Nội dung của đề tài gồm 4 chương: Chương 1: Tổng quan quy trình công nghệ khai thác của giàn khai thác khí Rồng Đôi. Chương 2: Tìm hiểu về hệ thống điều khiển phân tán DCS (Distributed Control System). Chương 3: Tiêu chuẩn IEC 611313, các công nghệ truyền thông và xử lý tín hiệu phổ biến hiện nay. Chương 4: Lập trình thiết kế và mô phỏng chi tiết hệ thống điều khiển phân tán DCS cho tháp ổn định Condensate Stabilizer.
Trang 1PHẦN MỞ ĐẦU
Ngày nay trong lĩnh vực điều khiển quá trình các hệ điều khiển DCS đã và đang thể hiện được ưu điểm, và nhiều lợi ích cho quá trình sản xuất góp phần nâng cao độ an toàn sản xuất, chất lượng, năng xuất cũng như giải phóng sức lao động của con người Đặc biệt trong ngành công nghiệp sản xuất kinh doanh dầu khí, DCS đang là hệ điều khiển không thể thay thế Tại Việt Nam hệ điều khiển DCS mới xuất hiện được một vài năm nhưng cũng đã thể hiện được vị thế và ứng dụng lớn của nó trong các tác vụ điều khiển quá trình, việc nghiên cứu tìm hiểu chi tiết
về hệ điều khiển DCS cả lý thuyết và thực tiễn là cần thiết, để có thể làm rõ được
ưu nhược điểm cũng như phát triển và đưa ra các mô hình áp dụng hiệu quả tại Việt Nam
Với định hướng trên và được sự hướng dẫn của thầy giáo Thạc sĩ Phạm
Minh Hải – Trường Đại học Mỏ Địa Chất Hà Nội, em đã chọn đề tài: “Thiết kế hệ
thống điều khiển DCS cho tháp Condensate Stabilizer trên giàn khai thác khí Rồng Đôi” làm đề tài tốt nghiệp của mình Đây là lĩnh vực rất rộng và mới mẻ
nhưng em hy vọng với nỗ lực của bản thân và được sự ủng hộ của thầy cô và bè bạn, thông qua việc thực hiện đề tài này sẽ mang lại cho em nhiều kiến thức và kinh nghiệm quý báu về thực tế việc tích hợp và ứng dụng vào thực tiễn của hệ thống điều khiển DCS
Nội dung của đề tài gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan quy trình công nghệ khai thác của giàn khai thác khí Rồng Đôi
Chương 2: Tìm hiểu về hệ thống điều khiển DCS (Distributed Control System)
Chương 3: Tiêu chuẩn IEC 61131-3, các công nghệ truyền thông và xử
lý tín hiệu phổ biến hiện nay
Chương 4: Ứng dụng DeltaV 7.3 lập trình thiết kế & mô phỏng chi tiết hệ thống điều khiển DCS cho tháp ổn định Condensate Stabilizer
Trang 2Mục đích & ý nghĩa của đề tài:
Đề tài thực hiện với mục đích tìm hiểu và tiếp cận phương pháp thiết kế hệ
thống điều khiển DCS – Distributed Control System và các công nghệ truyền
thông xử lý tín hiệu đảm bảo an toàn chống cháy nổ được sử dụng phổ biến trong ngành dầu khí, từ Đưa ra tiến trình chi tiết để thiết kế, tích hợp và mô phỏng cho
hệ thống DCS Ứng dụng thực tiễn thiết kế hệ điều khiển DCS dùng DeltaV 7.3 cho tháp Condensate Stabilizer trên giàn công nghệ khai thác khí Rồng Đôi đang hoạt động trong thực tế
Hệ thống điều khiển DCS đang thực sự là đích đến của tự động hoá quá trình, việc nghiên cứu thực hiện đề tài có một ý nghĩa hết sức quan trọng đối với bản thân em, cũng như các sinh viên, nghiên cứu sinh muốn đi sâu về hệ điều khiển quá trình Trong suất thời gian thực hiện đề tài đã mang lại cho em nhiều
kiến thức và hiểu biết quý báu về DCS
Do thời gian có hạn và năng lực bản thân còn hạn chế, với sự chỉ bảo tận tình và sự giúp đỡ quý báu từ phía thầy cô và bè bạn, em đã cố gắng hoàn thành đề tài đúng thời hạn Em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn Thạc sĩ
Phạm Minh Hải, kỹ sư Hoàng Tùng – Viettech Corporation, Ths Vũ Văn Kiên –
PTSC & MC, và Ths Dương Hoài Nam – Viettech Corporation cùng toàn thể quý thầy cô trong bộ môn tự động hóa trường Đại học Mỏ - Địa Chất đã đóng góp ý kiến quý báu, cũng như cung cấp tài liệu giúp em hoàn thành đề tài này
Hà Nội , tháng 06 năm 2008
Sinh viên: Lưu Anh Tình
Trang 3MỤC LỤC
Chương 1:TỔNG QUAN QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ KHAI THÁC CỦA
GIÀN KHAI THÁC KHÍ RỒNG ĐÔI 9
1.1 Giới thiệu chung về hoạt động sản xuất của Mỏ Rồng Đôi 9
1.2 Khái quát quá trình công nghệ giàn khai thác mỏ Rồng Đôi 11
1.3 Các yêu cầu thuật toán điều khiển và đo lường áp dụng trong hệ thống điều khiển các cụm công nghệ mỏ Rồng Đôi 16
1.3.1 Điều khiển mức (level control) 16
1.3.1.1 Điều khiển mức tại bồn xử lý Condensate 17
1.3.1.2 Điều khiển mức tại tháp ổn định Condensate 18
1.3.2 Điều khiển áp suất (Pressure control) 19
1.3.3 Đo lưu lượng khí 19
1.3.4 Đo lưu lượng chất lỏng 21
1.3.5 Điểu khiển cột nhiệt độ tại tháp ổn định Condensate 22
1.4 Kết luận chương 1 23
Chương 2:TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DCS (DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM) 23
2.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển DCS 23
2.2 Lịch sử phát triển và ứng dụng của hệ thống DCS 25
2.2.1 Lịch sử phát triển 25
2.2.2 Lĩnh vực ứng dụng của DCS 26
2.3 Kiến trúc của hệ thống DCS 27
2.3.1 Khái quát chung 27
2.3.2 Các thành phần chính của hệ thống DCS 27
2.3.3 Đặc điểm về kiến trúc của hệ thống DCS 29
2.4 Xu hướng xây dựng hệ thống DCS với kiến trúc FCS (Field Control System) 34
2.5 Kết luận chương 2 35
Trang 4Chương 3:TIÊU CHUẨN IEC 61131-3, CÁC CÔNG NGHỆ TRUYỀN
THÔNG VÀ XỬ LÍ TÍN HIỆU PHỔ BIẾN HIỆN NAY 36
3.1 Tiêu chuẩn IEC 61131-3 36
3.1.1 Giới thiệu chung 36
3.1.2 Ngôn ngữ lập trình 36
3.1.3 Tổ chức chương trình 38
3.2 Công nghệ Foundation Fieldbus - FF 40
3.2.1 Tổng quan về Foundation Fieldbus 40
3.2.2 Đặc điểm của Foundation Fieldbus 41
3.2.3 Ưu nhược điểm của mạng Foundation Fieldbus 43
3.2.4 So sánh Foundation Fieldbus với các chuẩn truyền thông khác 46
3.3 Giải pháp dự phòng - Redundancy 46
3.3.1 Dự phòng I/O server 47
3.3.2 Dự phòng đường dữ liệu (Data path redundancy) 49
3.3.3 Dự phòng Alarms, Reports, Trends server 51
3.4 Công nghệ xử lý tín hiệu Intrinsic Safety 52
3.4.1 Cấp bảo vệ 54
3.5 Kết luận chương 3 56
Chương 4:ỨNG DỤNG DELTAV 7.3 LẬP TRÌNH THIẾT KẾ & MÔ PHỎNG CHI TIẾT HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DCS CHO THÁP ỔN ĐỊNH CONDENSATE STABILIZER 57
4.1 Tổng quan về phương pháp thiết kế hệ thống DCS 57
4.1.1 Bước 1 – Khởi động 58
4.1.2 Bước 2 – Thiết kế chi tiết 61
4.1.3 Bước 3 – Hoàn thiện 64
4.1.4 Bước 4 – Lắp đặt đấu nối, chạy thử, hiệu chỉnh tại hiện trường 66
4.2 Các thuật toán điều khiển tại cụm công nghệ tháp ổn định Condensate Stabilizer 67
4.2.1 Vòng điều khiển áp suất (Presure Control Loop) 68
4.2.2 Vòng điều khiển nhiệt độ (Temperature Control Loop) 69
4.2.3 Vòng điều khiển mức (Level Control Loop) 70
Trang 54.3 Thiết kế điều khiển cho cụm công nghệ tháp ổn định Condensate Stabilizer.
