(TIỂU LUẬN) hệ thống điều khiển giám sát lò hơi trong nhà máy nhiệt điện

TR

NGĐ IH CBÁCHKHOAHÀN

B MÔN K Ỹ THU

I

VI NĐI N
T ĐO VÀ TIN H C CÔNG NGHI P
*****

BÁO CÁO
H
TH NG ĐI U KHI N VÀ GIÁM SÁT Lọ
H I TRONG NHÀ MÁY NHI T ĐI N

Giáo viên h

ng d n:

ThS Nguy n Tu n Ninh

Sinh viên:

Võ Tá Hoàng

SHSV:

20093469

L p:

KSCLC - K54 - THCN

–

HÀ– N Iọ2013

ệ –

Võ Tá Hoàng 20093469 Tin h c công nghi p

–

KSCLC K54

Page 1


Hệ thống điều khiển giám sát lò hơi trong nhà máy nhiệt điện

M CL C
M

Đ U .............................................................................................................................

Ch

ng 1

NGHIÊN C U T
1.1.

V

1.2.

trí n i h

C u t o n i h i ............................................................................

Ch

ng 2

THI TL

P CÁC BI

2.1.

Thu t toán đi u khi n n i h i ....................................................

2.1.1. Tự động c p nước nồi hơi ..................................................................................
2.1.2. Tự động đốt lò ...................................................................................................

2.1.3. Tự động duy trì áp su t hơi ...............................................................................

2.1.4. Tự động kiểm tra, báo động, b o vệ nồi hơi .....................................................

2.1.5. Thiết lập hệ thống các biến lệnh .......................................................................
2.2.

Tính tốn ựla ch n thi t k h th ng giám sát, đi u khi n n i

2.2.1. DI (Digital Input) ON/OFF ...............................................................................

2.2.2. DO (Digital Output) ON/OFF ...........................................................................

2.2.3. AI (Analog Input) ..............................................................................................
2.3.

Thi t l p h

2.4.

Quy trình ho t đ ng c a h th ng n i h


Đặc điểm của nồi hơi ...................



Quy trình hoạt động và ý tư n

2.5.

Ch
THI TK

Xây d ựng lu
•

Với bộ điều khiển mực nước: ....................................................

•

Với bộ điều khiển áp su t: .........................................................
ng 3
MÔ PH

FREELANCE ...................................................................................................................

Võ Tá Hoàng – 20093469 –


Hệ thống điều khiển giám sát lò hơi trong nhà máy nhiệt điện
3.1. L p trình FBD...................................................................................................... 11
3.1.1. Các khối quan trọng trong chương trình...................................................... 11
3.1.2.

Lắp ghép các khối để có được chương trình điều khiển.........................13

3.2. Thi t k giao di n Digivis..................................................................................... 16
K T LU N..................................................................................................................... 17
Tài li u tham khảo.......................................................................................................... 17

Võ Tá Hoàng – 20093469 – Tin học công nghiệp – KSCLC – K54

Page 2

Hệ thống điều khiển giám sát lò hơi trong nhà máy nhiệt điện

M

ĐU

Ngày nay t ự động hóa điều khiển r t được chú trọng trong công nghi ệp, c
i thiện hiệu qu cho các quá trình ns xu t. Các hệ thống điều khiển giám sát giúp
cho việc qu n lý, giám sát và vận hành m ột hệ thống an toàn, đ m b o ch t lượng
đầu ra cũng như gi m chi phí. Trong mơn h ọc Hệ thống điều khiển và giám sát,
em đã được học các kiến thức về một hệ thống điều khiển giám sát trong công
nghiệp và các trạm điện, biết cách thiết kế các hệ thống như vậy bằng phần mềm
công nghi ệp Freelance của hãng ABB. Và để hiểu rõ hơn về môn h ọc, em đã
chọn đề tài “ Thiết kế mô ph ỏng điều khiển và giám sát ồin hơi trong nhà máy
nhiệt điện bằng phần mềm Freelance của hãng ABB”. Nồi hơi là một thiết bị r t
quan trọng trong hệ thống nhà máy nhiệt điện nên việc giám áts và điều khiển nó
là r t cần thiết và u cầu độ chính xác, an tồn cao.
Em xin c m ơn thầy thầy Nguyễn Tu n Ninh đã giúp đỡ về lý thuy ết hệ
thống điều khiển giám sát cũng như cách sử dụng phần mềm Freelance để
em có thể thực hiện đề tài này. Dù đã cố gắng hoàn thành đề tài m ột cách ốit
ưu nh t, nhưng do hạn chế về th i gian thực hiện và trình độ b n thân nên bài
tập lớn này khơng tránh khỏi thiếu sót. Em mong nh ận được góp ý c ủa thầy
để có th ể hồn thiện hơn bài tập lớn của mình.

