Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển phân tán (dcs) cho nhà máy nhiệt điện trên nền hệ thống điều khiển dcs centum vp của yokogawa

Trong quá trình xây dựng nhà máy nhiệt điện, việc lựa chọn, thiết kế hệ thống điều khiển cho nhà máy nhiệt điện là một trong những công việc đóng vai trò quan trọng bởi đối với nhà máy n

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

-

NGUYỄN ĐỨC THỌ

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN (DCS) CHO NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN TRÊN NỀN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DCS CENTUM VP CỦA Yokogawa

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

-

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS Nguyễn Huy Phương

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn: "Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển phân tán (DCS) cho nhà máy nhiệt điện trên nền hệ thống điều khiển DCS CENTUM VP của Yokogawa" do tôi tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS

Nguyễn Huy Phương Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế

Để hoàn thành luận văn này tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác

Hà Nội, ngày tháng năm 2017

Học viên thực hiện

Nguyễn Đức Thọ

MỤC LỤC

Trang

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC HÌNH VẼ vii

LỜI NÓI ĐẦU ix

Chương I: TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN- HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN 1

1 Chu trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện: 1

1.1 Nguyên lý sản xuất điện năng trong nhà máy điện: 1

1.2 Chu trình nhiệt của nhà máy nhiệt điện ngưng hơi 2

2 Các thiết bị chính trong nhà máy nhiệt điện: 3

2.1 Lò hơi: 3

2.2 Tuabin hơi 5

2.3 Các thiết bị khác: 7

3 Hệ thống điều khiển trong nhà máy điện: 8

3.1 Các hệ thống HTC tổng hợp: 8

3.2 Lựa chọn hệ thống điều khiển cho nhà máy nhiệt điện: 20

Chương II: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DCS CENTUM VP CỦA YOKOGAWA 22

A Các đặc điểm nổi bật của hệ thống CENTUM VP 22

1 Hiệu năng cao: 22

2 Giao diện thân thiện: 22

3 Nâng cao hiệu quả sản xuất: 22

4 Tối ưu hóa sản xuất qua môi trường mở: 23

5 Những đặc điểm và tính năng cơ bản khác: 23

B Hệ DCS CENTUM VP: 24

I Cấu hình chung: 24

II Cấu hình phần cứng: 26

III Cấu hình Vào/Ra: 35

IV Phần cứng khác: 37

C.Phần mềm CENTUM VP: 39

1 Tổng quan về system view: 39

2 Khởi động system view: 39

3 Project: 40

Chương III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN THÁI BÌNH 1 42

A Giới thiệu về Nhà máy Nhiệt điện Thái Bình 1: 42

1 Giới thiệu chung: 42

2 Các thông số thiết kế của dự án: 42

B Các yêu cầu trong thiết kế hệ thống điều khiển cho nhà máy: 45

1 Nguyên lý điều khiển nhà máy 45

2 Các yêu cầu về tín hiệu vào ra: 46

3 Hệ thống xử lý và quản lý lỗi: 48

4 Hệ thống bảo vệ nhà máy: 49

5 Giao diện vận hành (MMI): 49

6 Hệ thống lưu trữ thông tin: 51

7 Hệ thống lập trình: 51

8 Nhà điều khiển trung tâm: 51

C Thiết kế phần cứng và phần mềm cho hệ thống điều khiển DCS của Nhà máy Nhiệt điện Thái Bình 1 55

I Đặc điểm kỹ thuật phần cứng DCS: 55

II Đặc điểm kỹ thuật phần mềm DCS: 59

III Chương trình mô phỏng: Hệ thống điều khiển mức nước bao hơi 76

1 Hệ thống cung cấp và lưu thông nước trong lò hơi: 76

2 Hệ thống điều khiển nước cấp: 79

3 Thiết kế hệ thống điều khiển sử dụng phần mềm CENTUM VP: 80

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 92

TÀI LIỆU THAM KHẢO .93 PHỤ LỤC PL1: Project .PL - 1 PHỤ LỤC PL2: CÁC QUY ĐỊNH KHI THIẾT KẾ ĐỒ HỌA PL - 8

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

TT Từ viết tắt Tên đầy đủ

1 DCS Distributed Control System

2 CAMAC Computer Applicattion for Measurement And Control

3 EWS Engineering Work Station

4 ETS Enterprise Technology Solution

5 FCS Field Control Station

6 HTC Hệ thống thông tin công nghiệp

7 HP Bình gia nhiệt cao áp

8 HIS Humun Interface Station

9 IIT Industrial Information Technology

10 ICS Information and Command Station

11 IIS Intergrated Information System

12 LP Bình gia nhiệt hạ áp

13 OS Operating Station

14 PLC Programmable Logic Control

15 SCADA Supervisory Control And Data Acquisition

DANH MỤC CÁC BẢNG

PL2.1 Quy định về màu sắc cho các đường ống công nghệ PL - 8 PL2.2 Quy định về màu sắc cho các đối tượng PL - 9 PL2.3 Quy định cho đánh dấu chuyển tiếp PL - 10 PL2.4 Các đơn vị kỹ thuật PL - 10 PL2.5 Mô tả liên kết và chế độ vanh hành của MOV PL - 13 PL2.6 Mô tả liên kết của SOV2 (Van từ hai cuộn dây ) PL - 14 PL2.7 Mô tả liên kết và chế độ hoạt động của van từ 1 cuộn dây (SOV1) PL - 14 PL2.8 Mô tả liên kết, chế độ vận hành và hiển thị vị trí phản hồi của CVR1 PL - 14 PL2.9 Mô tả liên kết, chế độ vận hành và hiển thị vị trí phản hồi của van điều khiển có một tín hiệu phản hồi là tín hiệu tương tự và hai công tắc giới hạn đóng mở PL - 15PL2.10 Mô tả liên kết, chế độ vận hành và hiển thị vị trí phản hồi của nút nhấn MOV PL - 17 PL2.11 Mô tả liên kết, chế độ vận hành và hiển thị vị trí phản hồi của van tiết lưu với tín hiệu phản hồi tương tự và công tắc giới hạn đóng mở PL - 18 PL2.12 Mô tả liên kết và chế độ vận hành của van tiết lưu vận hành bằng động cơ .PL - 19 PL2.13 Mô tả liên kết và chế độ vận hành của động cơ PL - 20 PL2.14 Mô tả liên kết và chế độ vận hành của bơm PL - 21 PL2.15 Mô tả liên kết và chế độ vận hành của quạt và quạt thổi PL - 21 PL2.16 Mô tả liên kết và chế độ vận hành của máy cắt PL - 21 PL2.17 Biểu tượng của các thiết bị tĩnh PL - 22

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Quá trình chuyển hóa năng lượng 2

Hình 1.3 Nguyên lý cấu tạo của lò hơi và hệ thống vòi thổi bụi 5

Hình 1.4 Sơ đồ cấu tạo của tuabin hơi nước 5

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý đơn giản nhất của thiết bị tua bin hơi 6

Hình 1.6 Sơ đồ cấu trúc hệ thống SCADA 10

Hình 1.7 Sơ đồ cấu trúc hệ thống DCS 14

Hình 2.1 Cấu hình cơ bản hệ thống DCS CENTUMVP 27

Hình 2.2 Panel phía trước của card giao diện VnetIP 27

Hình 2.3 Vị trí DIP switches trên VI702 28

Hình 2.4 Cấu hình của LFCS kiểu rack treo 29

Hình 2.5 Khối xử lý 29

Hình 2.6 Các công tắc đặt sô vùng 30

Hình 2.7 Các công tắc DIP đặt số trạm 30

Hình 2.8 Khối Pin 31

Hình 2.9 Cấu hình LFCS kiểu rack treo 31

Hình 2.10 Khối pin 32

Hình 2.11 Card kết nối VnetIP 33

Hình 2.12 Khối ghép nối RIO bus 33

Hình 2.13 Khối giao diện ngoài 34

Hình 2.14 Khối quạt 34

Hình 2.15 Mạng RIO bus 35

Hình 2.16 Cấu hình các khối vào/ra 36

Hình 2.17 Các loại Nest mô đun vào/ra 36

Hình 2.18 Cấu hình hệ thống sử dụng Bus Converter 38

Hình 2.19 Cấu hình Bus Converter (ABC11D) 38

Hình 2.20 Cửa sổ System View 39

Hình 2.21 Khởi động System View từ nút [Start] 40

Hình 2.22 Trình đơn gọi cửa sổ 40

Hình 3.1 Sơ đồ sắp sếp tiêu biểu của FCS 57

Hình 3.2 FCS 57

Hình 3.3 Bộ điều khiển 58

Hình 3.4 Hình vẽ của Node 59

Hình 3.5 Hiển thị ở chế độ toàn màn hình 60

Hình 3.6 Cửa sổ chính của thiết bị 63

Hình 3.7 Sơ đồ hệ thống cấp nước 81

Hình 3.8 Sơ đồ khối tính toán bù 82

Hình 3.9 Sơ đồ logic điều khiển mức bao hơi 1 thành phần & 3 thành phần 84

Hình 3.10 Sơ đồ logic bù thiết bị đo mức 85

Hình 3.11 Sơ đồ logic điều khiển van cấp nước 86

Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý bơm cấp nước A cho nồi hơi 87

Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý bơm cấp nước B cho nồi hơi 87

Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý bơm cấp nước C cho nồi hơi 88

Hình 3.15 Sơ đồ nguyên lý bộ gia nhiệt cao áp 88

89

Hình 3.16 Sơ đồ nguyên lý bộ khử khí nước cấp 89

Hình 3.17 Sơ đồ hệ thống Seal water system 89

Hình 3.18 Sơ đồ điều khiển đo mức nước cấp 90

Hình 3.19 Sơ đồ Logic nút lựa chọn chế độ điều khiển một yếu tố - 3 yếu tố 90

91

Hình 3.20 Sơ đồ logic bộ hạn chế lưu lượng nước 91 PL1.1 Hộp thoại create new project PL - 2 PL1.2 Hộp thoại Outline PL - 3 PL1.3 Hộp thoại tạo FCS PL - 3 PL1.4 Hộp thoại tạo HIS PL - 4 PL1.5 Định nghĩa Nest vào/ra số PL - 6

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, cùng hoà nhập với chủ trương công nghiệp hoá hiện đại hoá, ngành điện đóng một vai trò chủ đạo trong chiến lược phát triển kinh tế của cả nước Tuy nhiên, hiện nay năng lượng điện để sản xuất và tiêu dùng còn thiếu rất nhiều Nhà nước, chính phủ Việt Nam đã có rất nhiều phương án để khắc phục vấn đề này như trong quy hoạch phát triển năng lượng điện chính phủ đã đưa ra danh mục xây dựng các nhà máy nhiệt điện, thuỷ điện và nâng cấp mở rộng các nhà máy điện hiện có

Đặc biệt, cùng với sự hội nhập kinh tế thế giới các khu công nghiệp, chế xuất phát triển mạnh, đời sống nhân dân ngày càng cao do dó đã kéo theo nhu cầu sử dụng điện tăng đột biến Vì vậy, việc xây dựng, nâng cấp các nhà máy nhiệt điện được chính phủ quan tâm hàng đầu như: Xây dựng mở rộng nhà máy nhiệt điện Phả Lại 2, Uông

Bí 2, Ninh Bình, …Xây dựng mới nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh 1, Quảng Ninh 2, Cẩm Phả 1, Cẩm Phả 2, Mông Dương 1, Mông Dương 2, Sơn Động, Mạo Khê, Vũng Áng, Nghi Sơn, Thái Bình 1 …

Song song với việc xây dựng các nhà máy nhiệt điện, thuỷ điện là việc bảo dưỡng, sửa chữa, nâng cấp nhà máy điện Trong quá trình xây dựng nhà máy nhiệt điện, việc lựa chọn, thiết kế hệ thống điều khiển cho nhà máy nhiệt điện là một trong những công việc đóng vai trò quan trọng bởi đối với nhà máy nhiệt điện thì hệ thống điều khiển tự động đóng một vai trò then chốt trong quá trình sản xuất điện năng Điều chỉnh tự động nhằm nâng cao hiệu suất của nhà máy điện bằng cách lựa chọn thông số của bộ điều chỉnh sao cho phù hợp, chế độ làm việc tối ưu của thiết bị theo thông số đã quy định Do hệ thống điều khiển cho nhà máy nhiệt điện nước ta hiện nay phụ thuộc vào nhà thầu nước ngoài cung cấp, thiết kế và chuyển giao công nghệ, nên giá thành cao và việc cải tiến, bảo dưỡng, xửa chữa, thay thế gặp khó khăn Vì vậy, đề tài:

“Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển phân tán (DCS) cho nhà máy nhiệt điện trên nền hệ thống điều khiển DCS CENTUM VP của Yokogawa” sẽ giúp chúng ta

làm chủ được công nghệ, kỹ thuật và thiết bị Từ đó, có thể giúp các nhà tích hợp hệ thống triển khai các dự án mới, các kỹ sư nhà máy có thể khắc phục các lỗi phần mềm, như vậy chắc chắn giá thành sẽ rẻ hơn mà chúng ta hoàn toàn chủ động trong việc bảo

hành, sửa chữa mà không phụ thuộc vào chuyên gia nước ngoài Cũng qua bản luận văn này đã hoàn thành, mong muốn có thể từ đây xây dựng nên các nguyên tắc cơ bản giúp phát triển đội ngũ làm tích hợp hệ thống tại Việt Nam có thể làm chủ được công nghệ cũng như kỹ thuật cho ra các sản phẩm chất lượng và giá thành hợp lý hơn

Trong thời gian làm luận văn, với những kiến thức được học trong nhà trường cùng với tài liệu tham khảo, sách, tạp chí ở ngoài chương trình học tập và đặc biệt nhờ

có sự hướng dẫn, giúp đỡ tận tình của thầy giáo TS Nguyễn Huy Phương, các thầy cô trường Đại học Bách khoa Hà Nội cùng các bạn đồng nghiệp mà tác giả đã hoàn thành bản luận văn này Tuy nhiên, do kiến thức, khả năng còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy, tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp cho bản luận văn này

Xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2017 Học viên

Nguyễn Đức Thọ

Chương I: TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN- HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN

Nhà máy nhiệt điện có nhiệm vụ biến đổi các năng lượng sơ cấp như than đá, dầu,

bã mía, khí đốt … thành nhiệt năng và điện năng Trong đó, than đá được sử dụng rộng rãi nhất Cấu hình nhà máy nhiệt điện gồm có hai cụm thiết bị chính là cụm lò hơi để sản xuất ra hơi nước và cụm tua bin-máy phát để biến đổi nhiệt năng của dòng hơi thành điện năng Ngoài ra, còn có thêm lò hơi phụ trợ phục vụ cho khởi động nhà máy; hệ thống nước làm mát; hệ thống chuẩn bị nhiên liệu (Kho than, băng chuyền, máy nghiền than);

hệ thống sản xuất khí nén; hệ thống thu hồi tro bay, gom xỉ đáy lò, lọc bụi và xử lí khói thải…

1 Chu trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện:

1.1 Nguyên lý sản xuất điện năng trong nhà máy điện:

Các nguồn năng lượng thiên nhiên được sử dụng để sản xuất điện năng Tùy theo việc sử dụng các nguồn năng lượng thiên nhiên mà người ta chia ra các loại nhà máy điện khác nhau, trong đó hai nguồn năng lượng thiên nhiên được sử dụng phổ biến là thủy điện và nhiệt điện Nhà máy nhiệt điện chủ yếu sử dụng than, thường được xây dựng gần các mỏ than hoặc gần các con sông lớn để thuận tiện cho việc cung cấp nhiên liệu

Nguyên lý sản xuất điện năng của nhà máy nhiệt điện là chuyển hóa nhiệt năng từ đốt cháy các loại nhiên liệu trong lò hơi thành cơ năng quay tuabin, chuyển cơ năng thành năng lượng điện trong máy phát điện Nhiệt năng được dẫn đến tuabin qua một môi trường dẫn nhiệt là hơi nước Mặc dù hơi nước chỉ là môi trường truyền tải nhiệt năng đi, nhưng hơi vẫn phải đảm bảo chất lượng (về áp suất, độ khô) trước khi đi vào tuabin để sinh công Nhiệt năng cung cấp càng nhiều thì điện năng phát ra càng lớn và ngược lại Điện áp phát ra ở đầu cực máy phát điện được đưa qua hệ thống trạm biến áp nâng lên cấp điện áp thích hợp trước khi hòa vào mạng lưới điện quốc gia

Tóm lại, quá trình chuyển hóa năng lượng trong nhà máy nhiệt điện như sau: Từ năng lượng hóa năng chứa trong nhiên liệu than thành nhiệt năng bởi quá trình đốt cháy nhiên liệu Hơi nước sẽ mang nhiệt năng tới tuabin và nhiệt năng được chuyển hóa thành

cơ năng tại tuabin, sau đó cơ năng biến thành điện năng thông qua máy phát Quá trình chuyển hóa năng lượng được tóm tắt như hình 1.1