71
4.3.1 Cấu hình hệ thống điều khiển DCS Delta V của hãng Emerson Process Management 71
4.3.1.1 Cấu hình phần cứng 72
4.3.1.2 Cấu hình phần mềm 73
4.3.2 Thiết lập danh mục I/O list 75
4.3.3 Xây dựng giao diện điều khiển HMI ( Human Mechine Interface) 75
4.3.4 Lập trình điều khiển 78
4.4 Chạy mô phỏng và kết quả 86
4.5 Kết luận chương 4 94
KẾT LUẬN CHUNG 95
TÀI LIỆU THAM KHẢO 96
Trang 6DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Sơ đồ đường khí từ miệng giếng khoan 11
Hình 1.2: Sơ đồ tổng quát công nghệ xử lý khí trên gian Rồng Đôi 12
Hình 1.3: Sơ đồ công nghệ sử lý Condensate trên giàn khí Rồng Đôi 14
Hình 1.4: Sơ đồ công nghệ cụm tháp ổn định condensate stabilizer 15
Hình 1.5: Vòng điều khiển mức 16
Hình 1.6: Mạch vòng điều khiển mức Condensate 17
Hình 1.7: Mạch vòng điều khiển mức tại tháp ổn định Condensate 18
Hình 1.8: Vòng điều khiển áp xuất 19
Hình 1.9: Mạch vòng điều khiển nhiệt độ tại tháp ổn định Condensate 22
Hình 2.1: Kiến trúc hệ điều khiển phân tán DCS 24
Hình 2.2: Biểu đồ dự báo sự phát triển của thị trường DCS tới 2011 26
Hình 2.3: Cấu trúc DCS truyền thống 30
Hình 2.4: Kiến trúc DCS hiện đại 31
Hình 2.5: Hệ thống DeltaV của Emerson Process Management 32
Hình 2.6: Hệ thống PlantScape của HoneyWell 33
Hình 2.7: Hệ CENTUM CS 3000 của Yokogawa 33
Hình 2.8: Hệ thống PCS7 của Siemens (PLC/HMI- Based DCS) 34
Hình 2.9: Hệ DCS với kiến trúc FCS 35
Hình 3.1: Sự phát triển của ngôn ngữ lập trình theo chuẩn IEC 61131-3 37
Hình 3.2: Một số khối chức năng lập trình kiểu FDB 38
Hình 3.3: Tổ chức chương trình trình đều khiển 39
Hình 3.4: Truyền thông qua biến toàn cục 39
Hình 3.7: Mạng truyền thông Foundation Fieldbus 40
Hình 3.8: Cấp nguồn cho FF H1 41
Hình 3.9: Giải Pháp giao tiếp Foundation Fieldbus H1, và HSE 42
Hình 3.10: Biểu đồ thời gian thực hiện truyền thông và tính toán 43
Hình 3.11: Ví dụ minh họa khả năng của Hệ thống truyền thông tích hợp FF 45
Hình 3.12: Ví dụ minh họa lợi ích của FF 45
Hình 3.13: Dự phòng I/O server 47
Trang 7Hình 3.14: Mức độ ưu tiên dư phòng 48
Hình 3.15: Dự phòng dữ liệu 49
Hình 3.16: Dự phòng dữ liệu thông qua I/O server 50
Hình 3.17: Dự phòng thiết bị thông qua đường dữ liệu 50
Hình 3.18: Dự phòng LAN, SERVER 51
Hình 3.19: Phân vùng nguy hiểm cần bảo vệ bởi IS 52
Hình 3.20: IS Barrier sử dụng trên bus trường 53
Hình 3.21: Ví dụ về bảo vệ bằng IS 55
Hình 3.22: Cấu trúc cảu Barrier IS 56
Hình 4.1: Sơ đồ triển khai dự án DCS 57
Hình 4.2: Các bước thực hiện khi khởi động một dự án 59
Hình 4.3: Các bước thiết kế cơ bản Basic Designed 61
Hình 4.4: Các bước lập trình phần mềm 63
Hình 4.5: Quy trình kiểm tra và xử lý lỗi 64
Hình 4.6: Các bước kiểm tra xuất xưởng 65
Hình 4.7: Các bước đóng gói giao hàng 66
Hình 4.8: Vòng điều chỉnh áp xuất 68
Hình 4.9: Vòng điều khiển nhiệt độ 69
Hình 4.10: Vòng điều khiển mức 70
Hình 4.11: Cấu hình bộ điều khiển DeltaV 72
Hình 4.12: Công cụ DeltaV Control Studio 74
Hình 4.13: Khởi động trang màn hình thiết kế 76
Hình 4.14: Trang màn hình giao diện DeltaV Operate 76
Hình 4.15: Lưu đồ P&ID của cụm tháp ổn định Condensate Stabilizer 77
Hình 4.16: Trang đồ họa giao diện HMI 78
Hình 4.17: Tạo phân vùng module điều khiển mới 79
Hình 4.18: Đặt tên cho các module điều khiển 79
Hình 4.19: Phần Faceplate của module TIC 3421 80
Hình 4.20: Phần Detail của module điều khiển 81
Hình 4.21: Chương trình điều khiển nhiết độ MASTER TIC -3421 82
Trang 8Hình 4.22: Công cụ DeltaV Tune để xác định các tham số của bộ hiệu chỉnh PID
83
Hình 4.23: Chương trình điều khiển cho vòng SLAVE 5606 84
Hình 4.24: Chương trình điều khiển mức LIC – 3412 84
Hình 4.25: Chương trình điều khiển áp suất PIC – 3413 85
Hình 4.26: Download và cập nhật thay đổi 86
Hình 4.27: Trang đồ họa tổng quát chung 87
Hình 4.28: Giao diện khi mô phỏng 87
Hình 4.29: Trang màn hình cảnh báo ALARM 88
Hình 4.30: Trang màn hình process history EVENT 88
Hình 4.31: Faceplate của vòng điều khiển nhiệt độ 89
Hình 4.32: Trạng thái tín hiệu khi online của TIC - 3421 89
Hình 4.33: Trạng thái tín hiệu khi online của FIC-5606 90
Hình 4.34: Đặc tính của đáp ứng vòng Master TIC-3421 90
Hình 4.35: Đường đặc tính của đáp ứng vòng Slave FIC-5606 91
Hình 4.36: Trạng thái khi online của module LIC-3412 91
Hình 4.37: Faceplate và Detail của vòng LIC-3412 92
Hình 4.38: Đặc tính của đáp ứng vòng điều khiển mức LIC-3412 92
Hình 4.39: Trạng thái online của module PIC-3413 93
Hình 4.40: Faceplate và Detail của module PIC-3413 93
Hình 4.41: Đặc tính của đáp ứng vòng điều khiển áp xuất PIC-3413 94
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: So sánh Foundation fieldbus với một số chuẩn khác 46
Bảng 4.1: Thông số điều khiển ổn định áp xuất 68
Bảng 4.2: Thông số điều khiển ổn định nhiệt độ 69
Bảng 4.3: Thông số điều khiển ổn định mức 70
Bảng 4.5: Danh mục module điều khiển 80
Trang 9Chương 1
TỔNG QUAN QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ KHAI THÁC CỦA GIÀN KHAI
THÁC KHÍ RỒNG ĐÔI
Rồng Đôi và mỏ Rồng Đôi Tây nằm ở vị trí block 11-2 thuộc khu vực bể Nam Côn Sơn ngoài khơi Việt Nam Hai mỏ này nằm cách bờ biển Bà Rịa Vũng Tàu gần 320 Km về phía đông nam, được phát hiện vào năm 1995 và 1996 bởi KNOC (Korea National Oil Corporation) Mỏ Rồng Đôi Tây nằm cách 2.5Km về phía tây mỏ Rồng Đôi