Võ Tá Hồng – 20093469 – Tin học công nghiệp – KSCLC – K54

Page 3

Hệ thống điều khiển giám sát lò hơi trong nhà máy nhiệt điện

Ch ng 1
NGHIÊNC UT NGQUANV N

IH I

1.1.

V trí n i h i trong nhƠ máy nhi t đi n
Nồi hơi là một thiết bị giúp đưa nhiệt của quá trình đốt cháy cho nước đến
khi nước được đun nóng hoặc thành hơi. Nhiên liệu dùng để đốt trong nồi hơi là
dầu. Nước nóng ho ặc hơi nước dưới tác động của áp sut sẽ truyền nhiệt sang một
quy trình khác. Khi nước được chuyển thành hơi, thể tích sẽ tăng lên kho ng
1600 lần, tạo ra một áp ựlc r t mạnh. Vì vậy nồi hơi cần ph i được giám sát và điều
khiển một cách cẩn thận. Hơi nước trong nồi hơi với áp sut cao được sử dụng để
sinh công làm quay tua bin phát điện trong các nhà máy nhiệt điện.
Nồi hơi là thiết bị được ứng dụng r t nhiều trong công nghi ệp và cu ộc sống,
ngoài s ử dụng để làm quay tua bin trong nhà máy nhiệt điện, nồi hơi còn được sử



Trong các xư ng giặt là c ủa nhà máy may.
Hệ thống nồi n u rượu.
Hệ thống bếp n u ăn công nghiệp.
Mạng lưới sư i m trong các tịa nhà lớn, các kháchạ n,s nhà hàng.



Hệ thống xơng hơi, matxa. ụngtrongnhiềulĩnhvựckhácnhư:





d

Hình 1.1: Sơ đồ về một nhà máy nhiệt điện

Võ Tá Hồng – 20093469 – Tin học cơng nghiệp – KSCLC – K54


Hệ thống điều khiển giám sát lò hơi trong nhà máy nhiệt điện
1.2.

Cutonihi

Hệ thống nước c p: c p nước cho nồi hơi và tự động điều chỉnh nhằm
đáp ứng nhu cầu nồi hơi.

Hệ thống hơi: thu gom và kiểm sốt hơi do lị hơi sinh ra. Một hệ thống
dẫn hơi tới vị trí cần sử dụng.




Hệ thống nhiên liệu: gồm các thiết bị tạo ra nhiệt đốt nòng lò hơi.

Hệthốngnồihơibaogồm:

Ta nghiên ứcu một loại nồi hơi cụ thể là n ồi hơi ống nước. Đối với lò hơi ống
nước, nước được c p qua cácống đi vào buồng đốt, được đun nóng bằng hơi
dầu cháy và chuyển thành hơi nóng áp su t cao bay lên.
Bộ phận buồng đốt: có nhi ệm vụ phun dầu thành sương vào buồng đốt để
tăng quá trình cháy. Em thiết kế với một vịi phun có trang b ị biến áp đánh lửa.



Bộ phận trao đổi nhiệt: là nơi trao đổi nhiệt để biến nước thành hơi bão hịa. Do đó ống được chế
Cácbộphậnchínhtrongsơđồdướiđây:
tạo để có di ện tích tiếp xúc lớn nh t khi đó kh năng h p thụ

nhiệt là t ốt nh t.
• Bộ phận quạt thơng gió: để c p khơng khí đốt cháy và làm q trình đốt tốt
hơn.
• Bộ phận c p nước: sử dụng máy bơm để cung c p đầy đủ nước cho nồi hơi
trành cho m ực nước trong nồi gi m quá th p gây cháy nồi. Sử dụng 2 bơm
trong đó 1 bơm để dự phịng.
•
Hệ thống điều khiển đốt nồi: Điều khiển quá trình đốt bằng PLC.