Hình 1.1 Quá trình chuyển hóa năng lượng

1.2 Chu trình nhiệt của nhà máy nhiệt điện ngưng hơi

Như đã phân tích ở phần 1.1, hơi nước đóng vai trò là môi trường truyền nhiệt trong quá trình chuyển hóa năng lượng nên vòng tuần hoàn nước – hơi đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình hoạt động của nhà máy nhiệt điện Nước từ ao hồ sau khi được lọc, xử lý hóa học sẽ được bơm vào bao hơi Nước từ bao hơi đi xuống các đường ống được bố trí xung quanh thành lò, nước sẽ nhận nhiệt năng từ quá trình đốt cháy nhiên liệu trong lò và trở thành hơi bão hòa Hơi nước bão hòa được dẫn qua bộ lọc khô và bộ điều chỉnh hơi quá nhiệt để đảm bảo nhiệt độ, áp suất vào tuabin cao áp để sinh công lần thứ nhất Sau đó, hơi lại được đưa vào bộ gia nhiệt rồi tiếp tục đưa vào tuabin trung áp để sinh công lần thứ hai Từ tuabin trung áp hơi được dẫn thẳng đến tuabin hạ áp để sinh công lần cuối Hơi sau khi đã sinh công từ tuabin hạ áp sẽ được đưa xuống bình ngưng để ngưng trở lại thành nước Bình ngưng có hệ thống nước làm mát tuần hoàn và hệ thống hút chân không làm cho hơi nước được ngưng tụ một cách nhanh chóng Sau đó, nước từ bình ngưng sẽ được hệ thống bơm ngưng đưa tới các bình gia nhiệt hạ áp LP1 và LP2 Tại đây nước sẽ được hâm nóng lên bơi hơi trích ra từ tuabin hạ áp Sau khi ra khỏi các bình gia nhiệt hạ áp, nước được đưa tới bình khử khí để khử hết các bọt khí lẫn trong nước Nước tiếp tục được đưa tới các bình gia nhiệt cao áp HP5 và HP6, các bình gia nhiệt này sẽ dùng hơi trích ra từ tuabin cao áp để nâng nhiệt độ nước cấp lên lần thứ hai

Và trước khi được đưa trở lại bao hơi hoàn thành chu trình khép kín, nước được đưa qua

Máy phát

Tuabin Hơi

Bao hơi

Nước ngưng

Hóa năng

Hóa năng

bộ hâm nước dùng khói nóng để nâng nhiệt độ nước lên một lần nữa Chu trình nhiệt được thể hiện bởi hình 1.2

2 Các thiết bị chính trong nhà máy nhiệt điện:

2.1 Lò hơi:

a Khái niệm:

Lò hơi là thiết bị trong đó xẩy ra quá trình đốt cháy nhiên liệu, nhiệt lượng tỏa ra

sẽ biến nước thành hơi, biến năng lượng của nhiên liệu thành nhiệt năng của dòng hơi Quá trình chuyển hóa nước thành hơi nước được xảy ra trong lò hơi, khi đó nước được gia nhiệt cho đến nhiệt độ sôi của nước Nước sôi ở nhiệt độ 2120F tại áp suất khí quyển, đây cũng được coi là nhiệt độ bão hòa của hơi nước Mối quan hệ giữa nhiệt độ bão hòa

và áp suất hơi đã được chỉ ra trong tính chất nhiệt động của hơi nước

Trong nhà máy điện, lò hơi sản xuất ra hơi để làm quay tuốc bin, phục vụ cho sản xuất điện năng, đòi hỏi phải có công suất lớn, hơi là hơi quá nhiệt có áp suất và nhiệt độ cao Loại này được gọi là lò hơi nhà máy điện Nhiên liệu đốt trong lò hơi có thể là nhiên liệu rắn như than, củi, bã mía, có thể là nhiên liệu lỏng như dầu nặng (FO), dầu diezen (DO) hoặc nhiên liệu khí

Hệ thống lò hơi bao gồm: một hệ thống nước cấp, hệ thống hơi và hệ thống nhiên liệu Hệ thống nước cấp cấp nước cho lò hơi và tự động điều chỉnh nhằm đáp ứng nhu

cầu hơi Sử dụng nhiều van nên cần bảo trì và sửa chữa Hệ thống hơi thu gom và kiểm soát hơi do lò hơi sản xuất ra Một hệ thống đường ống dẫn hơi tới vị trí cần sử dụng Qua hệ thống này, áp suất hơi được điều chỉnh bằng các van và kiểm tra bằng máy đo áp suất hơi Hệ thống nhiên liệu bao gồm tất cả các thiết bị được sử dụng để tạo ra nhiệt cần thiết Các thiết bị cần dùng trong hệ thống nhiên liệu phụ thuộc vào loại nhiên liệu sử dụng trong hệ thống nhiên liệu

b Nguyên lý cấu tạo của lò hơi

Hình 1.3 Trình bày nguyên lý cấu tạo của lò hơi tuần hoàn tự nhiên trong nhà máy điện

Nhiên liệu và không khí được phun qua vòi phun số 1 vào buồng lửa số 2, tạo thành hỗn hợp cháy và được đốt cháy trong buồng lửa, nhiệt độ buồng lửa có thể đạt tới

19000C Nhiệt lượng toả ra khi nhiên liệu cháy truyền cho nước trong dàn ống sinh hơi 3, nước tăng dần nhiệt độ đến sôi, biến thành hơi bão hoà Hơi bão hoà theo ống sinh hơi 3

đi lên, tập trung vào bao hơi số 5 Trong bao hơi số 5, hơi được phân ly ra khỏi nước, nước tiếp tục đi xuống theo ống xuống 4 đặt ngoài tường lò rồi lại sang ống sinh hơi số 3

để tiếp tục nhận nhiệt Hơi bão hoà từ bao hơi số 5 sẽ đi qua ống góp hơi số 6 vào các ống xoắn của bộ quá nhiệt số 7 Ở bộ quá nhiệt số 7, hơi bão hoà chuyển động trong các ống xoắn sẽ nhận nhiệt từ khói nóng chuyển động phía ngoài ống để biến thành hơi quá nhiệt có nhiệt độ cao hơn và đi vào ống góp để sang tua bin hơi và biến đổi nhiệt năng thành cơ năng làm quay tua bin

Hình 1.3 Nguyên lý cấu tạo của lò hơi và hệ thống vòi thổi bụi

1 Vòi phun nhiên liệu 6 Bộ quá nhiệt nửa bức xạ 13 Quạt khói

3 Phễu tro lạnh 9 Bộ qua nhiệt đối lưu 15 Bao hơi

4 Đáy thải xỉ 10 Bộ hâm nước 16 Ống nước xuống

5 Dàn ống sinh hơi 11 Bộ sấy không khí 17 Ống góp

6 Bộ quá nhiệt bức xạ 12 Bộ khử bụi

2.2 Tuabin hơi

a Khái niệm:

Tuabin hơi nước hay còn gọi là động cơ hơi nước, trong đó thế năng của hơi ban đầu sẽ chuyển hóa thành động năng, sau đó chuyển thành cơ năng làm quay bánh công tác

b Cấu tạo:

Đây là một tua bin trục ngang Dòng nước chảy qua van nạp, mối hàn lắp, vỏ xoắn

ốc, đẩy rôto quay Để tiện lắp đặt và đại tu, thiết bị này có một cấu trúc hai trụ bản lề lỗ hút thẳng đứng Bộ phân phối tua bin gồm có những bộ phận sau:

 Bộ ống nạp:

Bộ ống nạp gồm có ống, van nạp, mối hàn lắp, ống dạng nón, và ống khuỷu, v.v

Đó là phần đầu tiên của tua bin Van nạp ngắt dòng chảy khi tua bin xảy ra các sự cố

Hình 1.4 Sơ đồ cấu tạo của tuabin hơi nước

khẩn cấp hoặc ngừng đại tu Ống nạp có bộ phận hàn, với áp suất chịu đựng và hiệu suất thuỷ lực thuận lợi

 Bộ phận chính:

Cánh dẫn hướng, làm bằng thép không rỉ, là một kết cấu có hai trụ đỡ Nắp cột áp

và vòng đai đáy có vỏ bằng thép ZG230-450 Bộ phân phối có cấu trúc lá trượt đơn giản,

để tiện lắp đặt và đại tu Có các chốt trượt bảo vệ giữa thanh chắn dòng và thanh chắn dòng tự động

1 Lò hơi 5 Bơm nước ngưng 9 Bơm nước cấp

2.Bộ quá nhiệt 6 Máy phát 10 Bình gia nhiệt cao áp

3 Tua bin hơi nước 7 Bình gia nhiệt hạ áp

4 Bình ngưng 8 Bình khử khí

c Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của tua bin hơi:

 Thiết bị tuabin hơi gồm có:

1 Lò hơi 1: Trong đó nước cấp dưới áp suất tương ứng sẽ chuyển hóa thành hơi bão hòa

2 Bộ quá nhiệt 2: ở đây sẽ làm tăng nhiệt độ hơi tới giá trị đã cho

3 Tuabin 3: Trong đó thế năng của hơi nước chuyển hóa thành động năng, còn động năng chuyển hóa thành cơ năng trên trục

4 Bình ngưng 4: Dùng để làm ngưng tụ hơi thoát khỏi tuabin

5 Bơm nước ngưng 5: Để bơm nước ngưng vào hệ thống gia nhiệt hồi nhiệt (7&10)

6 Bình khử khí 8: Chủ yếu để khử khí oxi trong nước cấp

7 Bơm nước cấp 9: Để bơm nước cấp vào lò hơi

8 Máy phát điện 6: Để phát điện

Quá trình ngưng hơi đẳng áp thực hiện trong bình ngưng 4, hơi sau khi thoát khỏi đuôi tuabin là hơi bảo hoà ẩm, nó được đẩy vào bình ngưng để nhận nhiệt hoá hơi và biến thành nước 3-3, là quá trình nén nước, từ áp suất p2 ở bình ngưng vào lò hơi có áp suất p1 nhờ bơm cấp 1 (quá trình xem là đoạn nhiệt), nó tiêu hao một công tương ứng Wp Thực tế WP<<WT Là quá trình gia nhiệt đẳng áp từ nước chưa sôi biến thành hơi quá nhiệt sau đó hơi này được đẩy vào tuabin

2.3 Các thiết bị khác:

Ngoài hai thiết bị chính là lò hơi và tuabin trong nhà máy nhiệt điện còn có thêm một số thiết bị / hệ thống thiết bị khác như sau:

- Máy phát điện: làm nhiệm vụ chuyển hóa cơ năng tại tua bin thành điện năng

- Lò hơi phụ: Cung cấp hơi tự dùng

- Hệ thống thiết bị đo lường, bảo vệ

- Hệ thống điều khiển cho nhà máy

- Hệ thống nước ngưng, nước cấp

- Hệ thống ống khói, thổi bụi, lọc rác bình ngưng

- Hệ thống bơm nước, bơm dầu

3 Hệ thống điều khiển trong nhà máy điện:

3.1 Các hệ thống HTC tổng hợp:

Hệ thống HTC tổng hợp là hệ thống thực hiện nhiều chức năng khác nhau Các chức năng này được tích hợp trong hệ thống nhất nhằm mục đích hỗ trợ, phối hợp thông tin trong toàn hệ thống để đảm bảo cho quá trình điều khiển và quản lý sản xuất hiệu quả nhất Hệ thống HTC tổng hợp bao gồm các chức năng cơ bản là:

- Chức năng đo lường các thông số của đối tượng để nhận biết và điều khiển đối tượng

- Chức năng kiểm tra các thông số của đối tượng để đánh giá và cảnh báo hay điều khiển đối tượng

- Chức năng nhận dạng đối tượng để điều khiển hay phân loại sản phẩm

-Chức năng chuẩn đoán kỹ thuật để phát hiện hỏng hóc để đưa ra phương án sửa chữa hay cảnh báo

- Chức năng điều khiển bao gồm:

+ Điều khiển hiện trường

+ Điều khiển giám sát

- Chức năng điều hành sản xuất: Tính toán, lập kế hoạch sản xuất theo hướng tối ưu hóa

- Chức năng truyền thông từ đối tượng lên máy tính và ngược lại

- Chức năng quản lý sản xuất, tính toán kinh tế, thương mại

- Chức năng giao tiếp người máy, thông tin được được đưa lên màn hình dưới dạng các trang màn hình, đồ thị, biểu bảng

Trong các hệ thống hiện đại người ta còn tích hợp một số chức năng khác như: Chức năng dự phòng, chức năng thiết kế, chức năng bảo mật, lưu trữ ,

Các hệ thống càng hiện đại thì tính năng càng trở nên ưu việt, càng có những ưu điểm nổi trội hơn và khắc phục được những nhược điểm của hệ trống trước đó Cùng với

sự phát triển của kỹ thuật điện tử, công nghệ thông tin và yêu cầu ngày càng cao của qua trình sản xuất công nhiệp mà các hệ thống HTC tổng hợp ngày càng được hoàn thiện phát triển hơn nữa

Dưới đây ta sẽ tìm hiểu cụ thể một số các hệ thống mà hiện nay đang được dùng phổ biến

3.1.1 Hệ thống SCADA:

a Khái niệm chung:

SCADA (Supervisory Control Data Acquisition): Hệ thống tự động điều khiển giám sát và thu nhập quản lý số liệu Các hệ SCADA được thực hiện trên sự phát triển ứng dụng máy tính Vì điều khiển vào điều khiển vào truyền tin, kết hợp với kỹ thuật đo lường và các sensor thông minh trong công nghiệp

SCADA là một công cụ tự động hóa công nghiệp dùng kỹ thuật vi tính PLC -RTU để trợ giúp cho việc điều hành kỹ thuật ở cấp trực ban của sản xuất công nghiệp từ cấp phân xưởng, xí nghiệp cho tới cấp độ cao nhất của một công ty

Tùy theo trọng tâm của nhiệm vụ mà một hệ thống SCADA có thể có những thành phần khác nhau nhưng thông thường có đủ các thành phần sau:

- Giao diện người - máy (sơ đồ công nghệ, đồ thị, phím thao tác)

- Cơ sở hạ tầng truyền thông công nghiệp

- Phần mềm kết nối với các nguồn dữ liệu (Driver cho các PLC, các modul vào, ra, các hệ thống Bus trường)

- Cơ sở dữ liệu quá trình

- Các công nghệ hỗ trợ trao đổi tin tức, quản lý sự cố và hỗ trợ báo cáo

Một hệ thống SCADA có thể thực hiện các công việc sau:

-Giám sát và phân tích họa động sản xuất của hệ thống

- Quản lý sản xuất

- Giám sát lỗi để đảm bảo chất lượng hoạt động sản xuất của hệ thống

b Sơ đồ cấu trúc của hệ thống SCADA

Hình 1.6 Sơ đồ cấu trúc hệ thống SCADA

Sơ đồ cấu trúc hệ thống SCADA như ở hình 2 2 Từ đối tượng các sensor (S) thu thập tín hiệu đo đưa vào các modul I/O để đưa vào PLC, các PLC có nhiệm vụ xử lý sơ

bộ thông tin đo sau đó truyền lên máy tính chủ thông qua hệ thống ProfiBus và từ máy tính chủ thông tin điều khiển lại được truyền về Actuator (A)

Để thực hiện nhiệm vụ điều khiển các đối tượng công nghiệp ở trung tâm bố trí hai máy tính dự phòng cho nhau đều được nối với Profi Bus Việc truyền thông tin được thực hiện bằng chuẩn RS485, giữa các máy tính là RS232 Hệ thống được thiết kế sao cho từ máy tính chủ người vận hành có thể can thiệp đến bất kỳ điểm nào trên hiện trường

c Chức năng của hệ thống SCADA:

- Hệ SCADA là hệ thống điều khiển tập trung, trong đó chức năng chính là thu nhập dữ liệu và giám sát, chỉ thực hiện mỗi phần chức năng điều khiển Thu nhập từ xa qua đường truyền số liệu các số liệu về sản xuất và tổ chức việc lưu trữ trong nhiều loại cơ sở lưu trữ, trong nhiều loại cơ sở dữ liệu (số liệu lịch sử về sản xuất, sự kiện thao tác về lao động) Dùng các cơ sở dữ liệu đó để cung cấp cho những dịch vụ về điều khiển- giám sát sản xuất

- Hiển thị báo cáo các tổng kết và quá trình sản xuất

- Điều khiển từ xa quá trình sản xuất

- Thực hiện các nhiệm vụ về truyền số liệu trong hệ và ra ngoài

- Khả năng phát triển Driver cho các phần cứng: Thông thường các nhà cung cấp công cụ phát triển hệ SCADA đều đã xây dựng sẵn các Driver cho hầu hết các PLC thông dụng Nghĩa là, hệ SCADA đảm nhận hầu như tất cả các chức năng cơ bản của một hệ thống HTC tổng hợp đó là: Chức năng đo lường, hiển thị, lưu trữ số liệu đo; chức năng kiểm tra

tự động, giám sát; chức năng nhận dạng, phân loại sản phẩm; chức năng chuẩn đoán kỹ thuật; chức năng điều khiển quá trình

Ngoài ra, còn có thể truyền số liệu ra ngoài thông qua Ethernet

Về chức năng dự phòng chỉ có máy chủ được dự phòng còn các PLC, I/O modul đều không có dự phòng do đó đó mà giảm độ tin cậy của hệ thống

d Đặc điểm của hệ thống SCADA

Hệ thống SCADA cho phép biểu diễn hệ thống thực hiện trên máy tính để quan sát trạng thái hiện thời và ghi lại các thông tin về hoạt động của hệ thống, nhờ đó mà người vận hành có thể dễ dàng xác định được vị trí xảy ra sự cố Không những thế các hệ SCADA hiện đại còn có khả năng chẩn đoán sự cố và có cách khắc phục trên cơ sở các

số liệu thu thập được

Hệ thống SCADA có một số đặc điểm như sau:

- Công nghệ SCADA cho phép thu thập dữ liệu từ nhiều thiết bị khác nhau từ xa và đưa một số lệnh điều khiển đến các thiết bị từ xa đó

- Về giao thức: Hệ SCADA là hệ điều khiển giám sát có giao thức truyền thông mở, modulbus hoặc tự định nghĩa giao thức truyền thông với PLC

- Tính linh hoạt: Hệ SCADA là một hệ thống có độ linh hoạt cao cho phép kết nối nhiều server với các bộ điều khiển khác nhau, mỗi Data server có thể có một cấu trúc cơ sở dữ liệu khác nhau và có nhiệm vụ giám sát với một số biến nhất định

- Khả năng dự phòng: Do nhiệm vụ chính của hệ SCADA không phải là điều khiển toàn

hệ thống mà chỉ tập trung giám sát nên yêu cầu về khả năng dự phòng là không cao, thông thường chỉ có dự phòng ở cấp trên cùng- máy tính chủ PC

- Hiển thị cảnh báo: Hiển thị các giá trị, tín hiệu cảnh báo, báo động đó chính là tín hiệu

về giá trị giới hạn và các trạng thái của thiết bị

- Đặc điểm nổi bật nhất của hệ SCADA là hệ thống tập trung Vì vậy, khả năng quản lý

hệ thống lớn rất hạn chế, chỉ phù hợp với các đối tượng vừa và nhỏ trong công nghiệp

e Ưu, nhược điểm của hệ thống SCADA:

- Ưu điểm:

+ Cấu trúc phần cứng của hệ SCADA đơn giản, giá thành rẻ

+ Các thiết bị phần cứng có thể được cung cấp từ nhiều nhà cung cấp khác nhau

+ Có thể vận hành hệ thống từ máy tính trung tâm

+ Quản lý được hệ thống vừa và nhỏ (nhỏ hơn 100 điểm)

+ Sử dụng các sensor thông minh trong công nghiệp

- Nhược điểm:

+ Là hệ thống tập trung cho nên không quản lý được những hệ thống lớn, phức tạp vì quá tải

+ Không có phần mềm chuyên dụng phục vụ cho dự phòng

+ Khả năng cho phép mở rộng các điểm đo và điều khiển là rất khó khăn

+ Tính ổn định của hệ thống chưa cao

+ Chỉ quản lý được những hệ thống nhỏ (dưới 100 điểm đo)

- Một số ứng dụng sử dụng hệ SCADA: Hệ thống điều độ ở trung tâm điều độ quốc gia

và địa phương, trong các nhà máy xi măng, bia, rượu, mía đường, giấy,

3.1.2 Hệ thống DCS:

a Khái niệm chung:

Để khắc phục những nhược điểm của hệ SCADA, từ năm 1992 các hãng đã đưa ra

hệ thống mới có cấu trúc phân tán gọi là hệ thống điều khiển phân tán DCS (Distribuited Control System) Phương pháp điều khiển như sau: Người ta đưa dây truyền sản xuất ra thành nhiều công đoạn khác nhau Mỗi công đoạn sẽ xây dựng một hệ đo và điều khiển gần như độc lập nhau do một CPU (máy tính công nghiệp) đảm bảo Các CPU sẽ giải quyết tất cả các nhiệm vụ đo và điều khiển trong một công đoạn của mình xong rồi báo cáo kết quả lên máy tính giám sát (máy tính chủ).Với cấu trúc như vậy, hệ DCS tỏ ra có nhiều lợi thế về mặt thu nhập xử lý thông tin cũng như khả năng quản lý rất mạnh, có thể đảm nhận việc điều hành những hệ thống lớn và rất lớn Hệ thống được thiết kế theo tiêu chuẩn ở OSI nên rất thuận lợi cho việc thay thế thiết bị khi có hỏng hóc cũng như trao đổi thông tin bằng cách kết nối với các hệ thống khác như Internet và có thể mở rộng khi cần thiết mà không phải thay đổi cấu trúc của hệ

Hệ DCS được thiết kế với độ tin cậy cao nhờ có dự phòng phần cứng và phần mềm, điều này cho phép nâng cao được tính ổn định của hệ thống Do đó, làm tăng năng suất lao động cũng như chất lượng sản phẩm ở đầu ra

b Sơ đồ cấu trúc của hệ DCS:

Sơ đồ cấu trúc một hệ thống DCS như hình 1.7

Trong đó gồm có:

- Trạm vận hành trung tâm ICS (Information and Command Station): Gồm máy tính (PC)

và các thiết bị phụ trợ khác, có chức năng hiển thị các thông tin vầ dây truyền, cho phép điều khiển dây truyền tư máy tính này Trong đó, giao thức người- máy HIS (Human Interface Station) được sử dụng chủ yếu cho việc vận hành và giám sát.Theo dõi thay đổi của các thông số quá trình, các giá trị điều khiển và đưa ra các báo cáo khi cần thiết để người vận hành có thể nắm bắt nhanh chóng trạng thái vận hành của quá trình sản xuất

- Trạm điều khiển hiện trường FCS (Field Control Station) gồm hai bộ CPU (trong đó có một bộ dự phòng) và các modul vào,ra Các trạm điều khiển hiện trường là trung tâm có

hệ thống điều khiển và thiết bị cần thiết cho nhà máy làm việc liên tục do FCS sử dụng các giao diện truyền thông để kết nối với hệ thống, với các thiết bị như thu nhập dữ liệu (DAQ) hay sensor và Actuator về chế độ dự phòng, mỗi CPU thực hiện cùng một quá trình tính toán và kết quả sẽ so sánh với nhau qua bộ so sánh Nếu kết quả giống nhau thì bản mạch sẽ hoạt động bình thường, kết quả được gửi tới bộ nhớ và card giao diện bus

Bộ nhớ chính sử dụng mã sửa sai để thay đổi nhanh chóng các bit bị sai trong quá trình truyền dữ liệu Nếu kết quả tính toán khác nhau, bộ so sánh sẽ đặt card CPU bị bất thường và chuyển sang card CPU dự phòng

Hình 1.7 Sơ đồ cấu trúc hệ thống DCS

- Bộ dự phòng sẽ thực hiện cùng một quá trình tính toán tương tự như trong bộ điều hành

và được chuyển sang trạng thái làm việc thì kết quả tính sẽ được truyền tới bộ nhớ và card giao diện bus mà không có sự gián đoạn của điều khiển Nếu một lối trong CPU bất thường được phát hiện thì chẩn đoán kỹ thuật được tiến hành kiểm tra phần cứng CPU, nếu có lỗi phần cứng này sẽ coi là lỗi tức thời và card CPU sẽ được chuyển từ trạng thái bất thường sang dự phòng

- Card modul vào,ra: Nhận tín hiệu trực tiếp từ hiện trường và đưa ra quyết định điều khiển Các modul ra chuyển đổi các định dạng dữ liệu số qua A/D trong FCS Các modul chuyển đổi các định dạng này ra các tín hiệu tương tự qua D/A với các thiết bị cho phép

nối RS486 như UT (có cổng Transmiter) mà các thiết bị này chỉ có chức năng hiển thị thông tin hoặc DAQ

- Thiết bị tại hiện trường gồm các sensor đo lường, các cơ cấu chấp hành (Actuator), các

bộ chỉ thị cảnh báo, điều khiển, các bộ chuyển đổi chuẩn hóa (Tranduser) hay một hệ thống thu nhập dữ liệu DAQ,

Như vậy, trong hệ thống DCS luôn có dự phòng, các thiết bị dự phòng bao gồm: máy tính chủ (PC), máy tính công nghiệp (CPU), các modul vào/ra (I/O modul) và các bộ nguồn đảm bảo hệ thống luôn làm việc ổn định không phải dừng máy khi hỏng hóc Nhờ vậy, năng suất lao động được tăng cao và có chất lượng sản phẩm đầu ra

c Chức năng của hệ thống DCS:

- Chức năng đo lường các thông số của đối tượng công nghiệp, hiển thị và lưu trữ số liệu

- Chức năng điều khiển:

+ Điều khiển quá trình

+ Điều khiển logic (logic rõ và logic mờ)

+ Điều khiển trình tự

- Chức năng nhận dạng để điều khiển và để phân loại sản phẩm

- Chức năng chẩn đoán kỹ thuật để phát hiện hỏng hóc, phục vụ cho dự phòng và sửa chữa, thay thế (xử lý sự cố)

- Chức năng dự phòng (cả phần cứng và phần mềm)

