Khởi thỏa, nghiên cứu hệ thống điều khiển tự động và điều khiển giám sát thu thập dữ liệu scada cho quá trình sản xuất sơn nhanh ata fast
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.24 MB, 117 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
NGUYỄN TUẤN ANH
KHỞI THẢO, NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
TỰ ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT, THU THẬP
DỮ LIỆU SCADA CHO QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT
SƠN NHANH ATA FAST
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Chuyên ngành: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. NGUYỄN MINH HỆ
Hà Nội 2011
1
LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc
LỜI NÓI ĐẦU
Đặt vấn đề
Hiện nay, đất nước ta bước vào thời kỳ công nghiệp hoá, hiện đại hóa, để quá
trình này phát triển nhanh chúng ta cần tập trung đầu tư vào các dây chuyền sản
xuất tự động hóa, nhằm mục đích giảm chi phí sản xuất, nâng cao năng suất lao
động và cho ra sản phẩm có chất lượng cao. Một trong những phương án là đầu tư
áp dụng tự động hoá vào các dây chuyền sản xuất.
Trong số các hệ thống tích hợp tự động hóa nói chung, hệ SCADA chiếm vị trí
đặc biệt quan trọng bởi khả năng thu thập, giám sát và điều khiển ưu việt các quá
trình công nghệ sản xuất. Việc xây dựng và kế thừa dựa trên các thành tựu kỹ thuật
truyền thông, kỹ thuật vi xử lý và công nghệ phần mềm đã tạo điều kiện cho các
hãng tự động hóa trên thế giới đưa ra nhiều hệ thống mạng tối ưu và hiện đại như
của ALLEN-BRADLEY, SIEMENS, HONEYWELL,… Trên thế giới các hệ thống
này đã được áp dụng rộng rãi và hiệu quả và các ngành điện lực, dầu khí, hóa chất,
công nghiệp thực phẩm,giám sát ô nhiễm… Hiện nay xu hướng xây dựng một hệ
SCADA diện rộng có thể áp dụng vào nhiều lĩnh vực và mở rộng trên phạm vi cả
nước, thậm chí có thể rộng hơn đang là mục tiêu chính cho các nhà tích hợp giải
pháp.
Với nước ta, đang trong quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa, việc áp dụng
hệ thống SCADA là xu thế tất yếu của các ngành công nghiệp, điện lực, dầu
khí…Các hệ thống SCADA cho thủy lợi, khí tượng thủy văn, môi trường hiện nay
là vấn đề đang được đặt ra một cách cấp thiết.
Theo định hướng phát triển đó, đề tài tập trung vào nghiên cứu giải pháp xây
dựng một hệ SCADA diện rộng trên cơ sở hệ thống mạng của Allen-Bradley, đồng
thời áp dụng cụ thể cho dây chuyền pha sơn tự động.
Họ và tên : Nguyễn Tuấn Anh
1
Lớp Cao học ĐK& TĐH
LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc
Tên đề tài :
Nghiên cứu hệ thống điều khiển tự động và điều khiển giám sát thu thập dữ liệu
SCADA từ xa cho dây chuyền sản xuất sơn nhanh ATA FAST
Mục tiêu của đề tài
Trên cơ sở lý thuyết của hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu, bộ
điều khiển PLC và cơ sở lý thuyết mạng truyền thông công nghiệp, lý thuyết về
mạng Internet và các ứng dụng của Internet để tích hợp hệ thống điều khiển tự
động, giám sát và thu thập dữ liệu cho dây chuyền pha sơn.
Nội dung của đề tài
Trình bày về tính cấp thiết, tính khoa học và thực tiễn của hệ thống điều khiển
giám sát trong quá trình sản xuất.
Trình bày cơ sở lý thuyết hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu, thiết
bị điều khiển , thiết bị đo lường, phần mềm xây dựng hệ điều khiển giám sát. Trên
cơ sở lý thuyết sẽ đưa ra các lựa chọn về thiết bị, phần mềm để xây dựng nên hệ
điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu cho luận văn.