Hình 1.2: Nồi hơi ống nước
Võ Tá Hồng – 20093469 – Tin học cơng nghiệp – KSCLC – K54

Page 5


Hệ thống điều khiển giám sát lò hơi trong nhà máy nhiệt điện

Ch

ng 2

THI T L PCÁCBI NC AH
KHI N GIÁM SÁT N
2.1.
O
O
O
O

TH NG

U

I H ĐI I

Thu t toán đi u khi n n i h i
Hệ thống điều khiển nồi hơi thực hiện các chức năng điều khiển sau:
Chức năng tự động c p nước cho nồi hơi
Chức năng tự động đốt lò
Chức năng tự động điều chỉnh áp su t nồi hơi
Chức năng tự động kiểm tra báo động và b o vệ nồi hơi

2.1.1. Tự đ ng c p n c n i h i
Nh chức năng tự động c p nước mà m ực nước trong nồi hơi luôn giữ
một mức độ nh t định, không x y ra các ựs cố như cháy nồi do mức nước trong
nồi hơi quá th p hoặc bị tràn ra ngoài do m ức nước trong nồi hơi quá cao. Để thực
hiện chức năng này cần dùng 2 bơm c p nước (một bơm làm việc và m ột bơm dự

trữ). Mức nước trong nồi luôn được giữ mức hmin < h < hmax.
2.1.2. Tự đ ng đ t lò
Giai đoạn chuẩn bị đốt
Khi các điều kiện sau đ m b o thì mới tiến hành đốt:
• Mức nước trong nồi hơi ph i đ m b o đủ do mạch tự động hay c p nước
bằng tay thực hiên.
•
Quạt gió ph i đ m b o khơng có s ự cố


• Tồn b ộ các phần tử trong hệ thống ph i đ m b o khơng có s ự cố. 
Giai đoạn đốt
Giai đoạn này được thực hiện theo một chương trình định trước và được quyết
Phát ệnhl đốt : Bằng cách bật công t ắc hoặc n nút điều khiển tự động
để c p nguồn cho mạch phía sau, thiết bị chương trình hoạt động.



Quạt thơng gió kho ng 30 giây.

địnhbithiếtbịchươngtrình.Cácbước của q trình đốt lị:

Võ Tá Hồng – 20093469 – Tin học cơng nghiệp – KSCLC – K54

Page 6


Hệ thống điều khiển giám sát lò hơi trong nhà máy nhiệt điện
•

M cửa hợp lý.

•

Biến áp đánh lửa hoạt động, dầu mồi hoặc dầu đốt đã được hâm nóng đến

nhi•ệt độ cần thiết phun vào lị. T ừ đây bắt đầu kiểm soát hoạt động của nổi hơi.
Tại đây x y ra q trình cháy hoặc khơng cháy.

Nếu cháy thành cơng: kết qu q trình đốt lị là ng ọn lửa xu t hiện, qua
phần tử c m biến nhận lửa và qua rơ le quang điện sẽ ph n hồi về để ngắt điện áp
đánh lử


ằng đèn trên b ng điề

ể

Nếu không thành công: T ự động dừng đốt lò. T ắt phun dầu để cắt dầu vào

buồng đốt, tắt biến áp đánh lửa.

a.Báocháythànhcông bu khi n.

2.1.3. Tự đ ng duy trì áp su t h i
Trong quá trình vận hành n ồi hơi, áp su t hơi là một thông s ố r t quan trọng
cần được điều khiển, yêu ầuc đặt ra là ph i duy trì áp su t hơi nằm trong trạng thái
cho phép .
P
P

min

P

max

min

< P
max

= 8 bar
= 10 bar
Quá trình điều khiển ápsu t nồi hơi được thực hiện bằng cách khi áp sut
nồi hơi trong nồi đạt giá trị xác định thì dừng đốt, còn khi áp su t nồi gi m đến
một giá trị đặt thì nồi hơi tự động hoạt động lại.
2.1.4. Tự đ ng ki m tra, báo đ ng, bảo v n


Các thông số báo động, b o vệ nồi hơi:

•
dừng đốt lị.
•
•
•
•
•



Mức nước trong nồi hơi gi m quá thp so với hmin, dẫn tới b

Mức nước trong nồi quá cao so với hmax, báo động và khóa v
Áp su t nồi hơi quá cao cũng dẫn tới báo động và d ừng
Quạt gió có s ự cố dẫn tới báo động và d ừng đốt.
M t lửa dẫn tới báo động và d ừng đốt lò .
Lị đốt khơng thành cơng d ẫn tới báo động và d ừng đốt
Các thông số chỉ báo động mà khơng b

•

Mức nước gi m hơi th p.


