Nghiên cứu xây dựng hệ thống scada cho nhà máy nước long sơn 5 000 m3 ngàyđêm thị xã tân châu, tỉnh an giang

Nghiên cứu xây dựng hệ thống scada cho nhà máy nước long sơn 5 000 m3 ngàyđêm thị xã tân châu, tỉnh an giang Nghiên cứu xây dựng hệ thống scada cho nhà máy nước long sơn 5 000 m3 ngàyđêm thị xã tân châu, tỉnh an giang Nghiên cứu xây dựng hệ thống scada cho nhà máy nước long sơn 5 000 m3 ngàyđêm thị xã tân châu, tỉnh an giang Nghiên cứu xây dựng hệ thống scada cho nhà máy nước long sơn 5 000 m3 ngàyđêm thị xã tân châu, tỉnh an giang

Nội dung luận văn này đưa ra kết quả nghiên cứu, xây dựng mô hình điều khiển và giám sát vận hành của nhà máy nước sử dụng phần mềm Scada WinCC

và thiết bị điều khiển lập trình PLC Trên cơ sở vận hành của hệ thống trong nhà máy cung cấp nước sạch, tác giả thiết kế chương trình điều khiển và giám sát vận hành các thiết bị trong phạm vi của nhà máy thông qua giao diện được thiết

kế tương thích với cấu trúc của nhà máy Qua đó đánh giá khả năng áp dụng các công nghệ mới vào cải tạo và nâng cấp, vận hành các nhà máy xử lý nước đang vận hành theo phương thức truyền thống Từ đó đưa ra khả năng ứng dụng công nghệ điều khiển và giám sát trong quản lý vận hành trạm theo phương thức điều khiển và giám sát từ xa, không cần nhiều người vận hành nhà máy

Trang 1

ABSTRACT

This article introduces the results of research on assemblying the control model and supervising the operation of the water treatment plant using Scada WinCC software and PLC, to design the control program and monitor the operation of equipments within the water plant through the interface designed compatible with the plant structure This research has helped to assess the renovation and upgrading possibility of water treatment system which are operated under the traditional method in the water supply As a consequence, applications of substation monitoring and controlling technology are proposed to control un-manned substations remotely

Trang 2

MỤC LỤC

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH SÁCH CÁC HÌNH 5

DANH SÁCH CÁC BẢNG 8

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 9

1.1 Lý do chọn đề tài và tính cấp thiết của để tài: 9

1.2 Tổng quan công nghệ áp dụng cho nhà máy nước Long sơn,

thị xã Tân Châu, tỉnh An Giang: 10

1.3 Yêu cầu kỹ thuật điều khiển cho nhà máy nước Long Sơn: 14

1.4 Mục đích nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu và phạm vi

nghiên cứu: 20

1.5 Phương pháp nghiên cứu: 20

1.6 Đóng góp và điểm mới của luận văn: 21

1.7 Nội dung của luận văn: 21

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CHO HỆ THỐNG 23

2.1 Cơ sở lý thuyết nhận dạng: 23

2.2 Phân tích bộ điều chỉnh pid trong hệ thống điều khiển quá trình: 34

CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN HỆ THỐNG SCADA CƠ BẢN 48

3.1 Tổng quan: 48

3.2 Phần cứng hệ thống scada: 48

3.3 Phần mềm hệ thống scada: 63

3.4 Giao thức (protocol): 64

CHƯƠNG 4: GIẢI PHÁP MẠNG TRUYỀN THÔNG HỆ THỐNG SCADA 66

4.1 Phân tích lựa chọn giải pháp của hãng Siemens: 66

4.2 Mạng truyền thông công nghiệp của Siemens – Simatic net: 68

CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH 76

5.1 Xây dựng mô hình thiết kế: 76

5.2 Làm việc với phần mềm TIA PORTAL V13 SP1: 92

Trang 3

5.3 Làm việc với một trạm PLC: 98

5.4 Thực hiện chương trình PLC điều khiển thiết bị nhà máy: 101

5.5 Tìm hiểu khối hàm PID_compact trong TIA portal: 108

CHƯƠNG 6 : CẤU HÌNH HỆ THỐNG SCADA NHÀ MÁY 120

6.1 Giới thiệu phần mềm WinCC Exploer 7.3: 120

6.2 Những ứng dụng phổ biến nhất của WinCC: 121

6.3 Cấu hình của WinCC hệ thống cấp nước Long Sơn: 124

6.4 Yêu cầu hệ thống Scada cho nhà máy cấp nước Long Sơn: 130

CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 145

7.1 Kết luận: 145

7.2 Hướng phát triển đề tài: 146

PHỤ LỤC 1: QUY CHUẨN ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC 150

PHỤ LỤC 2: LẬP TRÌNH BẢNG ĐIỀU KHIỂN 151

PHỤ LỤC 3: GIỚI THIỆU BIẾN TẦN DANFOSS VLT FC 102 154

PHỤ LỤC 4: HÌNH ẢNH THỰC TỀ TỦ ĐIỀU KHIỂN 158

TÀI LIỆU THAM KHẢO 162

Trang 4

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1 SCADA Supervisory Control And Data

Acquisition

3 PID Proportional Integral Derivative

4 MTU Master Terminal Unit

6 PLC Programable logic controller

9 VPN Virtual Private Network

15 TCP/IP Transmission Control Protocol and

Internet Protocol

16 ADC Analog digital converter

Trang 5

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.2 Biểu đồ % tốc độ và % năng lượng tiêu thụ 17