Mục tiêu của chương trình phát triển mỏ là đưa được dòng khí đầu tiên vào ngày 30 tháng 9 năm 2006 Hệ thống giàn công nghệ đầu giếng và các hạng mục liên quan được thiết kế để đảm bảo công suất khai thác 130 triệu feet khối khí/ngày đêm và có khả năng nâng công suất nên 170 triệu feet khối khí/ngày đêm trong tương lại Nguồn khí khai thác tại mỏ sẽ được dẫn bằng hệ thống đường ống ngầm ngoài biển vào bờ để bán cho Petrovietnam theo điều khoản của Hợp đồng mua bán khí ký giữa KNOC và Petrovietnam
Sau khi qua hệ thống xử lý, dòng khí từ mỏ Rồng Đôi sẽ được vận chuyển bởi đường ống 18 inch, dài 58 km trước khi đấu nối vào đường ống hiện hữu dẫn vào bờ của mỏ Lan Tây do BP đang quản lý vận hành Thành phần Condensate (xăng nhẹ - lỏng) tách từ nguồn khí tại mỏ sẽ được vận chuyển bằng đường ống 6 inch dài 2.5 km về tàu chứa dầu FSO để bán trực tiếp cho các khách hàng qua việc bơm sang các tàu chứa vận chuyển
Do đặc thù của dự án phát triển mỏ khai thác dầu khí, trong đề tài này sẽ sử dụng một số từ viết tắt cho các thuật ngữ chuyên dụng trong ngành, cụ thể như sau:
BPD Barrels Per Day
CCR Central Control Room
EPM FDS EPM Functional Design Specification
ESD Emergency Shutdown
Trang 10FGOP Fire and Gas Operator Panel
FSO Floating Storage and Offloading Unit
GT Gas turbine
HCMC Ho Chi Minh City
HVAC Heating, Ventilation and Air Conditioning
I/O Input/Output Signals
IS Intrinsically Safe
KNOC Korea National Oil Corporation
MTTR Mean Time to Repair
NCSP Nam Con Son pipeline
PCS Process Control System
PUQC The Rong Doi Production Platform (process, utilities,
quarters, compression) SIS Safety Instrumented System
TVP True Vapour Pressure
UCP Unit Control Panel
WHd The Rong Doi wellhead platform (wellhead, drilling)
Trong giai đoạn ban đầu, tổng số có 7 giếng khai thác, tuy nhiên giàn công nghệ đã được thiết kế đảm bảo xử lý được tối đa 16 giếng Công suất khai thác ban đầu của Mỏ Rồng Đôi là 130 triệu feet khối khí/ngày đêm và sẽ có khả năng nâng tối đa là 175 triệu feet khối/ngày đêm Sản lượng Condensate là 6,215 thùng/ngày Toàn bộ hệ thống khai thác và xử lý khí trên giàn được thiết kế để đáp ứng được công suất khai thác tối đa
Trang 111.2 Khái quát quá trình công nghệ giàn khai thác mỏ Rồng Đôi
Hình 1.1: Sơ đồ đường khí từ miệng giếng khoan
Dòng sản phẩm khai thác từ các giếng được sau khi qua hệ thống các van đóng cắt khẩn cấp và van an toàn đầu giếng sẽ được tập hợp tại cụm thu thập sản phẩm – Production Manifold trên giàn đầu giếng WHD Platform sau đó thông qua đường ống trên cầu dẫn tới cụm tách cao áp HP- Separator (V2001/V2002) đặt tại Giàn xử lý công nghệ trung tâm PUQC Một (01) cụm thiết bị thử giếng cũng được lắp đặt trên WHD Platform để dẫn chất lỏng từ giếng đến bình tách test trên PUQC Mỗi giếng sẽ được thử mẫu 2-4 tuần một lần Bình tách cao áp HP Separator và Bình tách thử mẫu – Test Saparator có dạng bình tách 2 pha thẳng đứng được thiết kế để tách chất lỏng từ dòng khí Các bình tách sẽ hoạt động tại áp suất 100 barg trong giai đoạn áp suất tại giếng được cho phép, và tại áp suất thấp hơn dưới 37 barg thì một máy tăng áp được lắp đặt duy trì áp suất 100 barg Việc duy trì áp suất hoạt động tại 100 barg cho phép tận dụng tối đa áp suất tại mỏ Dòng khai thác từ mỗi giếng được thiết kế theo các thông số sau đây:
• Lưu lượng khí: 50 triệu feet khối/ngày đêm
• Lưu lượng Condensate: 2,500 thùng/ngày
• Lưu lượng nước: 2,500 thùng/ngày
Trang 12Hình 1.2: Sơ đồ tổng quát công nghệ xử lý khí trên gian Rồng Đôi
Khí sau khi tách từ bình tách cao áp và bình tách lấy mẫu được làm mát từ gần 650C xuống 400C trong bể làm mát trực tiếp bằng nước biển và ống trao đổi
Trang 13nhiệt, và được dẫn tiếp đến bình tiếp xúc với dung môi Glycol Chất lỏng lắng đọng từ khí sẽ được tách và thu hồi với hiệu suất cao tại ở đáy bình trao đổi Glycol
Chất lỏng bao gồm condensate và nước được dẫn từ HP/Test Separator tới tháp xử lý Condensate, hoạt động tại áp suất 34 barg Tháp xử lý Condensate được thiết kế để tách lượng khí còn lại, tách phần lớn lượng nước và giảm bớt thành phần khí nặng, và để làm giảm xung động dòng chảy trong bình ổn định áp Condensate đã được tách được dẫn tới bộ phận lọc trước khi đi qua bể lắng đọng
để loại bỏ hết lượng nước còn lại Bể lắng đọng Condensate Coalescers đảm bảo
độ khô của condensate (15ppwv) trước khi tới bình ổn định condensate Lưu lượng Condensate tới bình ổn định áp sẽ được giữ không đổi bởi một mạch vòng điều chỉnh lưu lượng
Nước tách ra từ Bình xử lý Condensate và Condensate Coalescers sẽ được đưa qua bộ phận xử lý Produced Water Hydrocyclone & Flash Surge Drum trước khi được thải xuống biển
Phần chất lỏng giữ lại trong quá trình xử lý, chủ yếu là ở đáy của bình tiếp xúc Glycol và bình tách nhiệt độ thấp LTS vessel, và cũng được đưa tới bình xử lý Condensate
Condensate từ bình xử lý được đưa đến đỉnh tháp ổn định Stabiliser Columm, với 8 giai đoạn xử lý và giai đoạn tái gia nhiệt Bình tái gia nhiệt cung cấp hơi nước tách tới tận phần đáy của cột tháp bằng cách sử dụng hơi phát ra từ
bộ trao đổi nhiệt Condensate sau đó được đưa xuống tàu chứa FSO thông qua hệ thống làm mát và các đồng hồ đo đếm lưu lượng Khí đi ra từ đỉnh tháp ổn định được đưa vào máy nén khí sơ cấp
Trang 14Hình 1.3: Sơ đồ công nghệ sử lý Condensate trên giàn khí Rồng Đôi
Trong giai đoạn khai thác ban đầu và trong các trường hợp xử lý tình huống của quá trình xử lý Condensate, chất lỏng từ bình xử lý Condensate với khoảng
