêm cụm từ DP (Distributed Port) trong tên gọi Ví dụ module CPU 315-DP

2.1.3.b Các module mở rộng

PS (Power Supply): Module nguồn nuôi, có 3 loại 2A, 5A và 10A

SM (Signal module): Module mở rộng cổng tín hiệu vào/ra bao gồm:

- DI (Digital Input): Module mở rộng các cổng vào số Số các cổng vào số mở

rộng có thể là 8, 16 hoặc 32 tuỳ thuộc vào từng loại module

- DO (Digital Output): Module mở rộng các cổng ra số Số các cổng ra số mở

rộng có thể là 8, 16 hoặc 32 tuỳ thuộc vào từng loại module

- DI/DO (Digital Input/Digital Output): Module mở rộng các cổng vào/ra số

.Số các cổng vào/ra số mở rộng có thể là 8 vào/8 ra, 16 vào/16 ra tuỳ thuộc vào từng loại module

- AI (Analog Input): Module mở rộng các cổng vào tương tự Chúng chính là

những bộ chuyển đổi tương tự số 12 bit (AD), tức là mỗi tín hiệu tương tự

được chuyển thành một tín hiệu số (nguyên) có độ dài 12 bit Số cổng vào tương tự có thể là 2, 4 hoặc 8 tuỳ thuộc vào từng loại module

- AO (Analog Output): Module mở rộng các cổng ra tương tự Chúng chính là

những bộ chuyển đổi tương tự số 12 bit (DA) Số cổng vào tương tự có thể là 2.4 hoặc 8 tuỳ thuộc vào từng loại module

- AI/AO (Analog Input/Analog Output): Module mở rộng các cổng vào/ra

tương tự Số cổng vào/ra tương tự có thể là 4 vào/2 ra hoặc 4 vào/ 4 ra tuỳ thuộc vào từng loại module

IM (Interface module): module ghép nối, đây là loại module chuyên dụng có

nhiệm vụ nối từng nhóm các module mở rộng lại với nhau thành một khối và được quản lý chung bởi một module CPU Thông thường các module mở rộng được gá liền nhau trên một thanh đỡ gọi là rack

Trên mỗi rack chỉ có thể gá được nhiêu nhất 8 module mở rộng (không kể module CPU và module nguồn nuôi)

Mỗi module được gán một số slot tính từ trái sang phải, module nguồn là slot 1, module CPU slot 2, module kế tiếp theo mang số 4…

Hình 2.2: Bố trí các module của PLC S7-300 trên rack 0

Mỗi một module CPU S7-300 có thể làm việc trực tiếp được nhiều nhất 4 rack

và các rack này phải được nối với nhau bằng một module IM CPU ở rack 0 slot 2,

kế đó là module phát IM360 slot 3, có nhiệm vụ kết nối rack 0 với các rack 1, 2, 3 Trên mỗi rack 1, 2, 3 này có module kết nối IM361, bên phải mỗi module IM là các module SM/FM/CP

Hình 2.3: CPU S7-300 kết nối với các modul thành phần tối đa trên 4 rack

FM (Function module): module có chức năng điều khiển riêng, ví dụ module điều

khiển động cơ bước, module điều khiển động cơ servo, module PID, module điều khiển vòng kín

CP (Communication module): module phục vụ truyền thông trong mạng giữa các

PLC với nhau hoặc PLC với máy tính

2.1.4 Kiểu dữ liệu, phân chia bộ nhớ

Kiểu dữ liệu:

Các kiểu dữ liệu được sử dụng trong S7-300

- BOOL: với dung lượng một bit và có giá trị 1 hoặc 0 (đúng hoặc sai) Đây là kiểu dữ liệu cho biến hai trị

- BYTE: gồm 8 bit, thường được biểu diễn một số nguyên dương từ 0 đến 255 hoặc là mã ASCII của một ký tự

- WORD: gồm 2 byte, biểu diễn số nguyên từ 0 đến 65535

- INT: cũng có dung lượng 2 byte, dùng để biểu diễn một số nguyên từ –32768 đến 32767