Hình 1.3 Sơ đồ kết nối máy bơm và biến tần 18

Hình 2.1: Sơ đồ khối mô tả đối tượng điều khiển 25

Hình 2.2: Đặc tính của động cơ bơm 25

Hình 2.3 Sơ đồ khối với kích thích đầu vào và hàm nấc đơn vị 27

Hình 2.4: Đáp ứng đầu ra của động cơ bơm khi kích thích đầu vào

hàm nấc đơn vị 30

Hình 2.5: Phương pháp đồ thị đáp ứng quá độ sử dụng 2 điểm

quy chiếu 32

Hình 2.6: Sơ đồ khối của một bộ PID 35

Hình 2.7: sơ đồ khối hệ thống 35

Hình 2.8: Hệ thống điều khiển PI có cấu trúc vòng kín 40

Hình 3.1: Cấu trúc phần cứng một hệ thống SCADA 49

Hình 3.2: Thiết bị giao tiếp dữ liệu đầu cuối 49

Hình 3.3: Sơ đồ khối RTU 51

Hình 3.4: Các môi trường truyền thông 54

Hình 3.5: Trung tâm điều khiển 56

Hình 3.6: Cấu trúc một hệ thống máy tính tại trung tâm 59

Hình 3.7: Cấu trúc của RTU communication Servers 59

Hình 3.8: Các thành phần chính của màn hình HMI 61

Hình 3.9: Mạng cục bộ (LAN)-Ethernet 62

Hình 3.10: Các trung tâm điều khiển được liên kết 63

Hình 4.1: Truyền thông Mạng PPI 69

Hình 4.2: Sơ đồ truyền thông mạng MPI 71

Hình 4.3: Sơ đồ truyền thông mạng profilebus 72

Hình 4.4: Sơ đồ truyền thông mạng Ethernet 74

Trang 6

Hình 5.1: Quá trình kỹ thuật hệ thống Scada cho nhà máy nước

Long Sơn 76

Hình 5.2: Thiết bị cảm biến và đo lường MAG5000 78

Hình 5.3: Thiết bị cảm biến và đo lường MAG3000 79

Hình 5.4: Sơ đồ hoạt động bên trong của cảm biến 83

Hình 5.5: Chip Silic điện trở R1 R4 84

Hình 5.6: Cầu điện trở 85

Hình 5.6: Ảnh thực tế E8AA-M05 86

Hình 5.7: Tủ đo lường các chỉ số chất lượng nước 88

Hình 5.8: Ảnh và sơ đồ đấu dây PLC S7-1200 CPU 1214C AC/DC/RL 90

Hình 5.9: Khối lập trình OB1 104

Hình 5.10: Khối FC2 lập trình đo Analog 105

Hình 5.11: Kết nối PLC, biến tần, HMI 106

Hình 5.12: Thiết kế giao diện HMI cho bơm nước sạch 106

Hình 5.13: Trang control pump của HMI nước sạch 107

Hình 5.14: Trang cài đặt thông số thời gian và áp lực của HMI

nước sạch 107

Hình 6.1: Kết nối mạng trong hệ thống 120

Hình 6.2: Ứng dụng WinCC trong các lĩnh vực 123

Hình 6.3: Tạo một dự án mới dùng WinCC 124

Hình 6.4: Kết nối WinCC đến các trạm PLC 125

Hình 6.5: Tạo tag cho khu vực connection Nước sạch 126

Hình 6.6: Tạo hình ảnh đồ họa cho quá trình 127

Hình 6.7: Phòng điều khiển giám sát trung tâm 130

Hình 6.8: Giao diện người - máy HMI 131

Hình 6.9: Trang Overview 132

Hình 6.10 : Trang Intake pumping station (trạm bơm nước thô) 132

Hình 6.11: Trang MIXING CHAMBER (trộn – phản ứng – lắng) 133

Hình 6.12:Trang FILTER 1_2 (hệ thống lọc 1_2) 134

Trang 7

Hình 6.13 : Trang WATER PUMPING STATION 135

Hình 6.14: Trang LIME AND PAC 138

Hình 6.15: Sơ đồ thể hiện IP truyền thông các thiết bị 139

Hình 6.16: Trang Report 140

Hình 6.17: Biểu đổ TREND lưu lượng Q và áp lực P 141

Hình 7.1: Mô hình kết nối trạm qua sóng 3G 149

Trang 8

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Chất lượng nước sông Cái Vừng vào mùa khô 10

Bảng 1.2: Chất lượng nước sông Cái Vừng vào mùa mưa 11

Bảng 1.3: Tóm tắt công suất các thiết bị từng khu vực 13

Bảng 2.1: Tổng hợp chu kỳ lấy mẫu 33

Bảng 2.2: Lựa chọn luật điều khiển 38

Bảng 2.3: Xác định tham số PID 42

Bảng 4.1: Dữ liệu kỹ thuật của IE 74

Bảng 5.1: Thang đo áp suất 80

Bảng 5.2: Thông số kĩ thuật E8AA-M05 87

An Giang và các xã lân cận thuộc thị xã Tân Châu, Tỉnh An Giang đến năm

2018 và định hướng công tác mở rộng hệ thống cấp nước thị trấn đến năm 2025

Dự án sẽ tạo ra bộ mặt mới cho đô thị, nâng cao nhận thức của người dân về tác dụng của việc bảo vệ môi trường khu vực đang sinh sống

Các ngành công nghiệp nói chung và ngành Nước nói riêng vẫn sử dụng công nghệ truyền động không thích hợp, điều khiển thụ động, không linh hoạt Đối với nhà máy nước, yếu tố cấu thành giá nước bị chi phối phần lớn bởi chi phí điện bơm nước ( 30-35%) SCADA được hình thành và phát triển cùng với

sự phát triển chung của các ngành công nghiệp khác như công nghiệp vi xử lý, viễn thông, tin học - công nghệ phần mềm, các hệ thống tự động hóa điều khiển bằng chương trình cũng ra đời

Hiện nay các nhà máy, cơ sở công nghiệp đều được ưu tiên về công nghệ tiên tiến và hệ thống SCADA - công cụ của tự động hóa cũng được phát triển rộng, lắp đặt ở nhiều nhà máy, xí nghiệp công nghiệp sản xuất chất lượng cao trong đó có lĩnh vực cung cấp xử lý nước sạch, nước thải… do đó, việc xây dựng hệ thống SCADA bổ sung cho nhà máy nước Long Sơn 5000m3 ngày đêm nhằm mục đích sau đây:

1 Thực hiện điều khiển, quản lý vận hành giám sát và thu thập dữ liệu từ

xa trên hệ thống SCADA

2 Đối với việc điều khiển các máy bơm với công nghệ biến tần thích hợp với truyền động biến đổi tốc độ ổn định áp suất trong đường ống cấp nước Hệ thống vận hành tiết kiệm đảm bảo có thời gian hoàn vốn đầu tư ngắn và giảm