- Chức năng bảo toàn hệ thống (System Safety)

- Chức năng tổ chức sản xuất theo hướng tối ưu hóa (tốn ít nguyên liệu, nhiên liệu nhất), lập kế hoạch sản xuất,

- Hệ thống có chứa các trạm kỹ thuật (EWS - Engineering Work Station) thực hiện các chức năng thừa kế, định nghĩa các thiết bị kết nối trong hệ thống EWS thực hiện chức năng phân vùng quản lý hệ thống

- Chức năng giao diện người máy HIS Chức năng này do trạm vận hành OS (Operating Station) thực hiện bao gồm máy tính cá nhân PC, màn hình, bàn phím chuyên dụng, có khả năng hiển thị các thông tin cuat hệ thống dưới dạng các trang màn hình

- Thế mạnh của hệ DCS là khả năng xử lý dữ liệu tương tự và thực hiện các trình tự phức tạp (điều khiển trình tự) và tối ưu hóa các quá trình (điều khiển quá trình)

d Đặc điểm của hệ thống DCS:

- Hiện trường được tách làm nhiều công đoạn, mỗi công đoạn do một CPU đảm nhận, các CPU này hoạt động độc lập nhau, kết quả được báo cáo lên máy tính chủ (PC) do đó mà hạn chế được việc tắc nghẽn thông tin cũng như xung đột thông tin như ở hệ SCADA

- Do cấu trúc phân tán mà hệ DCS có thể quản lý được đối tượng công nghiệp lớn phức tạp

- DCS cho phép biểu diễn toàn bộ các quá trình, thiết bị trong nhà máy thông qua các đối tượng đồ họa và các giao thức điều khiển

+ Giao diện tiện lợi, các chức năng dự phòng linh hoạt

+ Có khả năng đáp ứng nhanh, tốc độ truyền thông tin cao

+ Có thể kết nối với Enthernet, Internet và dễ kết nối với các hệ thống khác như các hệ SCADA, SubDCS,

+ Giao diện rõ ràng, dễ hiểu, tiện lợi cho người vận hành

+ Thích hợp cho các đối tượng lớn, phức tạp (các dây truyền sản xuất lớn)

+ Có khả năng mở và tính tích hợp cao: Có thể thay đổi bất kỳ thiết bị của hãng nào hoặc

mở rộng, nâng cấp khi có điều kiện, kết nối với mạng máy tính toàn cầu,

+ Truy cập dữ liệu sử dụng các tagname: tagname là một tên gọi bất kỳ được định nghĩa bởi người sử dụng, được áp dụng cho tất cả các khối chức năng và các điểm I/O trong

trạm điều khiển Do vậy, người vận hành theo dõi hệ thống có thể truy cập tới bất kỳ một đối tượng nào trong hệ thống thông qua các tagname

- Các hệ thống mới có tính năng mở tốt hơn, một số điều khiển lai (Hybrigde control system) đảm nhận cả chức năng điều khiển quá trình, điều khiển trình tự và điều khiển logic

- Để hỗ trợ các bài toán điều khiển quá trình diễn ra đồng thời, khối xử lý trung tâm được cài đặt một hệ thống điều hành thời gian thực, đa nhiệm hoặc của riêng nhà sản xuất phát triển hoặc một sản phẩm thông dụng như PSOS, TSOS, VRTX Chu kỳ thời gian nhỏ nhất thực hiện các mạch vòng điều khiển thường nằm trong khoảng 10 đến 100 ms, trong trường hợp đặc biệt (Ví dụ cho nhà máy điện) có thể đạt 1ms

- Một số sản phẩm tiêu biểu:

+ Advant OCS (ABB); Advant Controller; hệ điều hành riêng

+ Freelance 2000 (ABB): D-PS hoặc D-FC, hệ điều hành PSOS

+ Delta V (Fisher – Rosemount): Visual controller; hệ điều hành TSOS

+ Plant Scape (Honeywell); Plant Scape controller, hệ điều hành riêng

+ Centum CS1000/3000: PFC-E, AFS10/AFS20, hệ điều hành ORKID

 Hệ thống DCS trên miền PLC

Một vấn đề đặt ra là từ năm 1992 khi ra đời hệ DCS thì các nhà máy, cơ sở sản xuất được trang bị bởi hệ thống SCADA đang có nhu cầu nâng cấp Tuy nhiên

hệ SCADA lại là hệ tập trung, không có tính mở cho nên khả năng mở rộng là rất hạn chế vì vậy làm sao để kết hợp được hệ thống SCADA cũ có hệ DCS mới Một giải pháp đã được đưa ra Đó là phần thiết kế theo hướng DCS nhưng

ở phần hiện trường bên dưới sử dụng thiết bị của hệ SCADA cũ bao gồm các Sensor, Actuator, và các PLC Ta gọi là hệ lai giữa SCADA và DCS

Hệ thống cũ được chia ra làm nhiều công đoạn, mỗi công đoạn phần hiện trường từ các Sensor (S) thông tin qua các I/O module đến PLC, qua Profibus để đưa vào CPU, từ các CPU qua các bit điều khiển vào máy tính chủ PC Các PLC ghép mạng với nhau và ghép nối với CPU, các PLC có nhiệm vụ thu thấp số liệu

từ hiện trường qua CPU cổng ghép nối RS485 đưa đến CPU, CPU sẽ xử lý kết quả

đo và đưa ra quyết định điều khiển thông qua PLC này, đồng thời cho phép vận hành hệ thống từ máy tính này Khi người điều hành ra quyết định điều khiển một quá trình nào đó, máy tính sẽ chuyển lệnh xuống hệ CPU và hệ nãy sẽ thực hiện các thao tác cần thiết để điều khiển quá trình theo yêu cầu Thiết bị hiện trường bao gồm các Sensor đo lường, cơ cấu chấp hành, các bộ chỉ thị cảnh báo, các bộ điều khiển

- Ưu điểm của hệ thống:

+ Nhờ có ghép nối PLC hệ thống có thể đảm nhiệm cả điều khiển quá trình và điều khiển trình tự

+ Có thể điều khiển tổng điểm của hệ thống trực tiếp từ máy tính trung tâm + Tận dụng được các thiết bị có sẵn của hệ thống SCADA cũ

+ Có chế độ dự phòng cho CPU, I/O module và bộ nguồn cung cấp

- Nhược điểm của hệ thống:

+ Tính ổn định của hệ thống không cao

+ Tuy có dự phòng cho CPU nhưng tại các PLC lại không có chế độ dự phòng nên độ tin cậy của hệ thống bị giảm

 Hệ thống DCS trên nên PC

Giải pháp sử dụng máy tính cá nhân (PC) trực tiếp làm thiết bị điều khiển, không những được bàn tới rộng rãi mà đã trở thành thực tế phổ biến trong nhưng năm gần đây Nếu so với các hệ CPU của DCS truyền thống hay PLC thế hệ mới (PLC S7-400 chẳng hạn) thì thế mạnh của PC không những nằm ở tính năng mở, khả năng lập trình tự do, hiệu năng tính toán cao và đa chức năng mà còn ở khía cạnh kinh tế Các bước tiến lớn trong kỹ thuật máy tính, công nghệ phần mềm và công nghệ Bus trường chính là các yếu tố thúc đẩy khả năng cạnh tranh của PC trong công nghiệp Sơ đồ cấu trúc giống với một hệ DCS truyền thống duy chỉ có các CPU sẽ được thay thế bởi máy tính PC DCS trên nền PC là một hướng phát triển mới của hệ DCS Một số sản phẩm trên thị trường như PCS7 (Siemens), giải pháp (Slot-PLC), IA (Invensys), CENTUM VP (Yokogawa), Ovation (Emerson) theo hướng này

- Ưu điểm của hệ thống:

3.1.3 Hệ thống thông tin tích hợp - Hệ thống IIS (Integrated Information System)

Vào năm 1998, tại hội nghị khoa học thế giới về tự động hóa tổ chức tại Nhật Bản

đã đưa ra ý tưởng xây dựng một hệ thống thích hợp thông tin Trong hệ thống này sẽ tích hợp tất cả các loại thông tin bao gồm:

- Thông tin đo lường điều khiển đối tượng công nghiệp

- Thông tin về hoạt động của cá dây truyền công nghiệp

- Thông tin về quá trình điều hành sản xuất

- Thông tin về kinh tế

- Thông tin về năng lực của nhà máy

- Thông tin về giao dịch thương mại

Đến năm 2002, một hệ thống như vậy đã ra đời, hệ IIT của hãng ABB, đến năm 2005 nó nhận giải thưởng quốc tế do những tính năng vượt trội của nó

- Về mặt cấu trúc của hệ thống không khác mấy so với hệ DCS, cũng có những đặc điểm như hệ phân tán, tính năng mở có các CPU mạnh