- DINT: gồm 4 byte, dùng để biểu diễn số nguyên từ –2147483648 đến

2147483647

- REAL: gồm 4 byte, dùng để biểu diễn số thực có dấu phẩy động

- S5T: khoảng thời gian, được tính bằng giờ, phút, giây, miligiây

- TOD: biểu diễn giá trị thời gian tính theo giờ/phút/giây

- DATE: biểu diễn giá trị thời gian tính theo năm/tháng/ngày

- CHAR: biểu diễn một ký tự hay nhiều ký tự (nhiều nhất là 4 ký tự)

Cấu trúc bộ nhớ của CPU

Bộ nhớ S7-300 chia làm ba vùng chính:

Vùng chứa chương trình ứng dụng: Chia thành 3 miền:

- OB (Organization Block): Miền chứa chương trình tổ chức

- FC (Function): Miền chứa chương trình con, được tổ chức thành hàm và có biến hình thức để trao đổi dữ liệu với chương trình gọi nó

- FB (Function Block): Miền chứa chương trình con, được tổ chức thành hàm

và có khả năng trao đổi dữ liệu với bất kỳ một khối chương trình nào khác Các dữ liệu này phải được xây dựng thành một khối dữ liệu riêng (gọi là DB – Data Block)

Vùng chứa tham số của hệ điều hành và chương trình ứng dụng, được chia thành 7 miền khác nhau, bao gồm:

- I (Process image input): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng vào số

- Q (Process image output): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng ra số

- PQ: Miền địa chỉ cổng ra của các module tương tự (I/O External output) Truy nhập miền nhớ PQ theo các kiểu biến byte (PQB), từ đơn (PQW) hay từ kép (PQD)

Vùng chứa các khối dữ liệu được chia làm 2 loại:

- DB (Data Block): miền chứa dữ liệu được tổ chức thành hình khối

- L (Local data bolck): Miền dữ liệu cục bộ

Bộ đệm I và Q không liên quan đến các cổng vào ra tương tự nên các lệnh truy nhập cổng tương tự được thực hiện trực tiếp với cổng vật lý chứ không thông qua bộ đệm

Hình 2.4: Chu trình hoạt động của PLC trong một vòng quét

Thời gian cần thiết để PLC thực hiện được một vòng quét gọi là thời gian vòng quét (scan time) Thời gian vòng quét không cố định, tức là không phải vòng quét nào cũng thực hiện trong một khoảng thời gian như nhau Có vòng quét được thực hiện lâu, có vòng quét được thực hiện nhanh tuỳ vao số lệnh chương trình được thực hiện và khối lượng dữ liệu được truyền thông trong vòng quét đó

Như vậy giữa việc đọc dữ liệu từ đối tượng để xử lý, tính toán và việc gửi tín hiệu điều khiển tới đối tượng có một khoảng thời gian trễ đúng bằng thời gian vòng quét Nói cách khác, thời gian vòng quét quyết định tính thời gian thực của chương trình điều khiển của PLC Thời gian vòng quét càng ngắn, tính thời gian thực của chương trình càng cao

Truyền thông nội

bộ và kiểm tra lỗi

Thực hiện chương trình

Chuyển dữ liệu từ bộ đệm ảo Q tới cổng ra

Chuyển dữ liệu từ cổng vào tới bộ đệm ảo I VÒNG QUÉT

Hình 2.6: Lập trình cấu trúc

2.1.7 Ngôn ngữ lập trình cho PLC S7-300

Các loại PLC nói chung thường có ba Ngôn ngữ lập trình để phục vụ các đối tượng sử dụng khác nhau:

- Ngôn ngữ “kiểu liệt kê”, kí hiệu là STL (Statement List) Đây là dạng của

ngôn ngữ Assembler máy tính

- Ngôn ngữ “hình thang”, kí hiệu là LAD (Ladder Logic) Đây là ngôn ngữ

theo kiểu thiết kế mạch điều khiển logic rơle

- Ngôn ngữ “hình khối”, kí hiệu là FDB (Function Block Diagram) Đây là

ngôn ngữ theo kiểu thiết kế mạch điều khiển logic số

Hình 2.7: Ba kiểu ngôn ngữ lập trình cho PLC Siemens LAD, STL, FDB

2.2 Mạng truyền thông công nghiệp Simatic Net

Simatic Net là mạng truyền thông cho phép kết nối với các bộ điều khiển của SIEMENS, các máy tính chủ, các trạm làm việc Simatic Net bao gồm các mạng truyền thông, các thiết bị truyền dữ liệu, các phương pháp truyền thông dữ liệu, các giao thức và dịch vụ truyền dữ liệu giữa các thiết bị, các module cho phép kết nối mạng LAN (CP–Communication Processor hoặc IM–Interface Module)

Với hệ thống Simatic Net, Siemens cung cấp hệ thống truyền thông mở cho nhiều cấp khác nhau của các quá trình tự động hoá trong môi trường công nghiệp

Hệ truyền thông Simatic Net dựa trên nhiều tiêu chuẩn quốc tế ISO/OSI (International Standardization Organisation/ Open System Interconnection) Cơ sở của các hệ thống truyền thông này là các mạng cục bộ (LANs), có thể thực hiện

theo nhiều cách khác nhau: điện học, quang học, không dây hoặc kết hợp cả ba cách trên

Theo các yêu cầu về chức năng các lớp trong tổ chức điều hành, quản lý sản xuất thì mạng công nghiệp được chia thành nhiều cấp bao gồm: cấp điều hành quản

lý, cấp phân xưởng, cấp trường và cấp cơ cấu chấp hành – cảm biến – đối tượng Theo phương pháp tổ chức hệ thống như trên SIMATIC cung cấp các loại sub-net như:

PPI có những tính chất đặc trưng sau đây:

- Ghép nối giữa hai thiết bị truyền thông một cách trực tiếp hay thông qua driver đặc biệt

- Có thể sử dụng các thủ tục riêng được định nghĩa truyền kiểu ASCII

Thông số kỹ thuật của PPI:

- Số lượng trạm 2

- Cổng vật lý RS 232C (V24) 20mA (TTY) RS 422/485

- Tốc độ truyền 300 bit/s¸ 76,8 Kbit/s cho cổng RS 232C ;300 bit/s ¸ 19,2 Kbit/s cho cổng RS 422/485

- Khoảng cách truyền 10 m cho cổng RS 232 ; 1000 m cho cổng RS422/485

- Dịch vụ truyền thông ASCII-Driver3964 (R), RK 512, Print driver và các loại Driver đặc biệt khác

Hình 2.8: Sơ đồ cấu trúc nối mạng PPI

2.2.2 Mạng MPI

MPI (Multi Point Interface) là một subnet của SIMATIC Mạng MPI được sử dụng cho cấp trường hay cấp phân xưởng với yêu cầu về khoảng cách giữa các trạm không lớn Mạng chỉ cho phép liên kết với một số thiết bị của SIMATIC như S7/M7

và C7 Thiết lập mạng MPI phục vụ cho mục đích ghép nối một số lượng hạn chế các trạm (không quá 32 trạm) và dung lượng truyền thông nhỏ với tốc độ truyền tối

đa là 187.5Kbps Phương pháp thâm nhập đường dẫn được chọn cho mạng MPI là Token Passing

Mạng MPI có những đặc điểm cơ bản sau:

- Các thiết bị trong mạng thuộc SIMATIC S7/M7 và C7 vì vậy cho phép thiết lập mạng đơn giản

- Mạng được thiết lập với số lượng hạn chế các thành viên và chỉ có khả năng trao đổi một dung lượng thông tin nhỏ

- Truyền thông thông qua bảng dữ liệu toàn cục gọi tắt là GD (Global Data) Bằng phương pháp này cho phép thiết lập bảng truyền thông giữa các trạm trong mạng trước khi thực hiện truyền thông

- Có khả năng liên kết nhiều CPU và PG/OP với nhau

Các thông số kỹ thuật của mạng MPI:

- Chuẩn SIEMENS

- Số trạm cho phép Max 32

- Phương pháp thâm nhập đường dẫn Token Passing

- Tốc độ truyền thông Max 187,5 Kbit/s

- Môi trường truyền dẫn Đôi dây kép có bọc kim chống nhiễu, cáp quang (thuỷ tinh hoặc chất dẻo)

- Chiều dài lớn nhất của mạng 50 m, với Repeater 1100 m,với cáp quang qua OLM>100 km

- Cấu trúc mạng (Topology) Đường thẳng, cây, hình sao và vòng tròn

- Dịch vụ truyền thông: Các hàm chức năng của S7Bảng dữ liệu truyền thông toàn cục (GD)

Hình 2.9: Sơ đồ cấu trúc nối mạng MPI

2.2.3 Mạng AS-i

AS-i (Actuator Sensor Interface) giao diện cảm biến cơ cấu chấp hành, mạng chỉ có một chủ duy nhất Phương pháp thâm nhập đường dẫn là phương pháp Master – Slave, một phương pháp hoàn toàn tối ưu cho những mạng chỉ có duy nhất một thiết bị là chủ AS-i sẽ có cấu trúc thật là đơn giản nếu như các cơ cấu chấp hành và các cảm biến đều là các thiết bị kiểu số (Digital Input/Digital Output – DI/DO), khi thiết bị kiểu analog phải sử dụng các bộ chuyển đổi tín hiệu chuẩn của SIEMENS Trong mạng chỉ có trạm chủ có quyền điều khiển quá trình trao đổi thông tin Trạm chủ (Master) gọi tuần tự từng trạm tớ (Slave) tới một và đòi hỏi các trạm này gửi dữ liệu lên trên trạm chủ hoặc nhận dữ liệu từ trạm chủ

Những tính chất đặc trưng của AS-i:

- AS-i là mạng tối ưu cho các thiết bị chấp hành và cảm biến số Quá trình trao đổi dữ liệu được thực hiện thông qua đường dẫn từ cơ cấu chấp hành/cảm biến với trạm chủ, đường dẫn này đồng thời là đường cung cấp nguồn cho các cảm biến

- AS-i có thể ghép nối với các cơ cấu chấp hành có kích thước 1 bit đến 8 bit theo tiêu chuẩn IP 65 và liên kết trực tiếp với quá trình

- Hoạt động của AS-i không cần thiết lập cấu hình trước

Các thông số kỹ thuật của AS-i:

- Chuẩn : AS-i theo chuẩn IEC TG 178

- Số lượng trạm cho phép: 1 Master và max 31 Slave

- Phương pháp thâm nhập đường dẫn : Master – Slave

- Tốc độ truyền: 167 Kbit/s

- Môi trường truyền thông: Dây dẫn thẳng không bọc

- Khoảng cách giữa các thiết bị trong mạng : 300 m với Repeater

- Kiểu nối : Đường thẳng, cây, sao

- Dịch vụ truyền thông : AS-i Function

Hình 2.10: Sơ đồ cấu trúc nối mạng AS-i

2.2.4 Mạng Ethernet công nghiệp

IE (Industrial Ethernet) mạng Ethernet công nghiệp là mạng phục vụ cho cấp quản lý và cấp phân xưởng để thực hiện truyền thông giữa máy tính và các hệ thống

tự động hoá Nó phục vụ cho việc trao đổi một lượng thông tin lớn, truyền thông trên một phạm vi rộng Các bộ xử lý truyền thông dùng trong mạng luôn kiểm tra xem đường dẫn có bị chiếm dụng không Nếu không thì một trạm nào đó trong mạng có thể gửi điện tín đi, khi xảy ra xung đột trên mạng vì có hai trạm gửi thì ngừng ngay lại và quá trình gửi điện tín được thực hiện lại sau một thời gian nhất định, thời gian này được xác định theo luật toán học ngẫu nhiên

Mạng Ethernet công nghiệp có những tính chất đặc trưng sau:

- Mạng Ethernet công nghiệp sử dụng thủ tục truyền thông ISO và TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol)

- Theo phương pháp thâm nhập đường dẫn đã chọn (CSMA/CD – Carrier Sense Multiple Access with Collision Detecion) thì các thành viên trong mạng Ethernet công nghiệp đều bình đẳng với nhau

- Theo tiêu chuẩn truyền thông ISO và ISO on TCP thì các trạm không phải của SIEMENS cũng có khả năng tích hợp vào mạng, nói một cách khác Ethernet công nghiệp là mạng truyền thông mở

Các thông số của mạng Ethernet công nghiệp:

- Chuẩn truyền thông IEEE 802.3

- Kiểu nối : Đường thẳng, cây, hình sao và vòng tròn

- Dịch vụ truyền thông : S7-FunctionISO-TransportISO-on-TCP

Hình 2.11: Sơ đồ cấu trúc nối mạng Ethernet công nghiệp

2.2.5 Mạng PROFIBUS

PROFIBUS - Process Field Bus Đây là một chuẩn truyền thông được SIEMENS phát triển từ năm 1987 trong DIN 19245 PROFIBUS được thiết lập theo phương pháp hệ truyền thông mở, không phụ thuộc vào nhà chế tạo (Open Communication Network) phục vụ cho các cấp phân xưởng và cấp trường Mạng PROFIBUS tuân theo chuẩn EN 50170 cho phép kết nối các bộ điều khiển PLC, các thiết bị vào/ra phân tán, các bộ lập trình PC/PG, các cơ cấu chấp hành, các thiết bị hãng khác

Hình 2.12: Sơ đồ cấu trúc nối mạng Profibus

Mạng PROFIBUS được cung cấp theo ba chủng loại:

2.2.5.a PROFIBUS – DP (Distributed Peripheral) phục vụ cho việc trao đổi

thông tin nhỏ nhưng đòi hỏi tốc độ truyền nhanh PROFIBUS – DP được xây dựng tối ưu cho việc kết nối các thiết bị trường với máy tính điều khiển PROFIBUS –

DP phát triển nhằm đáp ứng yêu cầu cao về tính năng thời gian trong trao đổi dữ liệu, giữa cấp điều khiển cũng như các bộ PLC hoặc các máy tính công nghiệp với các ngoại vi phân tán ở cấp trường như các thiết bị đo, truyền động và van Việc trao đổi chủ yếu được thực hiện tuần hoàn theo cơ chế Master/Slave Với số trạm tối đa trong một mạng là 126, PROFIBUS – DP cho phép sử dụng cấu hình một trạm chủ (Mono Master) hoặc nhiều trạm chủ (Multi Master) Một đặc trưng nữa của PROFIBUS – DP là tốc độ truyền cao, có thể lên tới 12 Mbit/s

2.2.5.b PROFIBUS – FMS (Fieldbus Message Specification) trao đổi lượng

thông tin trung bình giữa các thành viên bình đẳng với nhau trong mạng PROFIBUS – FMS được dùng chủ yếu cho việc nối mạng các máy tính điều khiển

và giám sát Mạng này chỉ thực hiện ở các lớp 1, 2, 7 theo mô hình quy chiếu OSI

Do đặc điểm của các ứng dụng trên cấp điều khiển và điều khiển giám sát, dữ liệu chủ yếu được trao đổi với tính chất không định kỳ

2.2.5.c PROFIBUS – PA (Process Automation) được thiết kế riêng cho những

khu vực nguy hiểm PROFIBUS – PA là sự mở rộng của PROFIBUS – DP về phương pháp truyền dẫn an toàn trong môi trường dễ cháy nổ theo chuẩn IEC 61158-2 PROFIBUS – PA là loại bus trường thích hợp cho các hệ thống điều khiển phân tán trong các ngành công nghiệp hoá chất và hoá dầu Thiết bị chuyển đổi (DP/PA-Link) được sử dụng để tích hợp đường mạng PA với mạng PROFIBUS DP Điều này đảm bảo cho toàn bộ thông tin có thể được truyền liên tục trên hệ thống mạng PROFIBUS bao gồm cả DP và PA