Trang 151000 thùng/ngày có thể được đưa trực tiếp tới bồn chứa chất lỏng thải mạch kín– Closed Drain Vessel để ổn định bằng bộ gia nhiệt bằng điện tại bồn này Trong giai đoạn ban đầu cần 1 khoảng thời gian để đun nóng dòng chất lỏng đến nhiệt độ cần thiết Mức chất lỏng trong bình Close Drain Vessel sẽ được điều chỉnh bởi một vòng điều khiển mức tự động, đồng thời đường ống này cũng đóng vai trò là đường xả cho bồn Bộ gia nhiệt trong bồn đảm bảo đủ điều kiện để vận chuyển Condensate tới FSO thông qua các bơm Một đường ống bypass sẽ cho phép Condensate được bơm trực tiếp tới đường ống dẫn trong quá trình khởi động
Hình 1.4: Sơ đồ công nghệ cụm tháp ổn định condensate stabilizer
Thêm vào đó một đường ống sẽ được cung cấp từ bình ổn định Condensate tới thẳng Condensate chưa được ổn định ở cuối quá trình để dùng cho trường hợp phải xử lý lại Một van điều khiển mức tự động sẽ được lắp đặt tại đáy bình ổn định để thực hiện nhiệm vụ này Đường ống này cũng đóng vai trò như là đường
xả cho bình ổn định Condensate
Máy nén khí sơ cấp làm nhiệm vụ nén khí ra từ cột ổn định Condensate tới
áp suất 34 barg Một máy làm mát bằng không khí tuần hoàn sẽ được sử dụng để
Trang 16Khí nén trộn lẫn hơi nước từ bình chứa Condensate và các nguồn khác sẽ được sẽ được đưa qua bình lọc khí thứ cấp Khí từ bình lọc thứ cấp sẽ được đưa tới máy nén thứ cấp để nén tới 100 Barg trước khi đưa tới đầu ra của bình tách cao áp
Máy nén khí là loại máy nén li tâm 2 cấp, truyền động bằng động cơ điện,
có thể điều khiển thông qua việc điều khiển áp suất đường hút bằng cách sử dụng phương pháp hoàn lưu
1.3 Các yêu cầu thuật toán điều khiển và đo lường áp dụng trong hệ thống điều khiển các cụm công nghệ mỏ Rồng Đôi
Mỗi một cụm quy trình công nghệ được điều khiển theo từng vòng riêng, trong đó việc điều khiển được xác định tại các đối tượng như bình tách, quy trình
xử lý sản phẩm, máy nén khí, các thiết bị gia nhiệt và trao đổi nhiệt , thiết bị loại nước Và thông số điều khiển là các thông số như áp suất, nhiệt độ, lưu lượng, mức chất lỏng đo lường và bảo vệ thiết bị
1.3.1 Điều khiển mức (level control)
Hình 1.5: Vòng điều khiển mức
Mức chất lỏng trong bình tách thường được điều khiển liên tục bởi vòng lặp LIC để điều chỉnh van điều khiển mức LCV- Level Control Valve dựa trên sự thay đổi của mức lỏng trong bình
Mạch vòng điều khiển mức được cấu hình cho phép người vận hành lựa chọn 2 phương án điều khiển: kiểu on/off (dựa trên giới hạn mức cao và mức thấp) và liên tục kiểu tiết lưu
Trang 17Sự khác nhau về kiểm tra sẽ được cung cấp giữa vòng điều khiển điều khiển
và tín hiệu (LT-SIS) bộ biến đổi giống như yêu cầu Hơn nữa, trên sự phát hiện của bộ chuyển đổi kiểm lỗi hệ thống sẽ được định hình để tự động chuyển mạch tới tín hiệu SIS chuyển đổi để gửi đầu ra tới cấp bộ điều khiển
1.3.1.1 Điều khiển mức tại bồn xử lý Condensate
Hình 1.6: Mạch vòng điều khiển mức Condensate
Hoạt động bình thường :
Mức condensate trong bồn xử lý Condensate V-2004 được điều khiển bằng mạch vòng lặp LIC-2018 thông qua việc tác động thay đổi điểm đặt cho điều khiển dòng condensate FIC-3418 tại đầu vào của bình ổn định Condensate V-3403 để điều chỉnh tỷ lệ mở của van điều khiển lưu lượng FCV 3418 Việc thay đổi điểm đặt mức trong bồn sẽ thay đổi FIC-3418 Tại chế độ vận hành bình thường van LCV-2018 ở trạng thái thường đóng
Chế độ vận hành khác:
Trong trường hợp cần thiết, nhất là giai đoạn đầu của quá trình khai thác vận hành người vận hành PCS có thể can thiệp để chuyển qua chế độ làm việc khác, cụ thể là thông qua việc điều khiển van LCV-2018 liên động với tín hiệu LIC-2018 để đưa Condensate sau khi xử lý về thẳng bồn chứa Close Drain Vessel Trong quá trình hoạt động này, bộ điều khiển sẽ cung cấp hai chế độ điều khiển on/off và liên tục điều tiết cho người vận hành có thể chọn lựa được On/off mode
Trang 181.3.1.2 Điều khiển mức tại tháp ổn định Condensate
Mức lỏng trong Tháp ổn định Condensate V-3403 được điều khiển bởi vòng điều khiển LIC – 3412, điều khiển liên tục van LCV-3412 lắp đặt trên đường ống xuất condensate xuống tàu FSO dựa trên các thay đổi của mức lỏng trong tháp
Bộ điều khiển cũng cung cấp hai chế độ điều khiển on/off (dựa trên mức cao và thấp so với điểm đặt) và chế độ điều tiết liên tục để người vận hành lựa chọn
Chế độ vận hành khác:
Hình 1.7: Mạch vòng điều khiển mức tại tháp ổn định Condensate
Tương tự như trên, tại tháp ổn định Condensate cũng được trang bị các chức năng để hoạt động cho chế độ làm việc bypass Trong chế độ vận hành này, mức Condensate trong V-3403 thì được điều khiển bởi vòng LIC-3412 thông qua việc điều chỉnh van LCV-3413 để đưa Condensate về Closed Drain Vessel Bộ điều khiển cũng cung cấp hai chế độ điều khiển on/off dựa trên mức cao và thấp so với điểm đặt và chế độ điều tiết liên tục để người vận hành lựa chọn
Trong chế độ vận hành đưa condensate về thẳng Closed Drain Vessel và bơm xuất bởi các bơm tới đường ống dẫn Condensate, van LCV-3412 sẽ được cho phép mở 10% từ hệ thống PCS
Trang 19Hệ thống sẽ cung cấp chức năng kiểm tra đối chứng giữa vòng điều khiển điều khiển LT-3412 và tín hiệu từ bộ biến đổi LT-2411 Trong trường hợp phát hiện bộ chuyển đổi LT-3412 có vấn đề, hệ thống sẽ tự động chuyển mạch để sử dụng tín hiệu LT-2411cho mạch vòng điều khiển mức
1.3.2 Điều khiển áp suất (Pressure control)
Hình 1.8: Vòng điều khiển áp xuất
