Tài liệu Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển đa năng dựa trên vi điều khiển 16 bit cho các ứng dụng công nghiệp

Bé c«ng th−¬ng viÖn nghiªn cøu ®iÖn tö, tù ®éng, tin häc hãa B¸o c¸o tæng kÕt ®Ò tµi cÊp bé n¨m 2007 nghiªn cøu, chÕ t¹o bé ®iÒu khiÓn ®a n¨ng dùa trªn vi ®iÒu khiÓn 16 bit cho c¸c øng dông c«ng nghiÖp Chñ nhiÖm ®Ò tµi: TrÞnh h¶i th¸i 6936 04/8/2008 hµ néi - 2007 BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NC ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA —–˜&™—– BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NCKH VÀ PTCN CẤP BỘ NĂM 2007 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐA NĂNG DỰA TRÊN VI ĐIỀU KHIỂN 16 BIT CHO CÁC ỨNG DỤNG CÔNG NGHIỆP (Mã số: 139.07RD/HĐ-KHCN) Chủ nhiệm đề tài: Đơn vị chủ trì: Các cơ quan phối hợp chính: ThS. Trịnh Hải Thái Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa Công ty CP Bia Thanh Hoá, Hà Nội-Hải Dương,.. Hà Nội – 12/2007 DANH SÁCH CÁN BỘ THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI STT Họ và tên Đơn vị công tác 1 Trịnh Hải Thái Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa 2 Trần Văn Tuấn Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa 3 Nguyễn Tuấn Nam Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa 4 Tạ Văn Nam Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa 5 Đinh Đức Chính Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa 6 Phạm Chí Công Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa 7 Nguyễn Thị Hương Lan Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa 8 Phạm Thùy Dung Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa 9 Bùi Đức Thắng Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa 10 Phạm Hùng Cường Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa MỤC LỤC Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐA NĂNG ................................................... 4 1. Cơ sở pháp lý/ xuất xứ của đề tài ................................................................................. 4 2. Tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu của đề tài .......................................................... 4 2.1. Tính cấp thiết......................................................................................................4 2.2. Mục tiêu nghiên cứu............................................................................................4 3. Đối tượng/phạm vi và nội dung nghiên cứu................................................................... 5 3.1. Đối tượng nghiên cứu..........................................................................................5 3.2. Nội dung nghiên cứu ...........................................................................................5 4. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước ................................................................. 6 5. Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước ................................................................ 6 5.1. Tổng quan...........................................................................................................6 5.2. Giới thiệu các bộ điều khiển đa năng của nước ngoài.........................................7 5.3. Các ứng dụng điều khiển tiêu biểu..................................................................... 13 6. Khảo sát thực tế trong nước...................................................................................... 15 7. Một số công trình đã thi công sử dụng bộ điều khiển đa năng ..................................... 