Kết luận chương 2:

Siemens là một trong các hãng hàng đầu thế giới trong lĩnh vực sản xuất cung cấp các giải pháp tổng thể về tự động hóa bao gồm từ thiết bị điều khiển, hệ thống phần mềm giám sát Tại Việt Nam, các thiết bị tự động hóa của Siemens cũng đã được sử dụng khá phổ biến trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như các nhà máy xi măng, giấy, thép và các kho xăng dầu Chất lượng, tính năng linh hoạt của các thiết bị đã được kiểm chứng qua thực tế sử dụng

Dựa trên những yếu tố đã phân tích trên, nên đối với giải pháp hệ thống điều khiển giám sát hoạt động của tuyến ống công nghệ nhập hàng đề xuất sử dụng thiết

bị điều khiển (PLC) của hãng Siemens

Chương này đã trình bày về hệ thống thiết bị điều khiển logic khả trình PLC cũng như một số kiến trúc mạng truyền thông công nghiệp của Siemens Đây là cơ

sở cho việc lựa chọn chi tiết chủng loại cấu hình thiết bị phần cứng và lập trình điều khiển cho hệ thống sẽ được trình bày ở các chương tiếp theo

CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CỦA HỆ THỐNG

Trong chương này trình bày một số nội dung chính như sau: Chủng loại, cấu tạo, hoạt động của các thiết bị đo lưu lượng kế, các sensor cảm biến và van điều khiển; Xây dựng cấu hình các module phần cứng của PLC

3.1 Tổng quát về giải pháp thiết kế phần cứng

PLC

Trans

mitter

Kết nối mạng truyền thông

Hình 3.1: Giải pháp phần cứng cho hệ thống điều khiển tự động hóa tuyến ống

nhập hàng tại kho Đức Giang

Các thiết bị trường gồm: sensor nhiệt độ, sensor áp suất, cảm biến lưu lượng kế đo

tỷ trọng, hệ thống các van điện điều khiển

Thiết bị điều khiển trung tâm:

- Thiết bị PLC và các module mở rộng

- Tủ điều khiển (bao gồm tổ hợp mạch điều khiển rơle, hệ thống đèn báo, nút bấm )

Mạng truyền thông và điều khiển:

- Truyền thông PLC với các sensor nhiệt độ Sistrans TF, áp suất Sistran P, thiết bị lưu lượng kế Micromotion sử dụng giao thức mạng Profibus PA

- Truyền thông PLC với Máy tính SCADA dùng giao thức mạng MPI

- Đối với Van điện các tín hiệu trạng thái van được đưa về các DI của PLC Tín hiệu điều khiển van sẽ được lấy ra từ các DO của PLC

3.2 Thiết bị lưu lượng kế

Các thiết bị lưu lượng kế sử dụng cho đo lường các sản phẩm xăng dầu khá

đa dạng và phong phú, hoạt động dựa trên các nguyên lý đo khác nhau: nguyên lý chênh lệch áp suất, nguyên lý điện từ, nguyên lý siêu âm Nhưng thiết bị đo hoạt động theo nguyên lý Coriolis được đánh giá cao và đã được đưa vào sử dụng khá phổ biến tại các công trình như Nhà máy lọc dầu Dung Quất, nhà máy điện khí Cà Mau và trực tiếp là tại các kho xăng dầu của Petrolimex Với một cùng một chi phí đầu tư, có thể cung cấp nhiều đại lượng đo với độ chính xác cao: đo khối lượng, thể tích, tỷ trọng chất lỏng Việc lắp đặt đơn giản, có thể lắp trên đoạn đường ống thẳng không cần phải thay đổi, không cần phải căn chỉnh điểm không