Võ Tá Hồng – 20093469 – Tin học cơng nghiệp – KSCLC – K54

Page 7


Hệ thống điều khiển giám sát lò hơi trong nhà máy nhiệt điện
2.1.5. Thi t l p h

th ng các bin l nh

Ta thiết lập hệ thống nồi hơi đốt dầu với các biến lệnh dùng trong q trình

•
•

điềuSửkhiển:
dụng biến lệnh đóng m van để điểu khiển mực nước trong nồi.
Sử dụng biến lệnh điện áp đặt lên điện tr vào trong lị để điều khiển nhiệt

độ lị.
2.2. Tính tốn ựla ch n thi t k h th ng giám sát, đi u khi n n i h i
 Các thông số trong hệ thống nồi hơi

2.2.1. DI (Digital Input) ON/OFF
O
Tín hiệu có l ửa hay khơng có l ửa nhằm kiểm tra xem đánh lửa thành công
không.
2.2.2. DO (Digital Output) ON/OFF
O
Đèn c nh báo Alarm kèm thông báo ra màn hình. Có 3 mức c nh báo là: Hệ
thống ổn định, hệ thống quá ti và h ệ thống nguy hiểm.
O
Thông báo trạng thái chế độ hoạt động.
O
Thông báo trạng thái van trong chế độ Manual.
O
Thông báo trạng thái ửla trong chế độ Manual.
2.2.3. AI (Analog Input)
O
Mức nước trong bình.
O
Áp su t hơi nước trong bình.
đây em lựa chọn modul 700F
B ng tổng kết

Số lượng dùng
Số lượng dự
phòng
Modul
Võ Tá Hồng – 20093469 – Tin học cơng nghiệp – KSCLC – K54

Page 8


Hệ thống điều khiển giám sát lò hơi trong nhà máy nhiệt điện

2.3. Thi t l p h

th ng các bin q trình

Áp su t trong lị
O
Mực nước trong lị.
Với hệ thống nồi hơi như mô t , ta thiết lập bộ điều khiển mực nước và áp
su t trong nồi hơi khi nồi đang hoạt động chế độ bình thư ng, đ m b o mực nước
và áp su t trong nồi hơi luôn ổn định trong giới hạn cho phép ( mặc định nồi
O

hơi• đã hồn thành q trình kh i động và đang hoạt động bình thương):
•

1 m <= h < = 2,5 m

8 bar <= P <= 10 bar

Với gi thiết trên ta thiết kế bộ điểu khiển với 2 tín hiệu vào là m ực nước
và áp sut trong nồi, tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển là góc m van và điện áp
đặt lên điện tr s y.
2.4. Quy trình ho t đ ng c


Đặc đi m c a n i h
3
Nồi hơi có thể tích 25 m , chiều ca

Quy trình ho t đ ng vƠ Ủ t ng th
Trong đề tài này ch ỉ nghiên cứu về giai đoạn điều khiển mức nước bơm vào
bình và áp su t hơi trong bình, bỏ qua các giai đoạn đốt cháy dầu, quạt gió,… Coi
như các giai đoạn đó được thực hiện thành cơng. Trong bài em có mơ ph ỏng để
kiểm tra xem có l ửa trong lị hay khơng, để đ m b o an tồn trong lúc vận hành, nếu
khơng có l ửa thì ph i tắt ngay cung c p dầu tránh phun dầu vào mà không
cháy ẽs r t nguy hiểm.
Trên bng điều khiển có các nút để bắt đầu hoạt động lị và nút reset h ệ
thống.
Có m ột bình chứa nước riêng để cung c p cho lị hơi. Có 2 ch ế độ hoạt
động: Auto và Manual.
 Ch đ Auto:

Khi nước được bơm với lưu lượng 5 cm/s vào bình đến khi đạt mức 100 cm thì
bắt đầu đốt lị, trong q trình đốt, vẫn tiếp tục bơm nước vào cho đến khi đạt
mức 250 cm thì hệ thống tự động khóa van c p nước. Khi đó mực nước gi m do bay
hơi đến khi mực nước nhỏ hơn 100 cm thì tiếp tục m van c p nước để bơm lại vào
bình như trên. Q trình này tuần hồn như vậy nếu hoạt động bình thư ng.
Nhưng nếu vì lý do nào đó mà mực nước gi m quá 100 cm vẫn không được bơm

Võ Tá Hồng – 20093469 – Tin học cơng nghiệp – KSCLC – K54 Page 9


Hệ thống điều khiển giám sát lò hơi trong nhà máy nhiệt điện
nước vào thì ng ừng phun dầu, lửa trong lò s ẽ được tắt. Hệ thống sẽ ngừng
hoạt động.
 Ch đ Manual:

n nút Auto/Manual để chuyển sang chế độ Manual. Trong chế độ này t t c hoạt
động điều khiển c p nước và c p lửa ph i thực hiện hồn tồn b ằng tay thơng qua
nút Valve và nút Fire trên màn hình điều khiển. Vì lúc này hệ thống do con ngư i
điều khiển nên dễ x y ra q trình khơng mong muốn dẫn đến các ủri ro cho hệ
thống. Vì thế ta cần đặt các chế độ c nh báo cho ngư i điều khiển biết mà x ử
lý.
Các cnh báo:
Mực nước vượt 280 cm hoặc áp su t lớn hơn 12 bar thì đèn báo màu
đỏ và thơng báo “Hệ thống q t i”.
Mực nước từ 250 cm đến 280 cm hoặc áp sut từ 10 bar đến 12 bar và
không thu ộc trư ng hợp trênthì đèn báo màu vàng và thông báo “Hệ thống
quá t i”.
Mực nước trong kho ng 100 cm đến 250 cm và áp su t trong mức cho
phép 8 bar < P < 10 barthì đèn báo màu xanh kèm thông báo “Hệ thống ổn
định”. Khi áp sut quá cao thì hệ thống cũng tự động ngừng phun dầu và t ắt lửa.

2.5. Xây d ựng lu t h p thƠnh đ thi t k m ch logic
•

V i b đi u khi n mực n

c:

1) Nếu h > hmax thì van đóng
2) Nếu h < hmin thì van m
3) Nếu hmin < h < hmax mà van đang đóng thì tiếp tục đóng cho đến khi h< hmin,

đang m thì tiếp tục m cho đến khi h > hmax.
V i b đi u khi n áp su t:
1) Nếu P > Pmax thì điện áp là 0, tắt lửa đốt lò.
2) Nếu P < Pmax và m ực nước h> hmin thì điện áp là cao, đánh lửa đốt lò.
3) Nếu P < Pmax và m ực nước h < hmin thì điện áp là 0, tắt lửa đốt lị.


Võ Tá Hồng – 20093469 – Tin học công nghiệp – KSCLC – K54 Page 10


Hệ thống điều khiển giám sát lò hơi trong nhà máy nhiệt điện

Ch ng 3
THI T K MÔ PH NG H TH NG GIÁM
SÁT N IH IB NGPH NM M
FREELANCE
3.1. L p trình FBD
ng trong ch

ng trình

3.1.1. Các khi quan tr
Khối Constant module CSTRE (Block → Constant → REAL constant ):
tạo một số thực khơng đổi, đây có tác dụng làm v ận tốc nước ch y vào bình t ừ
van V1 hoặc nước gi m đi do đốt nóng. Cịn có tác d ụng làm tăng gi m áp sut

trong lị hơi.

Hình 3.2: Khối CSTRE
Khối bộ đếm Analog CT_ANA (Block → Analog → Counter with
analog input): Cộng dồn các giáịtrđầu vào IN và đưa ra tại CTC. Nh đó
dùng để đo mức nước trong bình hoặc mức áp su t hiện th i.


Hình 3.3: Khối Analog CT_ANA
Phần tử MUX (Block → Standard → Switcher → MUX ): để chọn
1 trong nhiều luồng dữ liệu. đây dùng để chọn tăng dòng ch y hoặc gi m
mức nước và để chọn tăng gi m áp su t.