17 8. Tổng kết về bộ điều khiển đa năng ............................................................................ 18 Chương 2 - THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ............................................................ 19 1. Tổng quan về thiết kế ................................................................................................. 19 2. Thiết kế chế tạo phần cứng ........................................................................................ 20 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7. 2.8. 2.9. 2.10. 2.11. Sơ đồ thiết kế tổng thể phần cứng...................................................................... 20 Yêu cầu đối với linh kiện, thiết bị...................................................................... 20 Module xử lý trung tâm ..................................................................................... 22 Module vào/ ra số và PWM ............................................................................... 23 Module vào/ ra tương tự.................................................................................... 24 Module hiển thị và bàn phím ............................................................................. 25 Module truyền thông RS232/RS485 ................................................................... 25 Module nguồn ................................................................................................... 26 Module truyền thông Ethernet ........................................................................... 26 Thiết kế các module đầu vào tương tự cho cảm biến RTD, TC ........................... 30 Module pH transmitter ...................................................................................... 32 3. Xây dựng phần mềm trên bộ điều khiển...................................................................... 43 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 3.7. 3.8. 3.9. 3.10. Thiết kế giao diện tương tác .............................................................................. 43 Xây dựng các hàm toán học............................................................................... 46 Xây dựng các hàm logic .................................................................................... 48 Xây dựng hàm PID tự chỉnh .............................................................................. 49 Xây dựng chức năng điều khiển......................................................................... 55 Xây dựng chức năng lưu trữ.............................................................................. 61 Xây dựng chức năng cảnh báo/báo động ........................................................... 62 Xây dựng chức năng truyền thông Ethernet ....................................................... 63 Xây dựng chức năng truyền thông RS232/RS485 ............................................... 68 Hoạt động của bộ điều khiển ............................................................................. 69 4. Xây dựng hệ SCADA trên cơ sở bộ điều khiển đa năng.............................................. 74 4.1. Mạng truyền thông trong hệ SCADA ................................................................. 74 4.2. Giao thức truyền thông...................................................................................... 75 4.3. Xây dựng phần mềm SCADA............................................................................. 