Trình bày về đối tượng công nghệ sản xuất, để đưa ra các yêu cầu công nghệ,
quy trình công nghệ. Căn cứ vào các bài toán công nghệ đó để chọn các giải pháp
thiết kế bài toán điều khiển giám sát và xử lý dữ liệu cho nhà máy.
Sau khi đã lựa chọn được các giải pháp thích hợp, đề tài sẽ đi sâu xây dựng các
thành phần hệ thống, lựa chọn và giới thiệu các thiết bị trong hệ thống. Từ đó viết
thuật toán, chương trình, thiết lập giao diện điều khiển giám sát cho các nhà máy.
Họ và tên : Nguyễn Tuấn Anh
2
Lớp Cao học ĐK& TĐH
LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc
Bố cục luận văn
Luận văn được trình bày gồm 4 chương :
Chương 1 : Tổng quan về hệ điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA và
đối tượng công nghệ.
Chương 2 : Thiết kế hệ thống điều khiển tự động nhà máy pha sơn ATA FAST.
Chương 3 : Thiết kế hệ thống giám sát và xử lý dữ liệu cho nhà máy pha sơn
ATA FAST.
Chương 4 : Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát và xử lý dữ liệu qua mạng
internet.
Họ và tên : Nguyễn Tuấn Anh
3
Lớp Cao học ĐK& TĐH
LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc
CHƯƠNG I:TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT
VÀ THU THẬP DỮ LIỆU VÀ ĐỒI TƯỢNG CÔNG NGHỆ
1.1 Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu
Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA (Supervisory Control and Data
Acquisition ) là một hệ thống hỗ trợ con người trong việc giám sát và điều khiển từ
xa cấp cao hơn hệ điều khiển tự động thông thường. Hệ SCADA hiện đại luôn đi
cùng giao diện người máy (Human-Machine – Interface, HMI), các hệ thống truy
nhập và truyền tải dữ liệu.
Một hệ SCADA truyền thống là một hệ thống mạng và thiết bị có nhiệm vụ
thuần tuý là thu thập dữ liệu từ các trạm ở xa và truyền tải về khu trung tâm để xử
lý. Trong các hệ thống như vậy thì hệ thống truyền thông được chú trọng và phần
cứng được quan tâm nhiều hơn. Những năm gần đây, tiến bộ trong lĩnh vực truyền
thông công nghiệp và lĩnh vực phần mềm thực sự đem lại nhiều khả năng và giải
pháp mới. Theo xu hướng hiện đại, với khả năng xử lý phân tán có sẵn trong hệ
thống truyền thông cấp dưới (Bus trường, Bus vi xử lý ) và ở cấp trên (Ethernet), thì
trọng tâm của việc xây dựng hệ SCADA là lựa chọn công cụ phần mềm và thiết kế
giao diện và tích hợp hệ thống.
Để đánh giá một giải pháp SCADA cần chú ý tới các vấn đề sau
+ Khả năng hỗ trợ của công cụ phần mềm với việc thực hiện các màn
hình giao diện , chất lượng của các thành phần đồ hoạ có sẵn .
+ Khả năng truy cập và cách thức kết nối dữ liệu từ các quá trình kỹ thuật
(Trực tiếp từ các cơ cấu chấp hành, cảm biến, các module vào ra qua
các PLC hay các bus hệ thống).
+ Tính năng mở của hệ thống, chuẩn hoá các giao diện quá trình .
+ Khả năng hỗ trợ xây dựng các chức năng trao đổi thông tin
(Messaging) xử lý sự kiện và sự cố ( Event and Alarm ), lưu trữ thông
tin (Archive and History) và lập báo cáo (Reporting).
Họ và tên : Nguyễn Tuấn Anh
4
Lớp Cao học ĐK& TĐH
LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc
+ Tính năng thời gian thực và hiệu suất trao đổi thông tin .