- Về mặt chức năng, ngoài chức năng điều khiển, chức năng giám sát như hệ DCS, hệ thống còn đảm nhiệm chức năng điều hành sản xuất đó là:

+ Quản lý kinh tế cấp công ty: Theo dõi đánh giá kết quả sản xuất toàn công ty

+ Lập kế hoạch sản xuất dựa vào tình trạng thiết bị, đầu vào, đầu ra sản phẩm

+ Tính toán kinh tế:

• Thống kê số liệu về sản xuất kinh doanh, tổng chi phí, nguyên liệu, nhiên liệu, chi phí tiền lương công nhân, các chi phí khác

• Tính toán giá thành sản phẩm đầu ra

• Tính toán lỗ lãi cho hàng ngày

• Xử lý đơn đặt hàng, giao dịch thương mại

• Quản lý kho tàng

+ Hoạch định tài nguyên của công ty về:

• Tài chính

• Nhân lực sản xuất

• Vật tư nguyên liệu, nhiên liệu

+ Dự báo về sự phát triển hay suy thoái của sản xuất để đưa ra những chiến lược thích ứng cho từng tháng, từng quý hay từng năm

Phải nói rằng hệ thống IIS là hệ thống hoàn chỉnh, ngày càng đóng vai trò quan trọng trong sản xuất kinh doanh ở các xí nghiệp công nghiệp

Như vậy, hệ IIS là hệ thống điều khiển tích hợp có tính năng vượt trội so với các

hệ khác, nó được phát triển dựa trên sự kế thừa của hệ DCS, khắc phục được những nhược điểm của hệ DCS về quản lý sản xuất và kinh tế Tuy nhiên, đó là hệ thống có giá thành cao

3.2 Lựa chọn hệ thống điều khiển cho nhà máy nhiệt điện:

Theo các phân tích và đánh giá ở trên ta nhận thấy: Quy mô nhà máy nhiệt điện có

số lượng đầu vào/ đầu ra lớn, các mạch vòng điều khiển phức tạp, số lượng bộ điều khiển

PID lớn, các cụm thiết bị không tập trung trong cùng một khu vực, không có điều khiển theo trình tự lớn hay điều khiển mẻ Ngoài ra, yêu cầu độ ổn định của hệ thống cao, khả năng mở rộng hay nâng công suất nhà máy trong tương lai lớn Mặt khác,yêu cầu về chi phí đầu tư và vận hành vẫn có thể đáp ứng được Vì vậy, ta nên chọn hệ thống điều khiển DCS cho nhà máy nhiệt điện do nó những ưu điểm vượt trội hơn hẳn hệ thống dùng PLC kết hợp với máy tính

Theo xu hướng hiện nay, người ta thường tích hợp hệ thống điều khiển DCS với các hệ thống thông tin nhằm quản lý kinhh tế cấp công ty, lập kế hoạch sản xuất, tính toán tổ chức sản xuất theo hướng tối ưu hóa mà hệ thống DCS là hệ thống mở nên việc tích hợp các hệ thống này cũng trở nên dễ dàng hơn

Hiện nay, trong các nhà cung cấp hệ thống điều khiển ở Việt Nam (Yokogawa, Honeywell, Invensys, Emerson, ABB, … ) thì Yokogawa là nhà cung cấp hệ thống điều khiển DCS có nhiều kinh nghiệm trong các nhà máy nhiệt điện, ví dụ như: Nhà máy Nhiệt điện Phả Lại 1,2; Nhà máy nhiệt điện Mông Dương 2; Nhà máy nhiệt điện Nghi Sơn; Nhà máy nhiệt điện Vũng Áng Do có chi phí đầu tư tương đối thấp hơn so với hệ thống điều khiển của các hãng khác Ngoài ra, hệ thống hoạt động rất ổn định và chi phí vận hành thấp Cùng với sự phát triển không ngừng của các ngành điện tử, công nghệ thông tin mà các hãng luôn cho ra đời các sản phẩm mới Để đáp ứng với xu thế Yokogawa cũng cho ra đời hệ thống điều khiển DCS CENTUM VP Để tìm hiểu rõ hơn

về hệ thống tác giả đã lựa chọn đề tài luận văn là: “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển phân tán (DCS) cho nhà máy nhiệt điện trên nền hệ thống điều khiển DCS CENTUM VP của Yokogawa”

Chương II: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DCS CENTUM VP CỦA YOKOGAWA

A Các đặc điểm nổi bật của hệ thống CENTUM VP

Từ những năm 1997, Yokogawa đã lựa chọn những giải pháp công nghệ ETS (Enterprise Technology Solution) cho những khái niệm kinh doanh mới ETS đảm bảo cho mục đích cung cấp các giải pháp tối ưu trên quan điểm quản lý doanh nghiệp để thỏa mãn mọi yêu cầu của khách hàng và sự hy vọng vào sự phát triển của trình độ khoa học kỹ thuật trong phạm vi từ cấp điều khiển đến cấp quản lý thông tin doanh nghiệp

Kế thừa và phát triển các đặc điểm của những hệ thống CENTUM trước đó, hệ thống CENTUM VP có những đặc điểm nổi bật sau:

1 Hiệu năng cao:

Bên cạnh những ưu điểm về chức năng điều khiển linh hoạt cao của hệ thống CENTUM trước, CENTUM VP còn gồm những đặc điểm cơ bản sau:

- Được trang bị các chức năng nhúng và liên kết đối tượng OLE cho điều khiển quá trình bằng trạm OPC (OLE for Process control Server)

- Hỗ trợ Foundation Fieldbus, cho phép kết nối các thiết bị bus trường dễ dàng (sensor

và cơ cấu chấp hành)

- Cho phép ghép nối dễ dàng với các thiết bị điều khiển lập trình PLC

- Cấu trúc dữ liệu mở cho phép sử dụng các công cụ mở rộng để tính toán thay đổi và quản lý các thông số kỹ thuật của hệ thống

2 Giao diện thân thiện:

Sử dụng hệ điều hành Windows trong giao diện người máy HIS, hệ thống CENTUM VP cho phép các ứng dụng Windows phổ biến trong hầu hết các máy tính PC hiện nay, cho phép sử dụng các phần cứng giá thành thấp, thông thường của các hãng làm trạm giám sát vận hành HIS, cho phép dữ liệu có thể trao đổi rộng rãi với các ứng dụng kể cả ứng dụng kinh doanh

3 Nâng cao hiệu quả sản xuất:

Hệ thống CENTUM VP có các chức năng công nghệ mở rộng phù hợp với các hệ thống điều khiển quy mô lớn Trong thời gian vận hành của nhà máy, hệ thống DCS có thể thường xuyên phải thay đổi và mở rộng để phù hợp với sự thay đổi và mở rộng các công nghệ Hệ thống CETUM VP cho phép tách nâng cấp công nghệ với việc vận hành

hệ thống sẵn có, vì vậy có thể thực hiện hiệu quả mà không ảnh hưởng đến hiệu quả sản xuất của nhà máy

4 Tối ưu hóa sản xuất qua môi trường mở:

Hệ thống DCS có thể được sử dụng để tối ưu hóa sản xuất trên quan điểm hệ thống quản lý doanh nghiệp ERP (Enterprise Resource Planning), hay hệ thống vận hành sản xuất MES (Manufacturing Excution System), cũng như dễ dàng tạo ra hệ thống thông tin quản lý có tính chiến lược cho doanh nghiệp Trên quan điểm sản xuất,

hệ CETUM VP có thể được đồng bộ hóa với hệ thống con như hệ thống tự động hóa xí nghiệp FA (Factory Automation), các thiết bị khả trình PLC, nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất, tính ổn định và linh hoạt của hệ thống

5 Những đặc điểm và tính năng cơ bản khác:

- Khả năng mạnh của các chức năng vận hành giám sát: Có thể có tới 2500 cửa sổ tạo ra bởi người dùng cho công việc vận hành và giám sát quá trình Thời gian update chương trình nhỏ (khoảng 1 giây), trên các cửa sổ đồ họa ta có thể chạy chương trình Visual Basic và hiển thị sự vận động của quá trình, sử dụng các phím vận hành thực hiện các chức năng như những phím tắt gọi chương trình

- Trạm điều khiển (gồm 2 trạm): có dự phòng kép CPU và dự phòng V-net bus, card nguồn Trạm điều khiểm có 2 dạng (dạng chuẩn và dạng compact)

- Các modul vào ra tích hợp

- Chức năng điều khiển và truyền thông mạnh

- Hiệu quả kỹ thuật: Các chức năng tương tác với hệ thống, thiết kế với số đầu vào cần thiết tối thiểu, các dữ liệu kỹ thuật có thể được đặt tên và lưu lại dưới các dạng file dữ liệu Một bộ phận của cấu hình hay định nghĩa cho một đơn vị nào đó trong hệ có thể lưu lại và đưa ra sử dụng lại, các dữ liệu kỹ thuật có thể được xuất (export) ra các chương trình ứng dụng khác chạy trên PC và ngược laijnhuw những dữ liệu kỹ thuật