Sự biến động trong áp suất hoạt động của các bình tách sẽ được điều khiển bởi vòng lặp PT/PIC – 3413 thông qua việc điều khiển đóng/mở van điều khiển áp suất – Pressure Control Valve – PCV để xả ra đường xả áp đến tháp đuốc PIC –
3413 sẽ được cài đặt tại ngưỡng áp suất nhất định để đảm bảo mở van PCV – 3413
xả áp trong trường hợp tăng áp trong bình tách
1.3.3 Đo lưu lượng khí
Dòng khí từ bình tách lấy mẫu được đo bằng cảm biến lưu lượng theo nguyên lý siêu âm Kết quả đo lường từ cảm biến này sẽ được hiệu chỉnh theo điều kiện nhiệt độ và áp suất thông qua các dữ liệu đo lường từ các cảm biến nhiệt độ
và áp suất trong hệ thống Lưu lượng tổng sẽ được đưa về hiển thị tại màn hình của
hệ thống điều khiển trung tâm PCS Bộ điều khiển công nghệ trung tâm PCS tiếp nhận tín hiệu đo lường lưu lượng (triệu m3 khí/ngày) từ cảm biến lưu lượng, PCS
sẽ tính toán giá trị lưu lượng quy chuẩn (Sm3/h) dựa trên tín hiệu đưa về từ cảm
PCV - 3413
PIC - 3413
Trang 20biến lưu lượng Việc tính toán bao gồm việc bù áp suất và nhiệt độ, thông qua tín hiệu độc lập gửi về từ các cảm biến đo nhiệt dộ và áp suất
Thuật toán bù áp suất và nhiệt độ
Thuật toán bù áp suất nhiệt độ là phép tính đơn giản với 3 biến đầu vào nêu trên, đồng thời tính đến phân tử khối và hệ số z của sản phẩm hơi nước (cập nhật
từ bên ngoài bởi người vận hành) Người vận hành đưa giá trị đầu vào phân tử khối và “hệ số z” sẽ trên cơ sở kết quả lấy mẫu và phân tích mẫu Vì vậy trong thuật toán của PCS sẽ coi các giá trị tỷ trọng và z là các hằng số:
Tỷ trọng hơi được tính toán bởi công thức sau :
Lưu lượng hơi được tính theo công thức :
Chuyển đổi sang điều kiện tiêu chuẩn :
Trong đó :
P(t) = Áp suất đo lường (Barg)
t = Thời gian (giây)
ρ(t) = Tỷ trọng (kg/m3)
qv(t) = Lưu lượng đo lường thực tế (am3/h)
qvs(t) = Lưu lượng quy đổi về điều kiện tiêu chuẩn (sm3/h)
qm(t) = Lưu lượng (kg/h)
MW = Trọng lượng phân tử (là hằng số)
Z = Hệ số nén (Là hằng số)
)(
)()(
t T R Z
MW t
P t
⋅
⋅
⋅
=ρ
) ( ) ( )
( t q t t
MW
K t q t
qvs = m( ) ⋅
) (
Trang 21T(t) = Nhiệt độ đo lường (K)
PCS sẽ chuyển đổi lưu lượng đo lường triệu feet khối/ngày sang m3/h bằng cách nhân với [106*(0.3048)3/24]} trước khi sử dụng giá trị này vào trong thuật toán trên
PCS sẽ biến đổi nhiệt độ đo lường độ C ra độ K (0C+273.15) trước khi sử dụng giá trị trong thuật toán trên
PCS sẽ biến đổi đơn vị lưu lượng quy đổi tại điều kiện chuẩn từ Sm3/h sang đơn vị triệu feet khối/ngày bằng cách chia cho {[106 * (0.3048)3
/24]} trước khi cho hiển thị trên màn hình điều khiển giá trị lưu lượng
PCS cũng tính tổng lưu lượng chuẩn tích luỹ theo thời gian bằng cách cộng các giá trị lưu lượng tức thời sau khi đã tính toán bù áp suất và nhiệt độ
1.3.4 Đo lưu lượng chất lỏng
Lưu lượng chất lỏng bao gồm Condensate và nước đi ra từ bình tách lấy mẫu sẽ được đo bằng cảm biến Coriolis do hãng Micro Motion (USA) sản xuất PCS sử dụng lưu lượng tức thời (kg/h) để tính toán tổng lưu lượng lỏng đưa về bồn xử lý Condensate Căn cứ vào tỷ lệ nước và tỷ trọng chất lỏng, PCS sẽ tính được lưu lượng (khối lượng và thể tích) tức thời của mỗi thành phần nước và dầu theo các công thức như sau:
Các tín hiệu đo lường từ cảm biến Coriolis:
Qm(t) : Lưu lượng của chất lỏng (nước + dầu) - Kg/hr
Trang 22X(t) : % khối lượng nước
Dw : tỷ trọng nước tại điều kiện dòng chảy
Lưu lượng nước (kg/hr) tính theo công thức:
Lưu lượng dầu (kg/hr) tính theo công thức
Tổng lưu lượng chất lỏng (m3/hr) tính theo công thức
Tổng thể tích chất lỏng (thùng/ngày - BPD) tính theo công thức
PCS sẽ tính tổng lưu lượng chất lỏng (dầu + nước) theo đơn vị m3 và đơn vị BPD từ các thông số lưu lượng tức thời Đồng thời PCS cũng tính toán giá trị tổng lưu lượng theo đơn vị kg từ các giá trị lưu lượng tức thời tương ứng Từ đó xác định được tổng lưu lượng cho từng thành phần dầu, nước tương ứng
1.3.5 Điểu khiển cột nhiệt độ tại tháp ổn định Condensate
Hình 1.9: Mạch vòng điều khiển nhiệt độ tại tháp ổn định Condensate
100
)()()
)()
()
)(
)()
(1
t D
t Qm t
24)(12898
.6)(
Qv
Trang 23Trong mạch vòng điều chỉnh này, nhiệt độ chất lỏng trong tháp ổn định Condensate Stabilizer được sử dụng làm thông số điều khiển lượng nhiệt đưa vào bồn Reboiler để gia nhiệt cho chất lỏng trong tháp Nhiệt độ trong tháp được điều chỉnh bởi mạch vòng TT/TIC-3421 thông qua việc điều chỉnh điểm đặt của FIC-
5606 trong một vòng lặp ghép tầng để nhằm điều chỉnh mức đóng/mở của van FCV-5606 điều tiết lưu lượng dầu nóng gia nhiệt cấp cho bồn Reboiler Điểm đặt FIC-5606 sẽ được tăng hoặc giảm để phù hợp với sự tăng hay giảm của nhiệt độ trong tháp Quan hệ giữa TIC-3421 và FIC-5606 là quan hệ tuyến tính Lưu lượng dòng dầu nóng gia nhiệt cấp cho bình Reboiler được kiểm soát thông qua mạch vòng điều khiển FT/FIC-5606
1.4 Kết luận chương 1
Từ yêu cầu của quy trình công nghệ, đã đưa ra các thuật toán điều khiển với từng cụm công nghệ riêng biệt, do khối lượng cụm công nghệ là rất lớn nên trong phạm vi đề tài này chỉ đưa ra các cụm công nghệ với các thuật toán xử lý tiêu biểu Điều này phù hợp với thực tế thiết kế hệ thống điều khiển cho một dự án lớn, tác
vụ điều khiển được chia ra các cụm, và xử lý theo vòng lặp, thiết kế chi tiết sẽ thực hiện ở chương 4
Chương 2
TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DCS (DISTRIBUTED
CONTROL SYSTEM)
2.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển DCS
Một hệ thống điều khiển (DCS – Distributed Control System) là một hệ