+ Giá thành tổng thể của hệ thống .
1.1.1 Kết cấu cơ bản của một hệ điều khiển giám sát
Một hệ thống SCADA thường gồm những hệ thống con sau:
Một giao diện người - máy HMI (Human - Machine Interface) là các thiết bị
hiển thị dữ liệu quá trình cho người vận hành và thông qua đó, người vận hành quan
sát và điều khiển quá trình.
Một hệ thống máy tính giám sát thu thập dữ liệu quá trình và gửi lệnh điều
khiển tới quá trình.
Các thiết bị đầu cuối từ xa RTU (Remote Terminal Unit) kết nối tới các cảm
biến trong quá trình, chuyển đổi tín hiệu cảm biến sang dữ liệu số và truyền dữ liệu
này về cho hệ thống giám sát.
Các bộ điều khiển khả trình PLC (Programmable Logic Controller) được sử
dụng như các thiết bị trường bởi sử dụng các bộ điều khiển này kinh tế hơn, linh
hoạt hơn, mềm dẻo hơn và có khả năng cấu hình so với những bộ RTU chuyên
dụng.
Hệ thống truyền thông bao gồm các mạng truyền thông công nghiệp, các thiết
bị viễn thông và các thiết bị chuyển đổi dồn kênh có chức năng truyền dữ liệu cấp
trường đến các khối điều khiển và máy chủ.
1.1.2 Mô hình phân cấp chức năng
Để sắp xếp, phân loại các chức năng tự động hoá của một hệ thống điều khiển
và giám sát các mô hình phân cấp hình chóp thường được dùng. Với loại mô hình
này, các chức năng được phân thành nhiều cấp khác nhau từ dưới lên trên. Càng ở
cấp dưới thì chức năng càng mang tính chất cơ bản hơn đòi hỏi cao hơn về độ
nhanh nhạy, thời gian phản ứng. Một chức năng ở cấp trên hoạt động dựa trên các
Họ và tên : Nguyễn Tuấn Anh
5
Lớp Cao học ĐK& TĐH
LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc
chức năng ở cấp thấp hơn, nhưng ngược lại lượng thông tin cần trao đổi và xử lý lại
lớn hơn nhiều
Quản lý công ty
Mạng công ty
Điều hành sản xuất
Mạng xí nghiệp
Điều khiển giám sát
Bus hệ thống
Điều khiển
Bus trường
Chấp hành
Hình 1.1 Mô hình phân cấp chức năng
Chức năng của các cấp :
-
Cấp chấp hành
Chức năng chính của cấp này là đo lường, dẫn động và chuyển đổi tín hiệu
trong trường hợp cần thiết. Thực tế đa số các thiết bị cảm biến hay chấp hành cũng
có phần điều khiển riêng cho việc thực hiện đo lường, truyền động được chính xác
và nhanh nhạy. Các thiết bị thông minh (có bộ vi xử lý riêng ) cũng có thể đảm
nhận việc xử lý và chuẩn bị thông tin, trước khi đưa lên cấp trên .
-
Cấp điều khiển
Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin từ các bộ phận cảm biến
xử lý các thông tin đó theo một thuật toán nhất định và truyền đạt lại kết quả xuống
bộ phận chấp hành .
Họ và tên : Nguyễn Tuấn Anh
6
Lớp Cao học ĐK& TĐH
Luận văn thạc sĩ khoa học
-
Cp iu khin giỏm sỏt
Cú chc nng giỏm sỏt v vn hnh mt quỏ trỡnh k thut, cú nhim v h tr
ngi s dng trong vic ci t ng dng, thao tỏc theo dừi, giỏm sỏt vn hnh v
x lý nhng tỡnh hung bt ng. Ngoi ra trong mt s trng hp, cp ny cũn
thc hin nhng bi toỏn iu khin cao cp nh iu khin phi hp hay iu
khin theo cụng thc hoc iu khin trỡnh t.Trong cp ny khụng i hi phng
tin, thit b phn cng c bit ngoi mỏy tớnh thụng thng.