Trang 10

được chi phí cho công tác quản lý vận hành thiết bị

3 Việc áp dụng khoa học công nghệ trong việc xây dựng hệ thống SCADA nêu trên sẽ tạo điều kiện để nâng cao năng lực cho cơ quan quản lý, nhằm giúp chủ đầu tư tiếp cận với các nghiệp vụ quản lý tiên tiến có thể áp dụng trong quá trình vận hành dự án cũng như các công trình khác trên địa bàn Tỉnh

Kết luận: Việc nghiên cứu“Nghiên cứu xây dựng hệ thống SCADA cho Nhà máy nước Long Sơn 5.000 m3 ngày/ đêm Thị xã Tân Châu, Tỉnh An Giang” là rất cần thiết cho một hệ thống cấp nước vận hành hiệu quả tiết kiệm

hoàn thành mục tiêu cung cấp đầy đủ nước sạch đảm bảo các chỉ tiêu của nhành cung cấp cho khách hàng

1.2 Tổng quan công nghệ áp dụng cho nhà máy nước Long sơn, thị xã Tân Châu, tỉnh An Giang:

Theo báo cáo quan trắc hiện trạng môi trường tỉnh An Giang các năm 2012; 2014 các chỉ tiêu chính của nguồn nước sông Cái Vừng như sau:

Bảng 1.1: Chất lượng nước sông Cái Vừng vào mùa khô

Trang 11

Bảng 1.2: Chất lượng nước sông Cái Vừng vào mùa mưa

Hình 1.1: Dây chuyền công nghệ xử lý nước sạch

Sông Cái

Vừng

Trang 12

Nước từ sông cái Vừng sẽ theo kênh dẫn nước thô vào bể chứa nước thô

từ đây các máy bơm nước thô (bơm cấp 1) sẽ đưa nước vào bể trộng gồm nước thô và hóa chất vôi, phèn(PAC) sau đó được qua các bể phản ứng, bể lắng, bể lọc , xử lý clo và đưa vào bể chứa nước sạch sau đó các bơm nước sạch (bơm cấp 2) sẽ bơm đẩy nước sạch ra hệ thống đường ống phân phối truyền dẫn Bùn

từ bể lắng và bể lọc sẽ được đưa vào hồ chứa bùn và xử lý bùn thải

1.2.1 Công trình thu và trạm bơm nước thô:

1.2.1.1 Công trình thu:

a) Cửa thu :

Sử dụng 2 ống HDPE OD355 dẫn nước tự chảy từ sông Cái Vừng tự chảy vào hầm thu nước của trạm bơm nước thô (đặt sâu trong bờ)

b) Trạm bơm nước thô :

Trạm bơm nước thô được xây dựng trong bờ, cách vị trí lấy nước khoảng 55m Gồm hố hút thu nước xây dựng chìm sâu trong đất và nhà quản lý đặt tủ điều khiển, máy phát điện, gian thao tác nằm nổi trên mặt đất Cao độ san nền của nhà quản lý được san nền cục bộ là +5.50m cao hơn mực nước cao nhất để tránh bị ngập khi có lũ Thiết kế công trình thu có 3 bơm, trong đó 2 bơm hoạt động và 1 bơm dự phòng Thông số kỹ thuật của bơm nước thô yêu cầu như sau:

P= 6kW, Q = 105m³/h, H = 15m

Mỗi máy bơm có gắn các thiết bị phục vụ điều khiển hoạt động đóng, mở máy bơm, chuyển đổi nguồn điện từ điện lưới sang điện máy phát và ngược lại, thiết bị bảo vệ và các thiết bị phục vụ cho việc khởi động mềm của máy bơm

1.2.1.2 Đường ống chuyển tải nước thô:

Đường ống chuyển tải nước thô dài 250m, chuyển tải nước thô công suất 210m³/h từ Công trình thu trạm bơm I về nhà máy xử lý đặt tại nhà máy hiện hữu, lắp đặt ống HDPE OD280

Trang 13

1.2.2 Nhà máy xử lý nước sạch :

Phần nhà máy xử lý bao gồm các hạng mục chính sau:

1 Bể trộn và phân chia lưu lượng

Công suất tiêu thụ thường

trực (kW)

Trang 14

Số

Tổng công suất lắp đặt (kW)

Công suất tiêu thụ thường

trực (kW)

1.3 Yêu cầu kỹ thuật điều khiển cho nhà máy nước Long Sơn:

1.3.1 Hiện trang cung cấp điện:

Hiện nay nhà máy nước Long Sơn tọa lạc tại phường Long Sơn, thị xã Tân Châu sử dụng nguồn điện gồm trạm biến áp 3x50kVA đấu nối từ tuyến trung thế

478 Phú Châu Do việc nâng công suất của toàn hệ thống cấp nước, nên phát sinh phụ tải điện Trên cơ sở bảng tóm tắt công suất các thiết bị từng khu vực nhóm phụ tải nêu trên ta có :

Công suất tính toán toàn phần được xác định:

AttA =

tt ttA

P

 Cos (kVA) Trong đó:

- PttA là công suất tính toán của các phụ tải điện PttA = 175 kW

Trang 15

Theo qui định của ngành điện thì hệ số Cos trong tất cả các xí nghiệp công nghiệp đều không được nhỏ hơn trị số 0,85, vì vậy trong tính toán lấy Costt = 0,85

Từ đó có: AttA =

0,85

175 = 206 (kVA) Tổng công suất tiêu thụ :

ABAA =

9 , 0

196 0 ,

1 x = 218 (kVA)

Trên cơ sở các gam máy biến áp được chế tạo hiện nay tại thị trường Việt Nam chọn máy biến áp có công suất 250 kVA làm nguồn cấp điện cho công trình và được đấu nối vào tuyến trung thế 478 Phú Châu 22kV tại địa phương

Trang 16

1.3.2 Hiện trạng kỹ thuật điều khiển của hệ thống cấp nước:

Hệ thống được chia thành các hệ thống điều khiển thành phần bao gồm:

- Hệ thống điều khiển trạm bơm nước thô: nhiệm vụ của công đoạn này

là bơm nước thô lên bể trộn để trộn đều hóa chất vào trong nước,theo dõi lưu lượng, áp lực đường ống

- Hệ thống điều khiển nhà hóa chất: nhiệm vụ của công đoạn này là xử

lý hóa chất (vôi, phèn, PAC) trước khi đưa lên bể trộn, giám sát nồng độ Clo dư trong không khí, bơm tiếp áp Clo

- Hệ thống điều khiển cụm xử lý nước: sau một thời gian lọc nước thì

cặn bẩn có nhiều trong lỗ rỗng của hạt cát lọc sẽ làm giảm hiệu suất lọc nước, do

đó phải tiến hành rửa bể lọc để nâng cao khả năng lọc nước của bể

- Hệ thống điều khiển trạm bơm nước sạch: bơm nước vào hệ thống

đường ống cấp nước

Toàn bộ hoạt động của các hệ thống hiện tại được thiết kế vân hành bằng tay bằng cách nhấn nút trên mặt trước tủ điều khiển tùy theo công suất động cơ các tủ điều khiển được thiết kế bằng cách khởi động trực tiếp hay khởi động sao tam giác

1.3.3 Nâng cấp hệ thống điều khiển thiết bị và thu thập dữ liệu qua mạng scada:

Nhằm đảm bảo hệ thống cấp nước vận hành tiết kiệm, hiệu quả, hệ thống điều khiển hiện tại của hệ thống sẽ được nâng cấp để vận hành, điều khiển giám sát lưu trữ cơ sở dữ liệu qua hệ thống SCADA

1.3.3.1 Điều khiển ngõ vào số (DOL):

Các thiết bị như các máy bơm cấp 1, bơm rửa lọc, bơm gió và thiết bị hoá chất được thiết kế vận hành bằng tay bằng cách nhấn nút trên mặt trước tủ điều

Trang 17

khiển, sau khi được nâng cấp sẽ thực hiện vận hành bằng hệ thống SCADA qua việc đấu nối đến các ngõ vào và ngõ ra kiểu digital DI/DO của bộ lập trình PLC

1.3.3.2 Điều khiển các máy bơm theo áp suất vận hành:

Hệ thống bơm cấp 2 được thiết kế 3 bơm trong đó gồm có 2 bơm chạy và

1 bơm dự phòng Tốc độ các bơm được biểu thị như sau:

Hình 1.2 Biểu đồ % tốc độ và % năng lượng tiêu thụ

Do đó việc điều khiển các máy bơm nhằm tiết kiệm tối đa năng lượng, tốc

độ của các bơm sẽ được điều khiển bằng biến tần tại hai chế độ bằng tay hoặc tự động, ở chế độ bằng tay tốc độ của biến tần sẽ điều khiển ở phòng điều khiển trạm bơm hoặc ở phòng điều khiển SCADA trung tâm trong nhà máy Sơ đồ kết nối máy bơm và biến tần như sau:

Trang 18

Hình 1.3 Sơ đồ kết nối máy bơm và biến tần

Ở chế độ vận hành tự động theo tín hiệu áp lực đầu vào mạng phân phối

Sử dụng thiết bị biến tần và PLC vận hành theo thuật toán PID để điều chỉnh lưu lượng bơm theo nhu cầu tiêu thụ nước nhằm ổn định áp lực đầu ra mang phân phối Khi nhu cầu tiêu thụ nước tăng, áp lực mạng có xu hướng giảm xuống, thiết bị biến tần sẽ tăng tốc độ bơm nhằm tăng lưu lượng nước cấp vào mạng nhờ đó áp lực mạng không bị suy giảm Khi tốc độ bơm đạt cực đại mà áp lực mạng vẫn có xu hướng giảm thì thiết bị điều khiển sẽ gọi thêm bơm vào vận hành Ngược lại khi nhu cầu tiêu thụ nước giảm, áp lực mạng phân phối có xu hướng tăng lên Thiết bị biến tần sẽ điều chỉnh giảm tốc độ bơm, giảm lưu lượng nước cấp vào mạng làm cho áp lực mạng không tăng Khi tốc độ bơm đạt cực tiểu mà áp lực vẫn tăng thì thiết bị điều khiển sẽ sa thải bớt bơm Nhờ vậy

mà trong bất kì thời gian nào, áp lực mạng phân phối luôn được duy trì ổn định

ở áp lực mong muốn được cài đặt bởi nhân viên vận hành

1.3.3.3 Chế độ giám sát và thu thập dữ liệu và báo cáo của hệ thống: a) Đối với trạm bơm cấp 1:

Để nâng cao hiệu quả điều hành quá trình này, cần phải giám sát liên tục các thông số kỹ thuật sau từ hệ thống Scada:

Trang 19

- Lượng nước thô khai thác: thông số này liên quan đến phí phải trả về khai thác tài nguyên và là một thông số liên quan đến đánh giá tổn thất nước

- Mức nước trong hồ nước thô

- Tình trạng kỹ thuật của các thiết bị, máy móc trong nhà máy, gồm: thông báo trạng thái tức thời chất lượng kỹ thuật, lượng điện năng tiêu thụ, thông số quản lý vận hành như:

+ Điện áp của các hệ thống : hạ áp 0,4kV

+ Công suất, cosφ của trạm

+ Dòng điện của tủ phân phối chính và 3 bơm chính

+ Nhiệt độ động cơ, nhiệt độ ổ trục động cơ, thời gian chạy của các máy bơm nước thô

b) Đối với trạm bơm cấp 2 và khu xử lý nước:

- Các thông số đo lường cần giám sát, lưu trữ của quá trình sản xuất và cung cấp nước sạch, gồm: mức nước trong bể nước sạch, các bể thuộc các công đoạn của quá trình xử lý nước, hàm lượng clo dư, các áp lực nước trên các đường ống, độ PH, độ đục, độ lắng cặn

- Lượng nước sạch cung cấp: tại đầu ra của nhà máy tổng lượng nước sạch tại các hố và địa chỉ tiêu dùng nước Thông số này liên quan đến thu tiền nước và việc đánh giá tổn thất nước cũng như hiệu quả sản xuất kinh doanh

- Tình trạng kỹ thuật của các thiết bị, máy móc trong nhà máy, gồm: thông báo trạng thái tức thời chất lượng kỹ thuật, lượng điện năng tiêu thụ, như :

+ Điện áp của các hệ thống : hạ áp 0,4kV

+ Công suất, cosφ của trạm

+ Dòng điện của tủ phân phối chính và 3 bơm chính

+ Nhiệt độ động cơ và ổ trục động cơ, thời gian chạy của 3 bơm chính + Áp lực làm việc của các máy bơm chính

+ Tốc độ hoặc tần số của bơm được điều khiển bằng biến tần

Trang 20

+ Lưu lượng tổng của các bơm vận hành (gồm lưu lượng tức thời và lưu lượng tích luỹ)

+ Các trạng thái đóng, mở của các van điện

+ Hiển thị báo lỗi và chẩn đoán lỗi: Qúa tải, qúa nhiệt của các bơm và các thiết bị, tín hiệu báo mức cao, mức thấp của mực nước, áp lực cao và áp lực thấp, mất nước làm mát, mất lưu lượng của các bơm chính

Như vậy, tất cả các thông tin trên cần phải được thể hiện trực quan sinh động trên các màn hình đặt tại các phòng chức năng liên quan đến điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu, điều này hoàn toàn được thỏa mãn bởi hệ thống SCADA

1.4 Mục đích nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu:

Luận văn này nhằm mục đích nghiên cứu xây dựng hệ thống scada cơ sở cho hệ thống điều khiển thu thập dữ liệu cho nhà máy nước Long Sơn Bên cạnh

đó mục tiêu chính luận văn này là trên cơ sờ lý thuyết nhận dạng một quá trình xác định cấu trúc mô hình toán học của đối tượng là các máy bơm nước Giới thiệu bộ điều khiển PID để lựa chọn luật điều khiển hệ thống cài đặt bộ điều khiển PID của PLC từ Scada cho hệ thống điều khiển biến tần điều khiên các máy bơm nước vận hành theo áp suất yêu cầu bên cạnh đó việc theo dõi các thông số vận hành, lưu trữ truy vấn dữ liệu và cảnh báo cũng là mục tiêu thực hiện của hệ thống này

1.5 Phương pháp nghiên cứu:

Tổng hợp các bài báo nghiên cứu, các tài liệu khoa học, giáo trình thực nghiệm Sử dụng các phương pháp phân tích, tổng hợp và suy luận, sử dụng các phương pháp thực nghiệm để kiểm tra kết quả để xây dựng mô hình toán học lựa chọn luật điều khiển cho hệ thống

- Ứng dụng cơ sở của Lý thuyết điều khiển tự động đưa ra phương án tối

ưu trong xây dựng thuật toán cho thiết bị lập trình, trong đó:

1.6 Đóng góp và điểm mới của luận văn:

Trên cơ sở cấp điện và hệ thống điều khiển hiện nay, Nhà máy nước Long Sơn sẽ được thiết kế mới và xây dựng hệ thống Scada tự động hóa việc sản xuất nước sạch trong toàn bộ nhà máy

Áp dụng các chuẩn truyền thông của các thiết bị như chuẩn truyền thông modbus RS485, TCP/IP… Hệ thống thực hiện phần giám sát năng lượng của hệ thống cung cấp điện, máy bơm qua các thiết bị đo tại tủ phân phối chính nhờ vào các chuẩn truyền thông Modbus RS485 cho phép giám sát các thông số: Điện

áp, dòng điện, góc pha, số kWh tiêu thụ, công suất P, Q…

Việc sử dụng phần mềm lập trình PLC TIA Portal V13 và WinCC 7.3 trong lập trình hệ SCADA nhà máy nước Long Sơn sẽ sử dụng chức năng mới WebUX, WEB nagivator về phía người sử dụng có thể dùng các thiết bị phổ biến như máy tính bàn, máy tính xách tay, điện thoại thông minh hay máy tính bảng để truy cập xem các dữ liệu điện năng online hoặc trước đó dù ở bất kỳ đâu

có internet với tài khoản username và password Khi các dữ liệu điện năng có dấu hiệu bất thường như sụt áp, quá dòng…, hệ thống sẽ tự động gửi email cảnh báo cho người sử dụng bất cứ nơi đâu để điều hành công tác quản lý vận hành cấp nước sạch cho hệ thống nhất là xử lý sự cố kiểm soát hao hụt nước theo chế

độ phân vùng tách mạng

1.7 Nội dung của luận văn:

Luận văn được tổ chức như sau:

Chương 1: Giới thiệu chung

Chương 2 : Xây dựng mô hình toán học cho hệ thống

Trang 22

Chương 3: Tổng quan về một hệ SCADA căn bản

Chương 4 : Trình bày các giải pháp lựa chọn thiết bị của hãng Siemens trong nhà máy

Chương 5: Xây dựng chương trình,

Chương 6 : Cấu hình một hệ thống Scada,

Chương 7 : Kết luận

Trang 23

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CHO HỆ THỐNG 2.1 Cơ sở lý thuyết nhận dạng:

2.1.1 Tổng quan về nhận dạng quá trình:

2.1.1.1 Khái niệm nhận dạng quá trình

Phương pháp xây dựng mô hình toán học trên cơ sở các dữ liệu vào- ra thực nghiệm được gọi là mô hình hóa thực nghiệm hay nhận dạng hệ thống (system identification)[4] Khái niệm nhận dạng hệ thống được định nghĩa trong chuẩn IEC 60050- 351 là “ những thủ tục suy luận một mô hình toán học biễn diễn đặc tính tĩnh và đặc tính quá độ của một hệ thống từ đáp ứng của nó với một tín hiệu đầu vào xác định, ví dụ hàm bậc thang, một xung hoặc nhiễu ồn trắng” [Nguyên văn tiếng Anh: “ The procedures for deducing a mathematical model representing the static and transiet behavior of a system from its response

to a well- defined input signal e.g a step function, an impulse, or a white noise”.]