83 Chương 3 - THỬ NGHIỆM.................................................................................................. 94 1. Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm ........................................................................... 94 2. Thử nghiệm thực tế .................................................................................................... 97 KẾT LUẬN ........................................................................................................................ 104 LỜI CÁM ƠN..................................................................................................................... 104 2 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................................... 105 1. Tiếng Việt................................................................................................................. 105 2. Tiếng Anh................................................................................................................. 105 PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 106 3 Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐA NĂNG 1. Cơ sở pháp lý/ xuất xứ của đề tài Đề tài “Nghiên cứu, chế tạo bộ điều khiển đa năng dựa trên vi điều khiển 16 bit cho các ứng dụng công nghiệp” được thực hiện theo: Hợp đồng nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ số 04-16RD/BCN-KHCN giữa Bộ Công nghiệp (Bên A) và Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hoá (Bên B) ký ngày 26 tháng 01 năm 2006 và Hợp đồng nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ số 139.07RD/HĐ-KHCN giữa Bộ Công nghiệp, nay là Bộ Công Thương (Bên A) và Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hoá (Bên B) ký ngày 06 tháng 02 năm 2007. 2. Tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2.1. Tính cấp thiết Bộ điều khiển đa năng hiện đang được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp như điều khiển nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, pH, ... vì có các ưu điểm: nhỏ gọn (ngày càng nhỏ hơn theo sự phát triển của công nghệ sản xuất chip); cho phép giảm đáng kể thời gian thiết kế, thi công công trình tự động hoá; có nhiều chức năng cài đặt sẵn dễ sử dụng; mức độ thông minh, bộ nhớ ngày càng cao; hỗ trợ nhiều chuẩn truyền thông quốc tế nên dễ mở rộng hệ thống; tích hợp sẵn tính năng điều khiển (từ đơn giản cho tới phức tạp) phù hợp cho nhiều đối tượng điều khiển trong công nghiệp. (Các ưu điểm sẽ được phân tích sâu hơn trong các mục sau) Tại Việt Nam hầu hết các bộ điều khiển đa năng đều do nước ngoài cung cấp với giá thành cao, do vậy việc nghiên cứu thiết kế chế tạo, tiến tới sản xuất các thiết bị này trong nước là cần thiết nhằm làm chủ công nghệ sản xuất, giảm giá thành sản phẩm, góp phần tạo ra các sản phẩm điện tử có khả năng cạnh tranh trong giai đoạn gia nhập WTO. 2.2. Mục tiêu nghiên cứu Năm 2006, đề tài đặt ra các mục tiêu sau: § Nghiên cứu, làm chủ công nghệ thiết kế chế tạo bộ điều khiển đa năng có giá thành hạ cho các ứng dụng trong công nghiệp tại Việt Nam, có khả năng thay thế các thiết bị ngoại nhập có cùng tính năng. § Làm cơ sở để tiếp tục nghiên cứu các công nghệ vi điều khiển tiên tiến hơn trong tương lai để nâng cao chất lượng và phạm vi ứng dụng của bộ điều khiển. Năm 2007, đề tài đặt ra các mục tiêu sau: § Hoàn thiện và mở rộng chức năng cho bộ điều khiển đa năng trên cơ sở kết quả nghiên cứu của giai đoạn I, đáp ứng yêu cầu thực tế. § Xây dựng mạng truyền thông trên cơ sở bộ điều khiển đa năng ứng dụng trong các hệ SCADA. 