Thụng thng ngi ta ch coi 3 cp di thuc phm vi ca mt h thng
SCADA. Cp trờn cựng l mụ hỡnh lý tng hoỏ cho mt cu trỳc chc nng tng
th.
Vic phõn cp chc nng nh trờn s rt thun tin khi thit k h thng v la
chn thit b. Theo ú cỏc nh sn xut cng a ra kin trỳc cỏc tng mng thớch
hp vi c thự trao i thụng tin ca tng cp.
1.1.3 Cỏc ng dng ca h thng SCADA
Ngy nay, h thng SCADA c ng dng rng rói trong hu ht cỏc lnh vc
cụng nghip. c bit trong mt s lnh vc sau:
+ H thng SCADA cho cỏc trm trn bờ tụng, cỏc nh mỏy sn xut xi
mng, cỏc nh mỏy ch bin thc phm, nc gii khỏt.
+ H thng SCADA cho h thng vn chuyn hnh lý v hng hoỏ ti cỏc
sõn bay, bn cng.
+ H thng SCADA giỏm sỏt cỏc gin khoan, ng dn du, ng khớ.
+ H thng SCADA cho nh mỏy nc, x lý cht thi, cỏc kho xng
du.
+ H thng SCADA cho h thng phõn phi li in.
+ H thng SCADA giỏm sỏt v iu khin trong cỏc nh mỏy ht
nhõn
H v tờn : Nguyn Tun Anh
7
Lp Cao hc K& TH
LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc
1.2 Khái quát về đối tượng công nghệ
Sơn là mặt hàng được sử dụng nhiều trong lĩnh vực xây dựng dân dụng, trong
các ngành sản xuất vật liệu gia dụng…Hiện nay trong Việt Nam có rất nhiều nhãn
hiệu sơn khác nhau gồm cả sơn ngoại nhập. Các nhà máy sản xuất sơn của hãng
nước ngoài đều sản xuất trên những dây chuyền tự động hóa, do đó có chất lượng
ổn định. Trong khi các nhà máy sơn nội địa, sử dụng phương pháp sản xuất thủ
công, do đó chất lượng không ổn định bằng, khó cạnh tranh với các hãng khác. Vì
vậy, công ty sơn ATA đã đề ra mục tiêu xây dựng nên 1 dây chuyền sản xuất sơn tự
động để sản xuất ra sản phẩm ổn định, chất lượng cao, cùng với đó là hệ điều khiển
giám sát và thu thập dữ liệu phụ vụ cho công việc quản lý sản xuất.
Để xây dựng được một hệ thống SCADA hoàn chỉnh cho nhà máy pha sơn, ta
phải nắm rõ công nghệ của nhà máy này.Sơ đồ công nghệ nhà máy sơn
Sơ đồ công nghệ nhà máy sơn ATA FAST trên hình vẽ 1.1
Họ và tên : Nguyễn Tuấn Anh
8
Lớp Cao học ĐK& TĐH
LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc
Valve
Valve
Valve
Valve
Valve
PNA
Valve
PPA
Valve
Valve
Valve
Valve
PSCA
PSA
Valve
Valve
Valve
Valve
Valve
PSTT
Valve
Valve
Valve
Valve
0.00
Pump
Pump
Pump
Pump
Pump
Valve
FIT
0.00
FIT
Valve
Valve
Valve
0.00
FIT
Valve
Valve
0.00
FIT
Pump
Valve
Valve
0.00
FIT
Valve
Họ và tên : Nguyễn Tuấn Anh
9
Valve
Valve
Lớp Cao học ĐK& TĐH
LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc
1.2.1 Các thiết bị quá trình công nghệ sản xuất sơn
Các thiết bị của quá trình công nghệ
+ Thùng chứa trung gian : dùng để chứa nguyên liệu sơn gốc dùng cho
quá trình pha sơn, thùng chứa trung gian có 5 thùng chứa, thể tích 2m3 ,
chứa 5 loại sơn là PSTT, PSCA, PPA, PSA, PNA. Các thùng chứa
được làm kín để tránh tiếp xúc với không khí có thể gây ra khô sơn.