thống điều khiển thông thường của một hệ thống sản xuất, quá trình hay một kiểu nào đó của hệ thống động lực, trong đó phần bộ điều khiển không được đặt tập trung (như bộ não) mà được phân tán ra nhiều cấp hệ thống với mỗi một hệ thống con được điều khiển bởi một hay nhiều bộ điều khiển Toàn bộ hệ thống bộ điều khiển được kết nối bằng một mạng cho truyền thông và giám sát
Trang 24Hình 2.1: Kiến trúc hệ điều khiển phân tán DCS
Hệ thống điều khiển phân tán để chỉ lớp các hệ thống điều khiển sử dụng phương pháp điều khiển phân tán Khác với PLC, DCS là một giải pháp tổng thể
kể cả phần cứng và phần mềm cho toàn hệ thống được phát triển từ các ứng dụng điều khiển của ngành công nghiệp hóa chất với các bộ điều khiển ban đầu sử dụng
kỹ thuật tương tự Giải pháp thiết kế của hệ thống DCS thương phẩm là hướng vào các ứng dụng điều khiển phân tán nên nó thường được thiết kế theo hệ thống mở, khả năng tích hợp cao kể cả với các PLC khác nhau điều khiển máy và công đoạn sản xuất độc lập Mục tiêu là tạo sự thuận lợi cao nhất cho người kỹ sư thiết kế và tích hợp hệ thống điều khiển
Thế mạnh của DCS là khả năng xử lý các tín hiệu tương tự và thực hiện các chuỗi quá trình phức tạp, khả năng tích hợp dễ dàng Các hệ thống DCS thương phẩm ngay nay thường bao gồm các bộ điều khiển (Controller), hệ thống mạng truyền thông và phần mềm điều hành hệ thống tích hợp Các hệ thống DCS có thể quản lý được từ vài ngàn điểm I/O tới hàng trục nghìn điểm I/O Nhờ cấu trúc phần cứng và phần mềm hệ điều khiển có thể thực hiện đồng thời nhiều vòng điều chỉnh, điều khiển tầng, hay theo các thuật toán điều khiển hiện đại: nhận dạng hệ thống, tối ưu, thích nghi, bền vững, điều khiển theo mô hình dự báo (MPC) Fuzzy, Neural, điều khiển chất lượng QCS
Trang 25Để phục vụ cho việc chao đổi thông tin, các hệ DCS thương phẩm ngày nay
hỗ trợ nhiều giao thức truyền thông từ cấp trường tới cấp quản lý Hiện nay các giao thức này đã được chuẩn hóa như ( Profibus, Foundation Fieldbus, Ethernet…)
Các hệ DCS thương phẩm ngày nay có độ tin cậy cao nhờ có khả năng dự phòng kép ở tất cả các thành phần trong hệ thống (Controller, Module I/O, bus truyền thông), khả năng thay đổi chương trình (sửa chữa và download), thay đổi cấu trúc của hệ thống, thêm các thành phần mà không làm gián đoạn, không cần khởi động lại quá trình (thay đổi online)
Cơ sở dữ liệu quá trình trong các hệ DCS thương phẩm cũng được thiết kế sẵn và là cơ sở dữ liệu lớn có tính toàn cục và thông nhất
Tất cả những đặc điểm trên cho thấy các hệ DCS hoàn toàn đáp ứng yêu cầu về một giải pháp tự động hóa tích hợp tổng thể Các chuyên gia cho rằng tới nay, DCS vẫn là không thể thay thế được trong các ứng dụng lớn
của họ vào năm 1975 Đến năm 1980, Badlley (bây giờ là một phần của ABB)
cũng đã giới thiệu hệ thống NETWORK 90
Trang 26Hình 2.2: Biểu đồ dự báo sự phát triển của thị trường DCS tới 2011
Ứng dụng đầu tiên của bus trường xuất hiện vào thập niên 90 Trong vòng
10 năm công nghệ bắt đầu phát đáng kể, với nhiều hội trợ thống nhất về Foundation Fieldbus và Profibus PA dùng cho các ứng dụng tự động hóa quá trình Một số nhà cung cấp xây dựng hệ thống mới từ bắt đầu mở rộng chức năng tối đa
với bus trường, ví dụ như ABB với hệ thống 800xA, Emerson Process Management với hệ thống điều khiển DELTAV, Siemens với hệ Simatic PCS7
và azbil từ Yamatake với hệ thống Harmonas-DEO, Yokogawa với hệ thống CENTUM CS1000, CS2000, hiện nay là CENTUM CS3000
Kết quả của việc tập hợp các khái niệm, và chức năng của PLC và DCS vào một trong tất cả giải pháp được gọi là : Hệ thống điều khiển tự động hóa quá trình
(Process Automation System)
2.2.2 Lĩnh vực ứng dụng của DCS
Ngày nay hệ điều khiển phân tán đã được tích hợp với mức cao, khả năng điều khiển được mở rộng, giá thành được hạ xuống nhiều đây là hệ thống không thể thiếu trong tự động hóa quá trình DCS được áp dụng trong rất nhiều lĩnh vực trên toàn thế giới như:
• Hệ thống nhà máy điện và năng lượng (Electric Power, Energy)
• Hệ thống điều khiển môi trường (Enviromment Control)
• Tín hiệu giao thông (Trafic light)
Trang 27• Hệ thống quản lý nước (Water management)
• Nhà máy lọc dầu ( Oil refining)
• Nhà máy hóa chất (chemical )
• Nhà máy sản xuất thuốc tân dược
• Mạng lưới cảm biến (sensor)
• Trên các tàu vận chuyển hàng hóa khô hay dầu
2.3 Kiến trúc của hệ thống DCS
2.3.1 Khái quát chung
Một hệ thống DCS điển hình sử dụng máy tính (thông thường được thiết kế với bộ xử lý truyền thống) như một bộ điều khiển và sử dụng cả kết nối chủ và giao thức để truyền thông Các module vào ra là một phần của DCS Bộ xử lý nhận thông tin từ module đầu vào và gửi thông tín tới module đầu ra Module đầu vào nhận thông tin từ đầu vào của các thiết bị trong quá trình (như ngoài hiện trường)
và module đầu ra chuyển điều khiển tới thiết bị ngoài hiện trường Bus máy tính (Computer Bus) hay bus điện (Electrical Bus) kết nối bộ sử lý và module thông qua bộ dồn kênh hay phân kênh Bus cũng kết nối các bộ điều khiển phân tán với
bộ điều khiển trung tâm và cuối cùng tới giao diện người máy (HMI – Human Machine Interface) hay bàn điều khiển
2.3.2 Các thành phần chính của hệ thống DCS
Hệ thống DCS bao gồm các thành phần chính:
• Khối điều khiển cấp trường: (FCS – Field Control Station) thực hiện
các chức năng điều khiển, giám sát, thu thập dữ liệu (chủ yếu cho tín hiệu tương tự)
Trang 28- Cấu trúc: Là các module hay IPC, PLC-Based DCS gồm có các