2.1.1.2 Các bước tiến hành dể nhận dạng một quá trình:

Giống như nhiều công việc phát triển hệ thống khác, nhận dạng hầu như bao giờ cũng là một quá trình phức tạp Những bước cơ bản trong xây dựng mô hình thực nghiệm cho một quá trình công nghiệp bao gồm:

 Thu thập, khai thác thông tin ban đầu về quá trình

 Lựa chọn phương pháp nhận dạng

 Tiến hành lấy số liệu thực nghiệm cho từng cặp biến vào / ra

 Quyết định về dạng mô hình

 Xác định các tham số mô hình

 Mô phỏng, kiểm chứng và đánh giá mô hình

2.1.1.3 Phân loại và lựa chọn phương pháp nhận dạng:

Các phương pháp nhận dạng hiện nay vô cùng phong phú Tuy nhiên, ta

có thể phân loại các phương pháp nhận dạng từ nhiều góc độ khác nhau, ví dụ

 Nhận dạng trực tuyến / Nhận dạng ngoại tuyến

 Nhận dạng dựa vào ước lượng mô hình

Việc lựa chọn một phương pháp nhận dạng phù hợp phụ thuộc vào nhiều yếu tố như yêu cầu chất lượng mô hình, khả năng nhận dạng chủ động, khối lượng tính toán và mục đích sử dụng mô hình Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, dẫn đến khả năng áp dụng khác nhau tùy theo từng bài toán

2.1.2 Nhận dạng quá trình theo phương pháp kinh điển:

Để nhận dạng đối tượng, đầu tiên cần xác định cấu trúc mô hình toán học phù hợp cho đối tượng Trong điều khiển quá trình với các phương pháp kinh điển, mô hình tuyến tính bậc nhất và bậc hai (có hoặc không có trễ, có hoặc không dao động, có hoặc không thành phần tích phân) là những dạng thực dụng nhất Sau đó là xác định các tham số của mô hình Để nhận dạng được các tham

số này, tác động tín hiệu kích thích phù hợp đến đầu vào của quá trình, ghi lại đáp ứng đầu ra của quá trình, từ đó xác định các tham số phù hợp với mô hình đang sử dụng Cuối cùng là bước mô phỏng – kiểm chứng – đánh giá mô hình được xác định ở các bước trên với sự trợ giúp của máy tính

2.1.2.1 Xác định mô hình toán học (hàm truyền đạt) của đối tượng:

Do quá trình điều khiển nhằm mục đích dùng biến tần điều khiển máy bơm vận hành theo tín hiệu áp suất phản hồi từ mạng đưa vào chân analog của biến tần Do đó việc xác định cấu trúc mô hình toán học (hàm truyền đạt) của đối tượng ở đây là động cơ bơm nước của hệ thống

Trang 25

Hàm truyền của động cơ bơm [1] được xác định bằng phương pháp thực nghiệm Cấp công suất tối đa cho bơm, áp suất nước do bơm tạo ra tăng dần Sau 1 thời gian áp suất đạt đến giá trị bão hòa Đặc tính áp suất theo thời gian có thể biểu diễn như hình (2.2a) Do đặc tính chính xác của động cơ bơm khá phức tạp nên ta xấp xĩ bằng đáp ứng gần đúng như ở hình (2.2b)

Công suất P=100%

Hình 2.1: Sơ đồ khối mô tả đối tượng điều khiển

Hình 2.2: Đặc tính của động cơ bơm

a) Đặc tính chính xác b) Đặc tính gần đúng

Ta xác định hàm truyền gần đúng của động cơ bơm dùng định nghĩa: W(p) =

) (

) (

p u

p y

Do tín hiệu là hàm nấc đơn vị (P=100%) nên:

(*Ghi chú : [1] trích dẫn từ tài liệu tham khảo)

Động cơ bơm Áp suất đầu ra

ra

2 (1 )

e



Suy ra hàm truyền đạt của động cơ bơm:

W(p) = 1

2

1

k: hệ số khuếch đại tĩnh

T1 thời gian trễ xấp xĩ

T2: hằng số thời gian

2.1.2.2 Xác định các tham số của hàm truyền đạt:

Như đã trình bày ở phần trên, đối tượng điều khiển là động cơ bơm có hàm truyền đạt của mô hình toán học quán tính bậc nhất có trễ:

W(p)110.7.5p e0.08p

Tác động đầu vào đối tượng là hàm nấc đơn vị u(t), ta có sơ đồ khối của

hệ hở:

08 0

)(5027

854

.3)

p u

p y p

p

p p

Từ hàm ảnh p ta chuyển sang miền hàm ảnh z:

1

1

2( 1)

( 1) ( )

) ( ) 4 54 50

( ) 8 100 ( ) 4 54 50

(

) 8 6 85 ( 170 )

8 6 85 ( )

2 2

2 2

z u

z y T

T z T z

T T

T T

z T z

T T

( ) ( ) 8 100 ( ) ( ) 4 54 50 (

) ( ).

8 6 85 ( ) ( 170 ) ( ) 8 6 85

(

2 2

2 2

2 2

2 2

z y T T

z y z T z

y z T T

z u T T

z u z T z

u z T T

) ( ) 4 54 50

( ) 1 ( ).

8 100 (

) 4 54 50 (

) ( ).

8 6 85 ( ) 1 ( 170 ) 2 ( ).

8 6 85 ( ) 2 (

2

2 2

2

2 2

k y T T

k y T

T T

k u T T

k u T k

u T T

) ( ) 4 54 50

( ) 1 ( ).

8 100 ( 340 )

2

2 2

k y T T

k y T

T k

y

Rút gọn biểu thức:

) 08 0 08 1 (

) ( ) 08 0 08 1 ( ) 1 ( ).