+ Thùng chứa sản phẩm : gồm có 2 thùng, chứa hỗn hợp sơn sản phẩm
sau khi được hòa trộn.
+ Hệ thống đường ống .
+ Các thiết bị chấp hành gồm : valve, bơm và động cơ được sử dụng để
dẫn hướng cho sơn di chuyển trong đường ống.
1.2.2 Quá trình công nghệ sản xuất sơn
Giai đoạn đầu tiên, bơm nguyên liệu cấp sơn nguyên liệu vào các thùng chứa
trung gian của loại sơn đó . Các loại sơn khác nhau được bơm vào thùng chứa trung
gian tương ứng nhờ việc di chuyển đầu hút của bơm nguyên liệu. Bơm sẽ tự động
ngừng khi tank chứa nguyên liệu đầy.
Sơn chứa trong thùng chứa trung gian trong thời gian dài nếu không được sử
dụng đến, có thể sơn bị khô tạo tạo thành cặn rắn trong dung dịch, làm chất lượng
sơn giảm sút. Vì vậy để tăng chất lượng sơn nguyên liệu, các thùng chứa trung gian
sẽ được bơm tuần hoàn nhờ bơm của từng thùng trung gian tương ứng. Bơm hút sơn
ở đáy thùng chứa trung gian sau đó trả về đầu thùng trung gian tương ứng.
Có 5 loại sơn nguyên liệu khác nhau gồm PSCA, PSTT, PSA, PNA, PPA trong
5 thùng chứa trung gian. Tuy nhiêu mỗi công thức sơn chỉ gồm 3 thành phần
nguyên liệu khác nhau, các nguyên liệu này được bơm lần lượt vào thùng chứa sản
phẩm nhờ bơm của thùng chứa nguyên liệu tương ứng đó. Sau khi đầy đủ các
nguyên liệu cho công thức sơn, động cơ trong thùng chứa sản phẩm sẽ khuấy đều
Họ và tên : Nguyễn Tuấn Anh
10
Lớp Cao học ĐK& TĐH
Luận văn thạc sĩ khoa học
hn hp sn. tng nng sut pha sn, h thng cú 2 thựng cha sn phm, trong
quỏ trỡnh khuy u hn hp sn trong thựng cha sn phm, h thng cú th tin
hnh pha sn cho thựng cha cha sn phm khỏc.
Sau khi quỏ trỡnh khuy sn kt thỳc , bm sn phm s hỳt sn trong
thựng cha sn phm a vo cỏc tank cha sn phm úng thựng.
1.2.3 Cỏc bi toỏn t ng húa cho nh mỏy pha sn
Cp nguyờn liu cho thựng cha trung gian : nguyờn liu c a vo tng
thựng tng ng nh h thng valve, khi thựng y bm phi t ng ngt khi y.
- Bi toỏn pha sn :
Sn c pha theo t l chớnh xỏc t 3 loi nguyờn liu sn khỏc nhau.
- Bi toỏn khuy trn :
Nguyờn liu c tun hon liờn tc trong cỏc thựng cha trung gian.
- Bi toỏn giỏm sỏt :
Giỏm sỏt thựng cha trung gian , a ra cỏc cnh bo thựng cha y hay khụng
pha sn, v cỏc thụng s khỏc ca h thng.
- Bi toỏn giỏm sỏt qua mng internet
H v tờn : Nguyn Tun Anh
11
Lp Cao hc K& TH
LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc
CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG NHÀ MÁY
PHA SƠN
2.1 Các bài toán điều khiển và giải pháp trong dây chuyền pha sơn
Như phân tích trên dây chuyền pha sơn gồm có các bài toán công nghệ sau :
- Cung cấp nguyên liệu.