4 3. Đối tượng/phạm vi và nội dung nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu Khái niệm : Hiện nay chưa thấy có một định nghĩa chuẩn nào về bộ điều khiển đa năng, tuy nhiên hãng Honeywell đưa ra dòng sản phẩm - UDC (UNIVERSAL DIGITAL CONTROLLERS) có các tính năng tương tự các bộ điều khiển của nhiều hãng nổi tiếng như Siemens - SIPART, Burkert - DIC(Digital Industrial Controller), OMRON - DC(Digital Controller), ABB (Advanced Process Controller),...Có thể phân biệt bộ điều khiển đa năng bằng một số đặc điểm đặc trưng sau: § Được xây dựng trên nền tảng các phương pháp điều khiển thông thường và hiện đại (điều khiển PID, điều khiển fuzzy, điều khiển thích nghi,.....), do vậy có thể áp dụng cho nhiều các bài toán điều khiển (tính đa năng): sử dụng nhiều nhất trong điều khiển quá trình (process control). § Người sử dụng xây dựng chương trình điều khiển bằng phương pháp cấu hình cấu trúc bộ điều khiển dựa trên cơ sở các khối hàm chuẩn dựng sẵn, do vậy không đòi hỏi lập trình bằng ngôn ngữ (tất nhiên người sử dụng phải là chuyên gia tích hợp hệ thống chứ không phải end-user). Các khối hàm chuẩn là những hàm rất hay sử dụng trong điều khiển các quá trình công nghiệp như: lọc (filter), chống nhiễu (pulse suppress), scaling, PID, nhận dạng, các hàm toán học, hàm logic,.... § Một bộ điều khiển đa năng thường được sử dụng cho điều khiển cục bộ, tương đối độc lập (liên động ít) một hay vài khâu quy mô nhỏ trong hệ thống tự động hoá. Đối với những hệ thống lớn, người ta thường sử dụng bộ điều khiển đa năng kết hợp với PLC. § Có khả năng kết nối mạng theo các giao thức truyền thông mở (các giao thức trên cơ sở RS485, RS232, Ethernet,...), do vậy có thể mở rộng, tích hợp hệ thống dễ dàng. § Ngoài ra một xu thế đã khá phổ biến là tích hợp luôn tính năng của transmitter vào bộ điều khiển. 3.2. Nội dung nghiên cứu Năm 2006, đề tài đã thực hiện các nội dung sau: § Nghiên cứu, thiết kế chế tạo phiên bản I bộ điều khiển đa năng. Kết quả là đã tạo ra sản phẩm UDC.01 với các tính năng cơ bản như: điều khiển PID, truyền thông trên cơ sở RS485/RS232, vào/ra chuẩn, cấu hình từ xa (đặt cấu hình từ máy tính qua mạng RS232) § Thử nghiệm bộ điều khiển trong thực tế cho ứng dụng điều khiển độ cứng và pH của hệ thống lọc nước. Bộ điều khiển đã điều khiển chính xác (tương đương với bộ điều khiển SC100 của HACH về độ chính xác) và có đánh giá tốt của cơ sở sản xuất. Năm 2007, đề tài đăng ký nội dung nghiên cứu sau: § Hoàn thiện và mở rộng chức năng của bộ điều khiển bao gồm: tính toán toán học, thiết kế chế tạo module vào/ra cắm thêm; thiết kế chế tạo module khuyếch đại tín hiệu RTD, TC và pH; xây dựng bộ lọc; xây dựng chức năng PID tự chỉnh; xây dựng chức năng truyền thông theo chuẩn Ethernet. 5 § Xây dựng hệ SCADA trên cơ sở bộ điều khiển đa năng bao gồm: mạng Ethernet kết nối các bộ điều khiển đa năng và máy tính, phần mềm SCADA trên PC phục vụ giám sát, cấu hình từ xa. Giao thức truyền thông sử dụng TCP/IP. § Thử nghiệm và đánh giá kết quả. 4. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước Việc thiết kế chế tạo các bộ điều khiển trong công nghiệp nói chung không phải là mới tại Việt Nam, tuy nhiên hầu hết các bộ điều khiển đều hướng vào một phạm vi rất hẹp các ứng dụng (chủ yếu là giám sát điều khiển nhiệt độ) nên thường có cấu trúc cố định và ít tính năng. Độ mềm dẻo không cao, đòi hỏi kiến thức chuyên sâu về lập trình, tốn nhiều thời gian, công sức cho thiết kế chế tạo để đáp ứng những yêu cầu mới của công nghệ đã khiến các bộ điều khiển này khó thích nghi được trong nhiều trường hợp thực tế. Mặt khác nhiều bộ điều khiển dựa trên vi điều khiển 8-bit do hạn chế về tốc độ và bộ nhớ đã không đáp ứng được yêu cầu phát triển ngày càng tăng của cơ sở sản xuất như nâng cấp, mở rộng để nâng cao năng suất, sản lượng, chất lượng đồng thời cũng làm giảm phạm vi ứng dụng. Trên thị trường chưa có bộ điều khiển đa năng có thương hiệu Việt Nam, hầu hết đều phải nhập khẩu từ nước ngoài với giá thành cao gấp nhiều lần so với sản xuất trong nước như tại các nhà máy bia Hải Dương, Thanh Hoá, Kim Bài, Thái Bình; Công ty phân đạm và hoá chất Hà Bắc; Công ty Gang thép Thái Nguyên những bộ điều khiển pH, T, DO, Ca, Flow, áp suất,... đều nhập ngoại. Bên cạnh đó hầu hết các đơn vị chưa chú ý tích hợp các transmitter vào bộ điều khiển để tăng thêm giá trị sử dụng của nó hoặc các chức năng điều khiển còn đơn giản chưa đáp ứng được thực tế. 5. Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước 5.1. Tổng quan Nhiều hãng lớn như SIEMENS, Honeywell, OMRON, ABB ... đã nghiên cứu và phát triển các bộ điều khiển đa năng như dòng sản phẩm SIPART (SIEMENS), UDC (HoneyWell), Digital Process Controller (OMRON), Advanced Process Controller (ABB)...đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới. Nhiều thuật toán điều khiển phức tạp, nhiều chức năng tính toán được cài đặt sẵn đã làm cho bộ điều khiển có thể dùng trong nhiều ứng dụng và đúng như tên gọi của nó “đa năng”. Trên một bộ điều khiển có thể có sẵn các thuật toán điều khiển PID, điều khiển mờ, điều khiển thích nghi, điều khiển lai, điều khiển bù nhiễu trước, điều khiển nhiều vòng kín, điều khiển logic, điều khiển theo giới hạn (limit control), điều khiển theo dõi, điều khiển tỷ lệ, điều khiển đồng bộ (đồng bộ theo giá trị chủ đạo đưa từ master là PLC hoặc bộ điều khiển khác), điều khiển bước,....các hàm toán học, logic, so sánh, định thời,... Tất cả việc còn lại người sử dụng cần làm chỉ là cấu hình (định nghĩa cấu trúc cho bộ điều khiển) và cài đặt tham số. Bộ điều khiển còn có các giao diện truyền thông cho phép kết nối mạng và trên cơ sở đó người ta xây dựng hệ SCADA có kiến trúc phân tán: hệ bao gồm nhiều bộ điều khiển nằm tại hiện trường, mỗi bộ điều khiển có hiển thị, cảnh báo, bàn phím, cài đặt tại chỗ. Mỗi bộ sẽ điều khiển cục bộ, độc lập tương đối (liên động ít) một công đoạn trong dây chuyền sản xuất đồng thời thu thập dữ liệu liên quan để truyền về một trạm điều khiển trung tâm qua mạng truyền thông. Trạm điều 6 khiển trung tâm thường sử dụng máy tính PC có cài đặt phần mềm HMI để người vận hành giám sát, lưu trữ, điều khiển từ xa toàn bộ dây chuyền. Mạng truyền thông phổ biến của bộ điều khiển là PROFIBUS, MODBUS và Ethernet. Trong đó mạng Ethernet có xu hướng ngày càng phổ biến, hiện chiếm đến 80% thị phần mạng trên toàn thế giới. Ethernet có rất nhiều ưu điểm như: lắp đặt nhanh nhờ phương pháp kết nối đơn giản; tính sẵn sàng cao nhờ khả năng mở rộng lớn, hầu như không hạn chế; cho phép kết nối nhiều lớp ứng dụng khác nhau như quản lý, sản xuất; có khả năng kết nối diện rộng mạng WAN; tương thích rất nhiều thiết bị trên thế giới hiện nay; gần như không giới hạn hiệu suất mạng nhờ sử dụng công nghệ switching. Ngoài ra trong các bộ điều khiển đa năng của các hãng kể trên hầu hết đều tích hợp sẵn đầu vào cho đầu đo nhiệt độ RTD, TC. Hơn nữa hiện nay rất nhiều hãng sản xuất đầu đo như HACH, E+H, YSI,... có xu hướng tích hợp các bộ điều khiển với transmitter. Mỗi bộ điều khiển có khả năng kết nối một vài dạng đầu đo chuẩn. Tuy nhiên các bộ điều khiển dạng này thường rất đơn giản về điều khiển, không có module mở rộng nhưng giá thành rất cao (thậm chí gấp đôi giá thành bộ transmitter thông thường). 