khối như giá đỡ, khối cấp nguồn, khối xử lý trung tâm (CPU), các module vào ra I/O (HART, FieldBus…)
- Chức năng: Xử lý tín hiệu như A/D, D/A, giám sát tín hiệu đo
lường, chuẩn đoán, truyền thông… Chức năng Điều khiển như thực hiện các vòng điều khiển PID, các thuật toán điều khiển tỉ lệ, điều khiển mờ, Feedback, Cascade…
• Hệ thống vào ra: Vào ra từ xa (Remote I/O), vào ra phân tán, thường là
các module vào ra thực hiện chức năng giao tiếp, chuyển đổi, đồng bộ tín hiệu
• Trạm vận hành OS (Operator Station): Có chức năng giao diện vận
hành, giám sát hệ thống, và quản lý dữ liệu
- Cấu trúc: Là các Workstation hay PC được cài đặt hệ điều hành như
WinNT, XP, UNIX…Montitor LCD
- Chức năng: Hiển thị hình ảnh chuẩn, rõ ràng các nhóm hình ảnh, hỗ
trợ vận hành xử lý tín hiệu Arlam and Event, Trend & History…hỗ
trợ bảo dưỡng và sữa chữa hệ thống
• Trạm kỹ thuật ES (Engineering Station): Có chức năng phát triển phần mềm, cấu hình và chuẩn đoán hệ thống
- Cấu trúc: là các PC, hay Station cài đặt hệ điều hành
WinNT/2000/XP/ Linux Có cơ chế Login để kiểm soát quyền sử
dụng
- Chức năng: Thiết lập cấu hình của hệ thống, lưu trữ và quản lý dữ
liệu về cấu hình hệ thống Tham số hóa đưa các thiết bị trường vào
làm việc, thử nghiệm và gỡ rối chương trình…
• Hệ thống truyền thông (Communication): Là các hệ thống Bus truyền
thông, System Bus, Data Bus, Control Bus…đóng vai cho liên kết giữa
Trang 29các khối trong hệ thống Thực hiện giao tiếp, truyền tín hiệu điều khiển
xử lý
2.3.3 Đặc điểm về kiến trúc của hệ thống DCS
• Tích hợp toàn diện về phần cứng: bộ điều khiển, các module I/O,
OS (Operator Station), ES (Engineering Station)
• Tích hợp toàn diện về phần mềm:
- Các phần mềm chạy
- Môi trường phát triển tích hợp xuyên xuất (IDE)
- Cơ sở dữ liệu về quá trình chung
- Cơ sở dữ liệu về cấu hình chung
• Tích hợp toàn diện về truyền thông
- Cơ sở hạ tầng truyền thông
- Giao tiếp ngầm (không cần cấu hình, lập trình riêng )
- Truyền thông chuẩn hóa
• Tích hợp toàn diện về chức năng
- Điều khiển cơ sở, điều khiển cấp cao
- Vận hành, giám sát, Arlam & Event, Trend & History…
a) Kiến trúc DCS truyền thống
Trang 30• Bộ điều khiển
o Chuyên dụng, đặc chủng
o Chỉ điều khiển các quá trình liên tục hoặc theo mẻ
o Khả năng xử lý thời gian thực thấp
• Giao diện quá trình
o 4 -20mA, HART
o Vào ra tập chung hoặc từ xa, sử dụng bus truyền thông không chuẩn hóa
• Phân tán chưa triệt để:
o Chức năng điều khiển vẫn tập chung ở bộ điều khiển
o Hiệu năng của hệ thống chưa cao
o Kém linh hoạt trong thay đổi chương trình
• Giao diện quá trình vẫn là nối dây truyền thống
o Sử dụng I/O, I/O terminal
o Tốn cáp truyền và công lắp đặt
Trang 31o Thời gian vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa tốn kém
b) Kiến trúc DCS hiện đại
Hình 2.4: Kiến trúc DCS hiện đại
• Kiến trúc “Open”
o Hỗ chợ nhiều chuẩn giao tiếp công nghiệp ( COM, OPC, Ethernet, ODBC, MMS, XML…)
o Phương pháp lập trình chuẩn hóa IEC 61131-3
o Có khả năng tích hợp sản phẩm của hãng thứ 3 (PLC, I/O, biến tần, …)
• Bộ điều khiển
o Bộ điều khiển đa dạng
o Có thể tích hợp điều khiển lai HCS – Hybird Control System
• Giao diện truyền thông
o 4 -20 mA, HART
o Vào ra tập chung hay phân tán thông qua Bus chuẩn hóa
o Ghép nối trực tiếp với các thiết bị bus trường
• Chức năng điều khiển đã được đưa xuống cấp trường, phân tán triệt
để Các thiết bị kết nối theo chuẩn bus trường có thể giao tiếp trực
Trang 32Một số hệ thống DCS đang được sử dụng phổ biến trên thị trường Việt Nam cũng như thế giới như:
• Hệ thống DeltaV của hãng Emerson Process Management
Hình 2.5: Hệ thống DeltaV của Emerson Process Management
• Hệ thống PlantScape của HoneyWell
Trang 33Hình 2.6: Hệ thống PlantScape của HoneyWell
• Hệ thống CENTUM CS 3000 của Yokogawa
Hình 2.7: Hệ CENTUM CS 3000 của Yokogawa
Trang 34• Hệ thống PCS7 của hãng Siemens
Hình 2.8: Hệ thống PCS7 của Siemens (PLC/HMI- Based DCS)
2.4 Xu hướng xây dựng hệ thống DCS với kiến trúc FCS (Field Control System)
FCS là một kiến trúc điều khiển phân tán triệt để, hiện đại được xây dựng với khả năng tích hợp cao, tính mềm dẻo, linh hoạt trong điều khiển được phát huy Đây là kiến trúc tích hợp công nghệ hiện đại mang lại sức mạnh và khả năng cho điều khiển quá trình
Hệ DCS xây dựng với kiến trúc FCS mang lại rất nhiều ưu điểm cho hệ thống cung như lợi ích cho người sử dụng Nhờ độ tin cậy của hệ thống giám sát, quản lý điều khiển
Các lợi ích khi áp dụng kiến trúc FCS:
• Tiết kiệm vật liệu (I/O, I/O terminal, công lắp đặt, tủ đấu nối cụ thể
là 98% dây nối, 67% tủ nối, 28% transmiter, 93% I/O card)
Trang 35• Nâng cao hiệu năng và độ tin cậy của hệ thống nhờ điều khiển tại chổ giảm tải bus
• Dễ dàng đưa thiết bị trường vào hoạt động nhờ môi trường phát triển tích hợp
• Tạo ứng dụng lập trình đơn giản thiết lập cấu hình thay vì lập trình
• Nâng cao độ tin cậy nhờ có khả năng dự đoán bảo trì, phòng ngừa
Hình 2.9: Hệ DCS với kiến trúc FCS
2.5 Kết luận chương 2
Trong chương 2 với việc giới thiệu chung về hệ thống điều khiển DCS, cấu trúc cũng như ứng dụng và xu hứng dây dựng hệ thống điều khiển DCS Đã mang lại cái nhìn khá trực quan về hệ thống điều khiển DCS Các hệ thống DCS thông dụng hiện nay, Từ đó định hình được công việc thiết một hệ thống điều khiển DCS cho ứng dụng cần thiết
Trang 36Chương 3
TIÊU CHUẨN IEC 61131-3, CÁC CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG VÀ