- Khuấy trộn.
- Pha sơn.
Sau đây chúng ta sẽ phân tích và lựa chọn các giải pháp điều khiển cũng như
thiết bị điều khiển cho dây chuyền sản xuất sơn.
2.1.1 Bài toán cung cấp nguyên liệu
- Vấn đề bài toán :
Giai đoạn đầu tiên sơn sẽ được bơm từ thùng chứa nguyên liệu ở tầng 1 lên các
thùng chứa trung gian tương ứng. Sơn nguyên liệu được đưa chính xác vào các
thùng chứa trung gian tương ứng. Việc cung cấp sơn sẽ dừng lại nếu thùng chứa
trung gian đầy hoặc người vận hành cho dừng lại quá trình.
- Sơ đồ công nghệ bài toán cấp nguyên liệu
Họ và tên : Nguyễn Tuấn Anh
12
Lớp Cao học ĐK& TĐH
LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc
Hình 2.1 - Sơ đồ công nghệ bài toán cấp nguyên liệu
- Giải pháp :
Để đưa sơn vào các thùng chứa trung gian tương ứng ta sử hệ thống các valve
đặt trên các của vào của thùng chứa trung gian. Các valve tương ứng sẽ đóng mở để
dẫn sơn vào các thùng chứa.
Sơn tồn đọng trên đường ống sau khi cấp nguyên liệu sẽ bị trộn lẫn với loại sơn
nguyên liệu khác trong lần cung cấp nguyên liệu sau, việc đó sẽ làm chất lượng sơn
giảm sút hoặc cho ra sản phẩm pha trộn sai. Do đó để tránh việc này chúng ta lắp
đặt thêm các valve V.PSA1, V.PPA1, V.PNA1, V.PSCA1 , các valve này sẽ giúp
cho sơn không chảy ra đường ống sau thùng chứa, do đó sẽ không tồn đọng trên
đường ống sau quá trình cấp nguyên liệu.
Các tank chứa trung gian luôn luôn trong trạng thái kín, không tiếp xúc với
không khí, để giúp cho sơn không bị khô, đóng cục, sẽ làm giảm chất lượng sơn, do
đó tất cả các valve trên đường ống là valve thường đóng.
Trong quá trình cấp nguyên liệu, khi thùng chứa trung gian đầy, chương trình
điều khiển sẽ phải ngắt bơm, dừng cung cấp sơn nguyên liệu. Ở đây chúng ta dùng
giải pháp sử dụng cảm biến siêu âm, đo mức sơn trong thùng chứa để đưa ra cảnh
báo ngắt động cơ bơm. Trong quá trình bơm nguyên liệu, chất lỏng trong thùng
chứa sẽ bị sóng sánh mặc dù rất nhỏ do sơn có độ dính cao và đường ống nằm gần
dưới đáy. Tuy nhiên nó vẫn sẽ gây ra nhiễu đo cho cảm biến siêu âm. Vì vậy ở đây
chúng ta dùng giải pháp tính độ cao mức sơn trong thùng trong 1 khoảng thời gian.
Khi sơn đầy 90% thùng sơn, vavle nguyên liệu V.NL sẽ đóng để dừng cung cấp
nguyên liệu, bơm vẫn hoạt động 1 thời gian để đẩy hết sơn trong đường ống vào
tank chứa trung gian.
Họ và tên : Nguyễn Tuấn Anh
13
Lớp Cao học ĐK& TĐH
LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc
2.1.2 Bài toán khuấy trộn nguyên liệu
- Vấn đề bài toán :
Khi sơn để trong tank khuấy trộn trong 1 thời gian dài không sử dụng đến có
thể gây ra hiện tượng khô, gây đóng cục ngay trong tank chứa, làm ảnh hưởng đến
chất lượng sơn, vì thế sơn nên được luân chuyển liên tục sau 1 khoảng thời gian.