16 0 2 ( 8 6 ) 2

k y T

T k

y T

T k

y

Biểu thức trên chỉ ra: đáp ứng đầu ra của hệ thống thay đổi thế nào khi các kích thích đầu vào thay đổi sau mỗi lần lấy mấu Trong đó y(k) và y(k+1) lần lượt là các đáp ứng đầu ra thu được sau 2 lần lấy mẫu trước đó

2.1.3 Ứng dụng Matlab để phô phỏng đối tượng:

Để biết được mô hình toán học của đối tượng có được nhận dạng đúng với khảo sát qua thực nghiệm hay không hoặc để so sánh giữa 2 mô hình lý thuyết

và thực nghiệm ta phải tính toán được các giá trị y(k+2) sau mỗi lần lấy mẫu.Điều này khá phức tạp nếu số lần lấy mẫu nhiều, chưa kể tới sai số trong tính toán sẽ làm cho kết quả thu được không còn tính chính xác.Với sự trợ giúp của máy tính, công việc tính toán này không nhữn dễ dàng, nhanh chóng và chính xác hơn mà còn có tính trực quan nhờ công cụ mô phỏng mạnh mẽ là MATLAB.Thêm nữa mô phỏng trên MATLAB giúp chúng ta xác định ngay được các tham số của mô hình

Trang 29

2.1.3.1 Mô phỏng đối tượng bằng phần mềm Matlab:

Chọn t = T: Chu kì lấy mẫu

Kết quả thu được như đồ thị hình sau: (Với chu kì lấy mẫu T = 0.02s)

Với sự trợ giúp của máy tính, chúng ta vừa mô phỏng đối tượng thông qua lập trình trên Matbab Trong hình 2-4, Matlab chỉ các rằng: đối tượng có đáp ứng đầu ra là khâu quán tính bậc nhất có trễ với giá trị tại trạng thái xác lập bằng

hệ số khuếch đại tĩnh (k = 1,7) Điều này đúng với hàm truyền tìm được thông qua khảo sát thực nghiệm.

 Mô hình sử dụng thường đơn giản (bậc thấp)

 Ảnh hưởng của nhiễu không được giải quyết tốt

Song đối với mức độ yêu cầu của một phần không nhỏ các bài toán điều khiển quá trình thì người ta có thể bằng lòng với cách làm này

Có 3 phương pháp để xác định các hệ số của mô hình FOPDT, đó là:

 Phương pháp kẻ tiếp tuyến

 Phương pháp hai điểm quy chiếu

 Phương pháp diện tích

Đối với phương pháp 1, việc kẻ tiếp tuyến để ước lượng các tham số mô hình mang tính cảm nhận chủ quan, thiếu chính xác và khó thực thi trên máy tính Hơn nữa, nhiễu quá trình và thiếu đo có thể gây sai lệnh rất lớn trong kết quả Vì vậy, trong thực tế ta nên tránh áp dụng phương pháp này

Trong khi đó, nhược điểm của phương pháp 3 là khối lượng tính toán xấp

xỉ tích phân là rất lớn Thêm nữa, kết quả tính toán các tham số thời gian phụ thuộc một cách tương đối nhạy cảm vào các giá trị ước lượng cho các hệ số khuếch đại tĩnh k Chỉ cần giá trị k có sai số tương đối nhỏ cũng có thể dẫn tới sai số lớn trong tính toán T1 và T2

Vì vậy, để khắc phục một phần nhược điểm của phương pháp kẻ tiếp tuyến cũng như giảm bớt khối lượng tinh toán xấp xỉ tích phân của phương pháp diện tích nói trên ta có thể áp dụng phương pháp hai điểm quy chiếu Trong

Hình 2.5: Phương pháp đồ thị đáp ứng quá độ sử dụng 2 điểm quy chiếu

Khi đó, theo kết quả tính toán trên MATLAB:

Đầu ra đối tượng đạt được giá trị: 0,283y∞ (= 0,283*1,7= 0,4811) sau

51 0 ) 27 0 61 0 ( 5 1 ) ( 5 1

7 1 1

7 1

2 2 1

1 2 2

T t T

t t T

u

y k

Tương tự, nếu tiếp tục giảm chu kỳ lấy mẫu, ta có các kết quả sau:

255 0 005 0 51 2

5025 0 ) 255 0 590 0 ( 5 1 1

2

T T

5016 0 ) 2496 0 584 0 ( 5 1 584

0 0016 0

* 365

2496 0 0016 0

* 156

1

2 2

1

T

T t

t

Và được tổng hợp trong bảng dưới đây:

Bảng 2.1: Tổng hợp chu kỳ lấy mẫu

Thời gian lấy mẫu T (s) 0,0100 0,0050 0,0016 0,0010 0,0008

Hệ số khuếch đại tĩnh k 1,7 1,7 1,7 1,7 1,7 Thời gian trễ xấp xỉ T1 (s) 0,1000 0,0875 0,0824 0,0820 0,0812 Hằng số thời gian T2 0,5100 0,5025 0,5016 0,5010 0,5004

 Nhận xét :

Tại giá trị chu kỳ lấy mẫu T = 0,0008 (giây), ta có:

Sai số tương đối:

0012 , 0 08 , 0 0812 , 0 2

ra từ khảo sát thực nghiệm là đúng

Vậy, đối tượng điều khiển (động cơ bơm) có dạng truyền đạt:

e p

p p

5 , 0 1

7 , 1 )





Trang 34

2.2 Phân tích bộ điều chỉnh pid trong hệ thống điều khiển quá trình:

2.2.1 Tổng quan về bộ điều khiển:

Bộ điều khiển PID (A proportional integral derivative controller) là bộ

điều khiển sử dụng kỹ thuât điều khiển theo vòng lặp có hồi tiếp sử dụng rộng

rãi trong các hệ thống điều khiển tự động

Một bộ điều khiển PID thực hiện hiệu chỉnh sai lệch giữa tín hiệu ngõ ra

và ngõ vào sau đó đưa ra một một tín hiệu điều khiển để điều chỉnh quá trình

cho phù hợp Bộ điều khiển kinh điển PID đã và đang được sử dụng rộng rãi để

điều khiển các đối tượng SISO bởi vì tính đơn giản của nó cả về cấu trúc lẫn

nguyên lý làm việc Bộ điều chỉnh này làm việc rất tốt trong các hệ thống có

quán tính lớn như điều khiển nhiệt độ, điều khiển mức, và trong các hệ điều

khiển tuyến tính hay có mức độ phi tuyến thấp PID là một trong những lý

thuyết cổ điển và cũ nhất dùng cho điều khiển tuy nhiên nó vẫn ứng dụng rộng

rãi cho đến ngày nay với các ưu điểm như sau:

- Cấu trúc và nguyên lý hoạt động đơn giản, dễ hiểu và dễ sử dụng đối

với những người làm thực tế

- Có rất nhiều phương pháp và công cụ mạnh hỗ trợ chỉnh định các tham

số của bộ điều khiển

- Các luật điều khiển P, PI, PID thích hợp cho một phần lớn các quá trình

công nghiệp

Nhiều báo cáo đã đưa ra các thống kê rằng hơn 90% bài toán điều khiển

quá trình công nghiệp được giải quyết với các bộ điều khiển PID, trong số đó

khoảng trên 90% thực hiện luật PI, 5% thực hiện luật P thuần túy và 3% thực

hiện luật PID đầy đủ, còn lại là những dạng dẫn xuất khác

Trang 35

Sơ đồ khối của bộ diều khiển PID:

Hình 2.6: Sơ đồ khối của một bộ PID 2.2.2 Hàm truyển đạt:

Hình 2.7: sơ đồ khối hệ thống

+ Plant: đối tượng cần điều khiển

+ Controller: đưa tín hiệu điều khiển đối tượng, được thiết kế để hệ thống đạt đáp ứng mong muốn

Biến e là thành phần sai lệch, là hiệu giữa giá trị tín hiệu vào mong muốn

và tín hiệu ra thực tế Tín hiệu sai lệch (e) sẽ đưa tới bộ PID, và bộ điều khiển

2.2.3 Đặc tính bộ điều khiển:

- Thành phần tỉ lệ (Kp) có tác dụng làm tăng tốc độ đáp ứng của hệ, và làm giảm, chứ không triệt tiêu sai số xác lập của hệ (steady-state error)

- Thành phần tích phân (Ki) có tác dụng triệt tiêu sai số xác lập nhưng có thể làm giảm tốc độ đáp ứng của hệ

- Thành phần vi phân (Kd) làm tăng độ ổn định hệ thống, giảm độ vọt lố

và cải thiện tốc độ đáp ứng của hệ

Lưu ý rằng quan hệ này không phải chính xác tuyệt đối vì Kp, Ki và Kd còn phụ thuộc vào nhau Trên thực tế, thay đổi một thành phần có thể ảnh hưởng đến hai thành phần còn lại Vì vậy bảng trên chỉ có tác dụng tham khảo khi chọn

- Các phương pháp mô hình mẫu tổng hợp bộ điều khiển dựa trên mô hình toán học của quá trình và mô hình mẫu của hệ kín hoặc hệ hở ( đưa ra dưới dạng hàm truyền đạt hoặc đặc tính đáp ứng tần số )

Trang 37

- Các phương pháp nắn đặc tính tần số theo quan điểm thiết kế truyền thông, sử dụng mô hình hàm truyền đạt hoặc mô hình đáp ứng tần số của quá trình và tính toán các khâu bù sao cho các đường đặc tính tần số hệ hở hay hệ kín đạt được các chỉ tiêu thiết kế trên miền tần số như dải thông, độ dự trữ biên

và pha …

- Các phương pháp tối ưu tham số sử dụng mô hình toán học của quá trình toán học của quá trình và xác định các tham số của bộ điều khiển bằng cách cực tiểu hóa/ cực đại hóa một tiêu chuẩn chất lượng

- Các phương pháp dựa trên luật kinh nghiệm bắt trước suy luận của con người, có thể sử dụng cả đáp ứng của quá trình và các đặc tính đáp ứng vòng kín mong muốn

2.2.4.1 Lựa chọn luật điều khiển:

Theo Astrom và Hangglund đưa ra một số nguyên tắc cơ bản sau:

- Chọn luật điều khiển PI là đủ nếu như quá trình có đặc tính của một khâu quán tính bậc nhất và không có thời gian trễ, hoặc yêu cầu chính là chất lượng điều khiển ở trạng thái xác lập, còn đặc tính bán tín hiệu chử đạo trong quá trình quá độ không đặt ra hàng đầu Thành phần I có thể bỏ qua nếu đối tượng đã có đặc tính tích phân hoặc sai lệch tĩnh không nhất thiết phải triệt tiêu

- Chọn luật điều khiển PID nếu như quá trình có đặc tính của khâu bậc 2

và thời gian trễ tương đối nhỏ

- Đối với các quá trình có thời gian trễ lớn cần sử dụng các khâu bù trễ

- Sử dụng các khâu bù nhiễu nếu khả năng thực hiện cho phép để cải thiện chất lượng điều khiển

- Các luật điều khiển P, PI, PD có thể chưa đáp ứng được yêu cầu đặt ra

về chất lượng điều khiển đối với các quá trình bậc cao, thời gian trễ lớn hoặc giao động mạnh Khi đó cần sử dụng các thuật toán điều khiển tiên tiến hoặc các sách lược điều khiển đặc biệt hơn

bổ sung tóm tắt trong bảng sau:

Bảng 2.2: Lựa chọn luật điều khiển

Điều khiển chặt

Nhiễu đo lớn Giới hạn điều

khiển nhỏ

Nhiễu đo nhỏ và giới hạn điều khiển lớn

1 1

1

1 1,5

Điều khiển chặt

Nhiễu đo lớn Giới hạn điều

khiển nhỏ

Nhiễu đo nhỏ và giới hạn điều khiển lớn

Ghi chú

FFC : bù nhiễu lọc nhiễu(Feed Forward compensation)

DTC : bù trễ(Dead time compensation)

SPW : trọng số tín hiệu đặt (SetPoint Weighting)

PPT : chỉnh đặt điểm cực(pole Placement Tuning)

Đối với đối tượng có mô hình là khâu quán tính bậc nhất có trễ:

G(p) = 1

21

T pk

G j 

1 2

T T

Từ các hệ số trên áp dụng vào quá trình đo áp suất với đối tượng điều khiển

có hàm truyền đạt được xác định ở phần dưới:

W( )p 1 0.51.7 p e0.08p

Khi đó ta xác định được:

1

1 2

0,08

0,16 0,5

T T

Dựa theo bảng trên ta thấy đối tượng trên sử dụng luật điều khiển PI hoặc luật PID do 1 =0,16 nên thuộc vào trường hợp 3 trong bảng trên Từ các nhận