XỬ LÍ TÍN HIỆU PHỔ BIẾN HIỆN NAY
3.1 Tiêu chuẩn IEC 61131-3
3.1.1 Giới thiệu chung
IEC 61131-3 ra đời vào tháng 1 năm 2001, là chuẩn lập trình phổ biến đầu tiên và duy nhất cho các bộ điều khiển khả trình IEC 61131-3 là sản phẩm có được sau nhiều năm thảo luận và đi đến thống nhất của nhóm chuyên chách của IEC và các nhà cung cấp hàng đầu thế giới về điều khiển đưa ra một tiêu chuẩn làm việc chung
Tiêu chuẩn nhằm khuyến khích phát triển chương trình có cấu trúc tốt, tất
cả các chương trình ứng dụng điều khiển có thể chia nhỏ thành nhiều thành phần theo chức năng và được gọi là các khối tổ chức chương trình (POUs –Programm Organize Units) Mỗi một khối có thể chứa nhiều hàm, khối hàm, và các chương trình Cho phép thực hiện từng phần của chương trình ứng dụng theo các chu kỳ tính toán khác nhau Điều này có nghĩa là hệ thống sẽ phải hỗ trợ từng khoảng thời gian quét cho mỗi POU riêng biệt Sử dụng ngô ngữ đồ họa để tách các chuỗi quá trình phức tạp thành các sự kiện đơn giản hơn Hệ thống hỗ trợ cấu trúc dữ liệu và do vậy từng phần của chương trình có thể trao đổi dữ liệu cho nhau như trong một thực thể
Cú pháp lập trình do từng nhà cung cấp định nghĩa trên nguyên tắc các mã lập trình phải được rễ ràng nạp cho bộ điều khiển của các nhà cung cấp khác nhau
• Function Block Diagrams (FBD)
• Sequence Function Charts (SFC)
Trang 37Sự ra đời của các ngôn ngữ lập trình của IEC 61131-3 được dựa trên mong muốn ngày càng thân thiệt, rõ ràng, rễ sử dụng, và rút ngắn thời gian cho các nhà lập trình Trước khi có tiêu chuẩn IEC 61131-3, hầu hết các nhà cung cấp các bộ điều khiển chỉ hỗ trợ một hoặc hai ngôn ngữ lập trình Các nhà cung cấp của Mỹ
ưa dùng ngôn ngữ lập trình bậc thang LD, trong khi đó các nhà cung cấp Châu Âu lại thích dùng các ngôn ngữ FBD và IL
Việc lựa chọn ngôn ngữ lập trình tùy thuộc vào một số nhân tố như: kinh tế,
kỹ thuật, và văn hóa Người lập trình có kinh nghiệm trong tự động hóa thường ưa thích dùng ngôn ngữ như IL, FBD, LD, trong khi những nhà lập trình có kinh nghiệm lập trình máy tính lại ưa thích ngôn ngữ lập trình có cấu trúc ST
Xét về mặt ứng dụng và tính tiện lợi thì đối với những ứng dụng quy mô nhỏ yêu cầu xử lý không nhiều, cũng như khả năng tái xử dụng mã lệnh thường được lập trình bằng LD Nhưng với nhứng ứng dụng quy mô vừa và lớn đòi hỏi xử
lý lớn với nhiều vòng điều khiển, khả năng tái sử dụng dữ liệu là không thể thiếu thì các ngôn ngữ như FBD, SFC lại chiếm ưu thế giúp nhà lập trình viên giải quyết bài toán một cách dễ dàng, và dễ hiểu hơn rất nhiều bằng việc phân theo chức năng nhiệm vụ điều khiển
Hình 3.1: Sự phát triển của ngôn ngữ lập trình theo chuẩn IEC 61131-3
Ngôn ngữ lập trình Functin Block Diagrams - FBD
Trong phần này giới thiệu về ngôn ngữ lập trình FBD – Function Block Diagrams, là ngôn ngữ sẽ được dùng để lập trình trong phần thiết kế chi tiết FBD
là ngôn ngữ lập trình theo kiểu đồ họa, bằng cách mô tả quá trình bằng các dòng
Trang 38chảy tín hiệu giữa các hàm với nhau Nó giống như việc đi dây trong các mạch điện tử
FBD được sử dụng để diễn tả mối quan hệ giữa các khối hàm với nhau theo một thuật toán được đề ra Các chương trình được thực hiện dưới dạng các kết nối
đồ họa, rễ hiểu và dễ dàng phân tích cũng như xác định lỗi xảy ra
Tiêu chuẩn IEC 61131-3 định nghĩa một số khối hàm cơ bản, các khối hàm
cơ bản này sẽ được sử dụng để tạo nên các thuật toán điều khiển theo ý muốn
Trên hình 3.2 trình bày minh họa một số hàm cơ bản của FBD
Hình 3.2: Một số khối chức năng lập trình kiểu FDB
3.1.3 Tổ chức chương trình
Tổ chức chương trình điều khiển được minh họa trên Hình 3.3 Trong đó
một chương trình điều khiển có thể có nhiều sự định dạng (Configuration), mỗi định dạng có nhiều nguồn (Resource), ứng với mỗi resource có thể xây dụng nhiều chương trình tương ứng với các nhiệm vụ khác nhau (Task)
Trong nội tại các resource chương trình chao đổi thông tin qua các biến cục
bộ Các chương trình giữa các resource khác nhau trao đổi thông tin qua biến toàn
Trang 39cục (Global variable) và các configuration trao đổi thông tin qua các hàm truyền thông
Cách trao đổi thông tin trong chương trình có thể thông qua biến toàn cục
hoặc hàm truyền thông như mô tả trong Hình 3.4
CONFIGURATION RESOURCE
Function block Variable or
Communication function (See IEC 1131-5)
Hình 3.3: Tổ chức chương trình trình đều khiển
PROGRAM A
FB_X
a FB1
PROGRAM B
FB_Y b FB2
VAR_GLOBAL x: BOOL;
END_VAR CONFIGURATION C
Hình 3.4: Truyền thông qua biến toàn cục
Trang 403.2 Công nghệ Foundation Fieldbus - FF
3.2.1 Tổng quan về Foundation Fieldbus
Hình 3.5: Mạng truyền thông Foundation Fieldbus
FF được phát triển bởi tổ chức Fouandation Fieldbus, một tổ chức phi lợi nhuận với số lượng thành viên là hơn 100 công ty hoạt động trong lĩnh vực tự động hóa trên toàn thế giới Foundation Fieldbus ban đầu được xây dựng với hai cấp tốc độ 31.25kbps và 1Mbps Các hệ thống với tốc độ cao hơn như 2.5 Mbps và cao hơn nữa cung đã và đang được phát triển có thể lên tới 10 đến 100Mbps
Foundation Fieldbus ở tốc độ thấp, 31.25 kbps, chủ yếu được dùng để thay thế cho đường truyền tương tự và mỗi phân đoạn hỗ trợ tối đa 32 thiết bị Ở các cấp tốc độ cao hơn Foundation Fieldbus được xây dựng trên nền mạng Ethernet sử dụng Switch và được gọi là Fieldbus HSE (High Speed Ethernet) Fieldbus HSE được sử dụng để liên kết các Fieldbus thành hệ thồng lớn và cho các ứng cần tốc