Võ Tá Hoàng – 20093469 – Tin học công nghiệp – KSCLC – K54 Page 11


Hệ thống điều khiển giám sát lò hơi trong nhà máy nhiệt điện

Hình 3.4: Phần tử MUX


Khối Flip Flop (Block → Standard → Switcher →Flip flop ): để đ o giá

trị chọn luồng trong phần tử MUX khi mực nước tăng quá cao h > hmax hoặc
mực nước gi m quá th p h < hmin

Hình 3.5: Khối Flip flop

Hình 3.6: B ng trạng thái của Flip flop




Các khối logic cơ b n: And, Or, Not…
Các khối tính tốn, so sánh: khối trừ, so sánh…

Hình 3.7: Các khối cơ b n
Võ Tá Hồng – 20093469 – Tin học cơng nghiệp – KSCLC – K54 Page 12


Hệ thống điều khiển giám sát lò hơi trong nhà máy nhiệt điện

3.1.2. L p ghép các khi đ

có đ

c ch

ng trình đi u khi n

Từ những phân tích chương 2 và hiểu biết về các khối đã nêu trên, em
đã lập trình cho đề tài c ủa mình như sau:

Hình 3.8.a: Sơ đồ lập trình FBD cho mức nước

Hình 3.8.b: Sơ đồ lập trình FBD cho mức áp su t

Hình 3.8.c: Sơ đồ lập trình FBD cho dịng ch y qua ống đun nóng
Võ Tá Hồng – 20093469 – Tin học công nghiệp – KSCLC – K54 Page 13

Hệ thống điều khiển giám sát lò hơi trong nhà máy nhiệt điện

Hình 3.8.d: Sơ đồ lập trình FBD tạo ngọn lửa tự động

Hình 3.8.e: Sơ đồ lập trình FBD tạo tín hiệu c nh báo

Võ Tá Hồng – 20093469 – Tin học công nghiệp – KSCLC – K54 Page 14


Hệ thống điều khiển giám sát lò hơi trong nhà máy nhiệt điện

Hình 3.8.f: Sơ đồ lập trình FBD tạo khóa vịi nước tự động

Hình 3.8.g: Sơ đồ lập trình FBD tạo nút điều chỉnh chế độ Auto/Manual

Hình 3.8.h: Sơ đồ lập trình FBD tạo lửa lị nung
Võ Tá Hồng – 20093469 – Tin học công nghiệp – KSCLC – K54 Page 15


Hệ thống điều khiển giám sát lò hơi trong nhà máy nhiệt điện

3.2. Thi t k giao di n Digivis
Để quan sát và điều khiển hệ thống lò hơi, ta thiết kế một giao diện đồ họa
trực quan như sau:

Võ Tá Hồng – 20093469 – Tin học cơng nghiệp – KSCLC – K54 Page 16


Hệ thống điều khiển giám sát lò hơi trong nhà máy nhiệt điện

K TLU

N

Từ các kiến thức trong quá trình học môn H ệ thống giám sát và điều khiển và s
ự hướng dẫn thiết kế bằng phần mềm Freelance của các thầy trong bộ môn K ỹ thuật
đo và tin học cơng nghi ệp, em đã tìm hiểu thêm để hoàn thành bài t ập lớn này. Qua
đây, em hiểu hơn về quy trình hoạt động của lị hơi trong nhà máy nhiệt

điện nói riêng và quy trình cơng nghi ệp nói chung. Ph ần nào bi ết cách thiết kế
một hệ thống điều khiển giám sát theo cáchối ưut nh t và bi ết sử dụng phần
mềm Freelance của hàng ABB.
Em xin chân thành c m ơn!

Tài li u tham khảo
[1]. ThS. Nguyễn Tu n Ninh, Bài gi ng Hệ thống điều khiển, giám sát.
[2]. Tài li ệu hướng dẫn lập trình bằng phần mềm Freelance của hãng ABB.
[3]. Prof. Dr. H. Kirrmann, SCADA Operator Interface interface homme

machine.
[4]. Một số tài li ệu khác trên internet.


Võ Tá Hồng – 20093469 – Tin học cơng nghiệp – KSCLC – K54 Page 17