- Chức năng kiểm tra ảo không cần phải có phần cứng tham gia: Có thể kiểm tra các chức năng trên phần mềm mô phỏng mà không cần có yếu tố phần cứng Trên đó cũng

có thể thực hiện các công việc thiết kế, gỡ rối chương trình chỉ cần máy tính PC thông thường và phần mềm hỗ trợ của hệ thống CENTUM VP

- Hệ thống CENTUM VP cũng có thể thiết lập được hệ thống tối ưu, hệ thống mở có sự tích hợp của CENTUM VP với nhiều hệ thống phụ khác

B Hệ DCS CENTUM VP:

I Cấu hình chung:

1 Hệ thống DCS được chia làm 3 phần:

- Phần 1: Điều khiển khối 1

- Phần 2: Điều khiển khối 2

- Phần 3: Điều khiển phần chung

Các phần được liên kết với nhau bằng Bus Converter sao cho các giao diện HIS của mạng điều khiển phần chung có thể điều khiển được các khối, nhưng các HIS của khối này không thể điều khiển được khối khác Mặt khác, các BUS Converter sẽ cách ly

về điện giữa các mạng điều khiển của từng khối và phần chung

Giám sát toàn bộ quá trình hoạt động của nhà máy, bao gồm:

- SUPERVISORS PC: Giám sát chung

- HISTORIAN: Là các máy tính có dung lượng lớn dùng để lưu trữ các thông tin vận hành của nhà máy, sử dụng phần mềm quản lý dữ liệu PI (Plant Information) Các HISTORIAN lấy thông tin từ các FCS thông qua các OPC SERVER, từ bộ ghi tuần tự SOE

- OPC SERVER là các máy tính quản lý truyền dữ liệu qua các giao thức mạng khác nhau, từ FCS qua VNETIP đến OPC SERVER rồi qua mạng ETHERNET và đưa đến HISTORIAN Ở mỗi phần có 2 máy OPC SERVER, một cho thu nhập tín hiệu tương

- Gồm 10 trạm giao diện HIS kiểu màn hình kép cho khối 1 và khối 2 mỗi khối 5 trạm

- Phần chung có 2 trạm giao diện

Giao diện HIS thực chất là các máy tính với bàn phím được thiết kế riêng cho việc điều khiển nhà máy Các máy tính này chạy trên hệ điều hành WindowsNT trên đó có cài đặt phần mềm điều khiển CENTUMVP Trên màn hình vận hành sẽ cung cấp tất cả các

sơ đồ công nghệ, thông số vận hành, cửa sổ điều khiển, các điểm đặt, đồ thị, báo động

Cấp điều khiển:

Thực hiện điều khiển các quá trình của nhà máy, mỗi khối có 12 trạm

điều khiển LFCS và 2 trạm PFCS

Phần chung có 3 trạm điều khiển kiểu LFCS và 6 trạm PFCS

Việc xử lý tính toán của hệ thống DCS được thực hiện thông qua các FCS Trên FCS có các khối vi xử lý, khối thông tin liên lạc, khối nguồn và các khối vào/ra Tín hiệu liên lạc giữa bộ vi xử lý và các khối vào/ra được thực hiện thông qua đường truyền dữ liệu RIO BUS có tốc độ truyền tin là 1Mb/s

Cấp chấp hành:

Bao gồm toàn bộ các thiết bị của hai khối và các hệ thống điều khiển khác như:

- Hệ thống điều khiển Mark V

Mạng VnetIP:

Mạng VnetIP sử dụng để kết nối giữa các trạm điều khiển FCS với nhau và giữa các FCS với các giao diện HIS Mạng này sử dụng giao thức truyền tin Token passing với thời gian truyền tin là 100m/s và tốc độ truyền tin là 1Gbs full duplex

- Dual RS422/485 Modbus là hệ thống liên lạc nối tiếp dự phòng kép

thông qua cổng RS422/485 giữa hệ thống DCS với các hệ thống điều khiển phụ trợ khác như Mark V, PLC

- HUB hoặc System HUB ghép nối mạng Ethernet theo kiểu hình sao

Hệ thống điều khiển DCS được trang bị với độ tin cậy cao bởi hệ thống dự phòng kép cho tất cả các bộ phận xử lý, thông tin liên lạc, nguồn cung cấp

- Master Clock là đồng hồ thời gian chuẩn lấy tín hiệu từ vệ tinh để đặt thời gian chuẩn cho hệ thống điều khiển

Tại phòng điều khiển trung tâm người vận hành có thể lựa chọn chế độ điều khiển AUT hoặc MAN Với bất kỳ chế độ điều khiển nào thì mọi thông số và tình trạng hiện thời của thiết bị đều có thể truy cập từ cả 2 nơi: Giao diện vận hành HIS tại phòng điều khiển trung tâm và giao diện vận hành tại chỗ

II Cấu hình phần cứng:

Cấu hình cơ bản của phần cứng:

Hệ thống CENTUMVP bao gồm: HIS (Human Interface Station) dùng để điều khiển các chức năng vận hành và giám sát, FCS (Field Control Station) thực hiện chức năng điều khiển, và mạng điều khiển (VnetIP) kết nối giữa các trạm trên Các chức năng khởi tạo, định nghĩa của hệ thống làm việc trong HIS và các máy tính PC sử dụng cho mục đích chung

Hình 2.1 Cấu hình cơ bản hệ thống DCS CENTUMVP 1.1 HIS - Human Interface Station (Trạm vận hành):

- Card giao diện VnetIP

Card giao diện VnetIP (VI702) là 1 card truyền thông được lắp đặt trong máy tính

PC Card VI702 có 2 cổng để hỗ trợ cho việc truyền tin dự phòng kép Chức năng vận hành và giám sát có thể thực hiện được trên PC nhờ việc lắp đặt VI702 với phần mềm

đi kèm và kết nối cáp V net với card VI702 đó

+ Panel phía trước của card giao diện VnetIP

 Đèn: Đèn này sáng khi nhận tín hiệu

 Đèn SND: Đèn này sáng khi có tín hiệu được gửi

 Đầu nối Ethernet:

Đầu nối này được sử dụng để kết nối cáp tín hiệu điều khiển tới VI702 Đầu nối sử dụng dây mạng LAN tiểu chuẩn CAT5e

Hình 2.2 Panel phía trước của card giao diện VnetIP

VnetIP

+ Đặt đia chỉ VnetIP của trạm

Địa chỉ VnetIP của trạm được định nghĩa bởi sự kết hợp của số Domain (vùng) và

số Station (trạm) Các công tắc DIP switches dùng để đặt số vùng và số trạm được đặt trên bo mạch in của VI702 (xem hình vẽ)

Trong cấu hình chuẩn của FCS, các thành phần chính của nó gồm 2 khối Nest vào/ra (I/O module Nest) chứa các mô đun vào/ra để chuyển các tín hiệu đi và về từ thiết

bị Bằng việc thêm 1 rack mở rộng vào/ra, một FCS có thể có tới 5 nest mô đun vào/ra FCS bao gồm các Node, I/O Nest và mạng tín hiệu RIO bus

 Cấu hình của PFCS:

Hình vẽ dưới đây cho thấy cấu hình tối đa của một LFCS kép kiểu rack Đối với kiểu CPU đơn, các card và các khối chứa trong LFCS được lắp đặt ở nửa bên phải của rack

Hình 2.4 Cấu hình của LFCS kiểu rack treo

- Khối nguồn trong FCU

Khối nguồn trong FCU nhận nguồn cấp từ bo mạch phân phối nguồn, biến đổi nó thành điện áp 1 chiều được cách ly, và cấp nguồn 1 chiều đó tới mỗi khối và card trong FCU

- Khối vi xử lý của LFCS

Hình vẽ dưới đây cho thấy cấu hình của 1 LFCS kép kiểu rack Đối với kiểu CPU đơn, các card và các khối được lắp đặt ở nửa bên phải của rack

Hình 2.5 Khối xử lý

- Khối pin trong FCS

Khối pin đwợc sử dụng để cấp nguồn dự phòng cho bộ nhớ của khối xử lý khi nguồn cấp bị sự cố

Đặc tính của khối pin trong CPU:

- Chu kỳ dự trữ của pin: Tối thiểu là 72 giờ

- Tuổi thọ pin: Thay đổi theo nhiệt độ môi trường

 3 năm nếu nhiệt độ môi trường trung bình ≤ 300 C

 1,5 năm nếu nhiệt độ môi trường trung bình ≤ 400 C

 9 tháng nếu nhiệt độ môi trường trung bình ≤ 500 C