5.2. Giới thiệu các bộ điều khiển đa năng của nước ngoài Tất cả các bộ điều khiển đa năng đều có một số AI, AO, DI, DO chuẩn (0..10V, 0/4...20mA, 24VDC, dry contact,...) và tín hiệu đầu vào từ cặp nhiệt. Sau đây chỉ giới thiệu các hàm chức năng của mỗi loại Ø Burkert - DIC(Digital Industrial Controller)-Hình 1 Hình 1 Bộ điều khiển DIC của hãng Burkert Chức năng điều khiển -Điều khiển setpoint cố định -Folowup control -Điều khiển tỷ lệ -Điều khiển fixed setpoint kết hợp feedforward -Cascade control 7 -Step control -Overide control Hàm toán học -Cộng, trừ, nhân, chia, khai căn Truyền thông -RS232 -RS485/PROFIBUS Ø Siemens – SIPART - Hình 2 Hình 2 Bộ điều khiển SIPART của hãng Siemens Chức năng điều khiển -Điều khiển setpoint cố định -Folowup control -Điều khiển tỷ lệ -Điều khiển fixed setpoint kết hợp feedforward -Cascade control -Step control -Điều khiển thích nghi (tuỳ chọn) Hàm toán học -Cộng, trừ, nhân, chia, khai căn Truyền thông -RS232 -RS485/PROFIBUS-DP/PA, HART -Ethernet (tuỳ chọn) 8 Ø Honeywell – UDC (Universal Digital Controller) - Hình 3 Hình 3 Bộ điều khiển UDC của hãng Honeywell Chức năng điều khiển -Điều khiển setpoint cố định -Điều khiển theo ramping setpoint -Điều khiển tỷ lệ -Step control -Self tuning (tuỳ chọn) Hàm toán học -Cộng, trừ, nhân, chia, khai căn Truyền thông -RS232 -RS485/MODBUS RTU -RS485/ASCII -Ethernet (tuỳ chọn) 9 Ø Omron – DC (Digital Controller) - Hình 4 Hình 4 Bộ điều khiển DC của hãng Omron Chức năng điều khiển -Điều khiển setpoint cố định -Cascade control -Feed forward control -Điều khiển tỷ lệ -Step control -Fuzzy control -Hybrid control (PID+fuzzy) -Fuzzy fine tuning Hàm toán học -Cộng, trừ, nhân, chia, khai căn Truyền thông -RS232 -RS422 -RS485 10 Ø Endress+Hauser- Mycom S CPM 153 - Hình 5 Hình 5 Bộ điều khiển và transmitter pH/Redox của hãng E+H Chức năng điều khiển -Điều khiển ON/OFF theo ngưỡng. -PID controller: output PWM (pulse length)/PFM (pulse frequency)/0/4 ... 20 mA Transmitter -pH/ Redox -Nhiệt độ Truyền thông -PROFIBUS DP/PA -HART Chức năng khác -Datalogger -Vệ sinh tự động 11 Ø HACH – SC100 - Hình 6 Hình 6 Bộ điều khiển và transmitter SC100 của hãng HACH Chức năng điều khiển -Điều khiển setpoint cố định -Điều khiển tỷ lệ -Overide control Transmitter -pH -T -DO -Conductivity Truyền thông -RS232 -RS485/PROFIBUS-DP Ngoài các hãng nêu trên còn rất nhiều hãng sản xuất các bộ điều khiển có tính năng tương tự như: ABB, Yokogawa, KOBOLD, ALCO, .... 12 5.3. Các ứng dụng điều khiển tiêu biểu Các bộ điều khiển đa năng thường được ứng dụng trong các bài toán điều khiển đặc trưng sau: Ø Điều khiển một vòng kín (Hình 7) Điều khiển một vòng kín như: điều khiển nhiệt độ lò; nồi hơi; áp suất của các hệ điều khiển thay đổi công suất theo phụ tải trong các hệ thống chỉnh nhiệt bằng nước, bằng hơi, điều chỉnh DO; điều chỉnh công suất theo độ mở của valve,.... Hình 7 Sơ đồ khối điều khiển một vòng kín Ø Điều khiển theo dõi (Hình 8) Điều khiển theo dõi (folow-up control) như: điều khiển lò nung không liên tục(theo mẻ) , setpoint là một đường chuẩn cho trước và phải nung sao cho nhiệt độ tâm bám theo đường setpoint. Điều khiển nhiệt độ ra lò theo sự thay đổi công suất cán: khâu tính toán setpoint theo tốc độ cán sẽ đưa ra setpoint thay đổi cho khâu điều khiển nhiệt độ Hình 8 Sơ đồ khối điều khiển theo dõi 13 Ø Điều khiển tỷ lệ (Hình 9) Điều khiển tỷ lệ như chỉnh clo châm theo lưu lượng. Tỷ lệ lưu lượng clo/lưu lượng nước = const Hình 9 Sơ đồ khối điều khiển tỷ lệ Ø Điều khiển cascade (Hình 10) Điều khiển cascade (nối tầng) như: điều khiển nhiệt độ trong tank được nung bằng hơi nóng có hai tầng điều khiển, vòng điều khiển tác động nhanh để điều khiển lưu lượng dòng hơi, trong khi đó vòng thứ hai chỉnh nhiệt độ có quán tính chậm hơn Hình 10 Sơ đồ khối điều khiển cascade 14 Ø Điều khiển bước Điều khiển bước (step control): PID có đầu ra điều chế độ rộng xung rất hay dùng cho điều khiển valve, động cơ kiểu 2, 3 vị trí (Hình 11) Hình 11 Damper dùng động cơ kiểu 2, 3 vị trí 6. Khảo sát thực tế trong nước Nhóm thực hiện đề tài đã khảo sát thực tế tại các công trình công nghiệp trong nước. Sau đây là kết quả khảo sát: Ø Dây chuyền sản xuất CO2 lỏng- Công ty Phân đạm và Hoá Chất Hà Bắc Thời điểm khảo sát: Năm 2006 Mô tả hệ thống tự động hoá: Hệ thống của dây chuyền I do Germany thiết kế lắp đặt (dây chuyền II và III hoàn toàn do chuyên gia trong nước thiết kế lắp đặt – ELCOM,...). Hệ thống có 02 tủ điều khiển sử dụng PLC SIMATIC S5- CPU 95U và 06 module (16DI x 24 VDC), 10 module (8DO x 24VDC/ 0.5 A ) của SIEMENS. Trên mặt tủ có các nút ấn, chuyển mạch cho chế độ điều khiển tay; các bộ định thời đặt thời gian trễ điều khiển và các bộ điều khiển áp suất, lưu lượng, nhiệt độ. Các bộ điều khiển này có chức năng điều khiển cục bộ và liên động với bộ điều khiển PLC bằng các đầu ra logic. PLC hoàn toàn điều khiển logic mà thôi (vì chỉ có các đầu vào ra số và nhóm thực hiện đề tài đã tìm hiểu cả logic chương trình). PLC thực hiện chức năng: điều khiển logic quá trình sản xuất CO2 , cảnh báo/báo động , dừng sự cố , báo trạng thái , nhận lệnh điều khiển tay. Các đối tượng cần điều khiển là máy bơm nước, hoá chất, quạt gió, máy nén khí, van điện từ... 15 Bộ điều khiển sử dụng trong hệ thống: -Điều khiển áp suất của hãng Burkert -Điều khiển lưu lượng của Danffos -Điều khiển nhiệt độ của ALCO Ø Hệ thống cảnh báo và liên động bảo vệ tua bin máy phát nhiệt điện- Công ty Phân đạm và Hoá chất Hà Bắc Thời điểm khảo sát: Năm 2006 Mô tả hệ thống tự động hoá: Hệ thống bảo vệ 02 tua bin máy phát nhiệt điện (công suất mỗi tua bin 12MW) do Trung Quốc thiết kế lắp đặt. Hệ thống có 02 bộ PLC SIMATIC S7-200 CPU224 và 06 bộ module EM223 (16DI/16DO). PLC nhận các báo động từ các bộ điều khiển tại chỗ gửi về để đưa ra báo động và dừng liên động bảo vệ máy phát. Bộ điều khiển sử dụng trong hệ thống: -Điều khiển áp suất dầu, khí. -Điều khiển nhiệt độ Ø Trạm xử lý nước thải – Công ty CP Bia Hà Nội Thời điểm khảo sát: Năm 2007 Mô tả hệ thống tự động hoá: Hệ thống xử lý nước thải do Bỉ thiết kế lắp đặt. Hệ thống điều khiển tự động gồm hệ điều khiển dùng PLC và máy tính giám sát trung tâm. Điều khiển logic được thực hiện từ PLC còn điều khiển pH được thực hiện bằng bộ điều khiển riêng. Bộ điều khiển sử dụng trong hệ thống: -Điều khiển pH của E+H Ngoài ra nhóm thực hiện khi khảo sát các công trình như: Nhà máy cán thép Lưu Xá (30 vạn tấn) và Nhà máy cán thép Gia Sàng – Công ty Gang thép Thái Nguyên, Nhà máy cán thép Việt Ý, Nhà máy cán thép Hoà Phát (điều khiển nhiệt độ, lưu lượng); Nhà máy giấy Trúc Bạch, Nhà máy giấy Phong Khê (điều khiển nồng độ bột giấy); Nhà máy Thuỷ điện Suối Tân (điều khiển tốc độ, lưu lượng); Nhà máy xử lý nước thải KCN Nomura - Hải Phòng (điều khiển pH); Trạm xử lý nước thải – Công ty CP sữa VINAMILK (điều khiển pH); Công ty CP Bia Hà Nội-Hải Dương, Hà Nội-Hồng Hà, Công ty CP Bia Thanh Hoá (điều khiển DO, pH, canxi, clo),....