3.2.1 Nguyên lý thiết bị lưu lượng kế Coriolis

Hiệu ứng Coriolis là xu hướng lệch quỹ đạo về một phía của vật thể di

chuyển trên bề mặt trái đất do chuyển động tự quay xung quanh của nó từ Tây sang Đông Hiệu ứng Coriolis làm cong dòng chảy sang bờ bên phải (bờ bên phải bị xói mòn nhiều hơn) so với hướng dòng chảy chính ở Bắc bán cầu và làm cong dòng chảy sang bờ bên trái ở Nam bán cầu Hiện tượng này được nhà toán học, vật lý người Pháp Gaspard Gustave de Coriolis (1792-1843) phát hiện năm 1835

Hiệu ứng của lực Coriolis xuất hiện trong bất kỳ hệ quay nào Hình vẽ dưới

mô tả hiệu ứng Coriolis xuất hiện khi có ba yếu tố sau: khối chất, vật thể quay và sự chuyển động tương đối của khối chất so với chuyển động quay của vật thể mang khối chất

Hình 3.2: Hiệu ứng Coriolis khi khối chất chuyển động tương đối với vật thể quay

Theo Định luật 1 Newton về trạng thái chuyển động thì vật thể chuyển động

sẽ giữ nguyên vận tốc và hướng di chuyển trừ khi nó chịu tác động của ngoại lực Lực Coriolis là một ngoại lực nên nó làm cho khối chất chuyển động theo quỹ đạo cong trên vật thể quay thay vì chuyển động theo đường thẳng

Lực Coriolis tỷ lệ trực tiếp với khối lượng của khối chất chuyển động, vận tốc chuyển động hướng tâm của khối chất và vật tốc góc quay quanh trục: Fcor = 2.m.*v (Trong đó: Fcor-Vector lực Coriolis, m – Khối lượng,  - vector vận tốc góc quay, v – vận tốc chuyển động hướng tâm của khối chất, * là toán tử nhân hai vetor) Như vậy, nếu đo được lực Coriolis và biết được vận tốc chuyển động hướng

tâm và vận tốc góc quay thì sẽ xác định được khối lượng Đây chính là nguyên lý

hoạt động của cảm biến Coriolis sử dụng trong đo lường khối lượng chất lỏng

Cảm biến đo theo nguyên lý Coriolis có nhiều dạng: loại đơn giản bao gồm 1 đoạn ống thẳng hoặc loại gồm đoạn hình chữ U đơn hoặc đôi, hình Omega Tùy theo từng ứng dụng và yêu cầu kỹ thuật đo khác nhau mà lựa chọn loại cảm biến Coriolis phù hợp Ví dụ đối với dòng chảy nối tiếp hay trong các ứng pha trộn hoặc muốn đo lưu tốc ở giải thấp hay trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác rất cao thì chọn loại ống đo đôi – cong ( chữ U hay Omega ) Ngược lại trong các ứng dụng không đòi hỏi độ chính xác vừa phải hay khi không gian lắp đặt cảm biến hẹp thì lựa chọn cảm biến Coriolis ống thẳng

Cảm biến đo theo nguyên lý Coriolis đơn giản bao gồm một đoạn ống để cho chất lỏng chảy qua, đặt cố định tại hai đầu và sử dụng một nam châm điện chủ động tạo ra dao động cho đoạn ống ở tần số cộng hưởng (tức là tạo chuyển động quay quanh trục cho vật thể mang khối chất) Tùy thuộc vào chất liệu chế tạo, kích thước đoạn ống, tần số dao động của ống được đặt các giá trị khác nhau và ống này sẽ dao động với biên độ phù hợp Khi chất lỏng đứng im, lực Coriolis của khối chất lỏng bằng 0 Ngược lại khi chất lỏng chảy qua ống đo thì lực Coriolis sinh ra chống lại

sự dao động này Sự đối lập này làm uốn ống xoắn ống như hình vẽ sau:

Hình 3.3: Ống thẳng – đơn khi không có dòng chảy (no flow) và có dòng chảy

Nếu tại đầu ra (điểm B) và đầu vào (điểm A) của ống dẫn ta đặt các cuộn dây

đo (sensor coil 1, 2) thu tín hiệu dao động thì do hiệu ứng Coriolis nên ở đầu ra của

2 cuộn dây đo (sensor coil 1, 2) ta thu được 2 tín hiệu sine lệch pha nhau Giá trị lệch pha này tỉ lệ trực tiếp với lưu tốc khối lượng chảy qua ống

Hình 3.4: Sự lệch pha của tín hiệu đầu ra trên hai cuộn dây đo

Để tăng tính kháng nhiễu trong môi trường công nghiệp, nâng cao độ chính xác kết quả đo và tăng độ nhạy khi đo ở dải lưu tốc thấp thì thiết bị đo Coriolis dạng chữ U, ống đôi được sử dụng Thiết bị đo Coriolis loại này bao gồm 2 ống đo hình chữ U giống hệt nhau, dao động ngược chiều nhau, và gắn cố định với hộp trong Hộp trong này gắn với hộp ngoài, mà hộp ngoài sẽ nối với mặt bích để ghép cảm biến vào đường ống chính Cấu trúc này cho phép loại bỏ hầu hết các tác động của ngoại lực và rung động bên ngoài đến hệ thống đo – dao động của ống đôi U Cuộn dây đo dao động được bố trí trên một ống trong khi nam châm điện được gắn vào ống kia Nhờ cấu trúc này, ống đôi U không bị ảnh hưởng bởi rung động bên ngoài

Hình 3.5: Thiết bị đo Coriolis loại ống đôi U

Đối với các cảm biến Coriolis thì biên độ dao động của ống thường bị giới hạn dưới 1mm và trong thiết kế tối ưu là khoảng 20% giá trị cực đại cho phép, để đảm bảo không bị rạn nứt hay gãy ống đo Mức xoắn của ống đo, dưới tác động của lực Coriolis

là rất nhỏ, chỉ khoảng vài nano mét đến vài chục micro mét

Nhiệt độ môi trường đo không chỉ làm thay đổi tần số dao động ống mà còn làm ống đo dễ bị uốn cong Chính vì vậy nhiệt độ cần phải được đo như là đại lượng độc lập và dùng nó như giá trị bù đầu vào, đặc biệt việc bù nhiệt độ để chống lại sự “mềm dẻo” của ống đo khi nhiệt độ tăng Do vậy các cảm biến Coriolis cũng thường có thêm

bộ phận đo nhiệt độ RTD để cho biết nhiệt độ môi trường đo Tuy nhiên độ chuẩn xác của phép đo nhiệt độ này không cao, nên thường không sử dụng đầu ra này trong điều khiển giám sát quá trình công nghệ

3.2.2 Chủng loại mã hiệu của lưu lượng kế

Sử dụng lưu lượng kế Coriolis – của hãng Emerson (Mircomotion)

Hình 3.6: Sensor CMF400 và Transmiter model 2700

Gồm 2 thành phần chính:

- Cảm biến Coriolis (sensor): CMF400M Micro Motion Coriolis ELITE

sensor; 4-inch; 316L stainless steel

- Bộ truyền dẫn (transmitter): Model 2700 PA

Được thiết kế cho nhỏ gọn, lắp tách rời cho phép dễ dàng gắn vào một bức tường hoặc ống đứng Model 2700 đáp ứng các tiêu chuẩn phòng nổ Class 1, Division 1/1 zone với tùy chọn có thêm một giao diện điều khiển local đảm bảo truy cập thông tin lưu lượng kế dễ dàng khi cần thiết

3.2.3 Kết nối sensor và transmitter

Hình 3.7: Các kiểu kết nối giữa Sensor và Transmitter

Có 4 cách kết nối sensor với transmitter:

- Transmitter lắp đặt ngay tại vị trí đặt sensor

- Transmitter lắp xa vị trí sensor : sử dụng sơ đồ đấu 4 dây thì khoảng cách xa nhất cho phép là 300m

- Transmitter lắp xa vị trí sensor: sử dụng sơ đồ đấu 9 dây thì khoảng cách xa nhất cho phép là 20m

- Ngoài ra có thể sử dụng kết hợp giữa sơ đồ đấu 4 dây và sơ đồ đấu 9 dây