đều gặp rất nhiều các bộ điều khiển đa năng điều khiển nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, hoá chất,.... 16 7. Một số công trình đã thi công sử dụng bộ điều khiển đa năng Nhóm thực hiện đề tài trong 02 năm (2006 và 2007) đã và đang trực tiếp thi công một số công trình tự động hoá trong đó có sử dụng bộ điều khiển đa năng. Ø Công trình Hệ thống tự động hoá xử lý nước công nghệ - Công ty CP Bia Thái Bình Công suất xử lý: 10m3 /h Các công đoạn chính: Lọc áp lực, trao đổi cation, khử khí, bổ sung canxi, lọc than, chỉnh pH, khử trùng bằng clo. Loại công trình: Cải tạo và nâng cấp Hệ thống điều khiển: -Điều khiển logic các bơm nước và quạt theo ngưỡng (áp, mức nước) và liên động . -Điều khiển quá trình pH, canxi, châm clo dùng 02 bộ SC100 của HACH, trong đó có 03 vòng điều khiển close loop (02 điều khiển PI cho pH,canxi; 01 điều khiển P cho clo) -Giám sát tại chỗ qua LCD trên bộ điều khiển và qua đèn trên mặt tủ điều khiển (trạng thái thiết bị) Thời gian lắp đặt và hiệu chỉnh phần điều khiển: 03 giờ (02 người thi công) Ø Công trình Hệ thống tự động hoá xử lý nước công nghệ-Công ty CP Bia Kim Bài Công suất xử lý: 15m3 /h Các công đoạn chính: Lọc cát, trao đổi cation, khử khí, bổ sung canxi, lọc than, chỉnh pH. Loại công trình: Lắp đặt mới Hệ thống điều khiển: -Điều khiển logic các bơm nước và quạt theo ngưỡng (áp, mức nước) và liên động . -Điều khiển quá trình pH, canxi dùng 02 bộ SC100 của HACH, trong đó có 02 vòng điều khiển close loop (02 điều khiển PI cho pH,canxi) -Giám sát tại chỗ qua LCD trên bộ điều khiển và qua đèn trên mặt tủ điều khiển (trạng thái thiết bị) Thời gian lắp đặt và hiệu chỉnh phần điều khiển: 01 giờ (02 người thi công) Ø Công trình Hệ thống tự động hoá xử lý nước thải- Công ty CP Bia Thanh Hoá Công suất xử lý: 1.500m3 /ngày đêm Các công đoạn chính: Lọc thô, điều hoà, trung hoà, hiếm khí, hiếu khí, lắng, xử lý bùn Loại công trình: Lắp đặt mới Hệ thống điều khiển: -Điều khiển dùng PLC SIMATIC S7-300 của SIEMENS kết hợp với 01 bộ SC100 của HACH, trong đó có 02 vòng điều khiển close loop (02 điều khiển PI cho pH, DO) -Giám sát từ trung tâm qua PC, tại chỗ qua LCD trên bộ điều khiển và qua đèn trên mặt tủ điều khiển (trạng thái thiết bị) Ngoài ra còn 02 công trình đang thi công là Hệ thống xử lý nước công nghệ tại Công ty CP Bia Hồng Hà , Hải Phòng có sử dụng các controller/transmitter của HACH 17 8. Tổng kết về bộ điều khiển đa năng Tuy không thể sánh được với PLC về mức độ “mềm dẻo”, khả năng mở rộng phần cứng và phạm vi ứng dụng, tuy nhiên trong nhiều ứng dụng điều khiển cục bộ, quy mô vừa và nhỏ chỉ cần một số bộ điều khiển đa năng là đủ và kinh tế, đồng thời do được xây dựng dựa trên các chuẩn mở, bộ điều khiển đa năng có thể trở thành những thành phần cơ sở để tích hợp, mở rộng quy mô của các hệ thống tự động hoá khi cần thiết với chi phí thấp. Kết hợp với PLC, bộ điều khiển đa năng cho phép xây dựng các giải pháp hệ thống tự động hoá đem lại hiệu quả cao (chi phí thấp, thời gian thi công nhanh, giảm thời gian thiết kế, giảm mức độ phức tạp của chương trình điều khiển trên PLC, giảm “tải” cho PLC, tăng độ tin cậy của hệ thống,...) Bộ điều khiển đa năng dựa trên các vi điều khiển 16/32-bit có thể thoả mãn các yêu cầu về tốc độ xử lý cao, thời gian lấy mẫu ngắn, cho phép cài đặt các thuật toán phức tạp có khối lượng tính toán lớn, cài đặt nhiều chức năng , cho phép lưu trữ, thu thập nhiều số liệu (như thiết bị datalogger) phục vụ thống kê. 18