- Sơn đồ công nghệ bài toán khuấy trộn nguyên liệu
Hình 2.2 - Sơ đồ công nghệ bài toán khuấy trộng nguyên liệu
- Giải pháp :
Việc điều khiển hệ thống khuấy đảo không phức tạp, tuy nhiên để tiết kiệm kết
hợp với đường ống pha sơn và tránh việc lẫn các nguyên liệu sơn với nhau trong ta
sẽ sử dụng hệ thống đường ống các bơm riêng cho từng thùng chứa nguyên liệu
trung gian như trên hình vẽ.Chúng ta có thể đồng loạt thực hiện cùng lúc khuấy đảo
cả 5 tank chứa sơn trung gian. Thời gian khuấy trộn sẽ được người vận hành cài đặt
trên giao diện điều khiển.
Họ và tên : Nguyễn Tuấn Anh
14
Lớp Cao học ĐK& TĐH
LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc
2.1.3 Bài toán pha sơn
- Bài toán :
Trong dây chuyền pha sơn thì giai đoạn pha sơn là quan trọng nhất, quyết định
đến chất lượng sản phẩm. Mỗi mẻ sơn có thể tích1-2m3, gồm 3 thành phần sơn
nguyên liệu từ 5 loại sơn trên, sai số của cả mẻ sơn dưới 0,5%.
- Sơ đồ công nghệ bài toán pha sơn
V.PSA4
V.PPA4
V.PNA4
V.PSCA4
V.PSTT3
V.PSCA3
V.PNA3
V.PPA3
V.PSA3
V.PSTT4
Hình 2.3 - Sơ đồ công nghệ bài toán pha sơn
- Giải pháp :
Nguyên liệu để pha sơn mỗi mẻ có khối lượng riêng khác nhau, vì thế công
nghệ pha sơn dùng tỷ lệ thể tích để pha sơn đạt chất lượng cao hơn. Do đó trong bài
toán này chúng ta không dùng giải pháp sử dụng cân để pha sơn, sử dụng cảm lưu
lượng dòng chất lỏng áp dụng cho công nghệ pha sơn trên.
Do yêu cầu cao về chất lượng và chính xác, ta sử dụng cho mỗi tank chứa
nguyên liệu trung 1 gian 1 cảm biến và 1 bơm để tránh việc lẫn sơn sau mỗi lần hút
nguyên liệu pha sơn.
Họ và tên : Nguyễn Tuấn Anh
15
Lớp Cao học ĐK& TĐH
LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc
- Sơ đồ P&ID cho từng thùng chứa nguyên liệu trung gian
LT
PIC
Valve
FT
Valve
Hình 2.4 - Sơ đồ P&ID cho bài toán pha sơn
Giá trị mức sơn nguyên liệu trong thùng chứa được đưa về bộ điều khiển, bộ
điều khiển sẽ tính ra được thể tích còn lại trong tank chứa :
V = S *h
Trong đó :
V : thể tích tank chứa
S : diện tích mặt đáy
H : chiều cao mức sơn
Khi đó bộ điều khiển so sánh giá trị thể tích sơn còn lại trong tank với lượng
sơn cần thiết để ra quyết địng pha sơn hay không.
Họ và tên : Nguyễn Tuấn Anh
16
Lớp Cao học ĐK& TĐH
LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc
Giá trị thể tích đi qua cảm biến được đưa về bộ điều khiển, khi đạt lương thể
tích cần pha sơn, bộ điều khiển sẽ ngừng bơm và đóng valve . Sau đó sẽ chuyển
sang hút loại sơn nguyên liệu tiếp theo.
2.1.4 Các yêu cầu chung về hệ thống điều khiển tự động dây chuyền pha sơn
- Các yêu cầu chung :
Hệ thống tự động dây chuyền pha sơn thực hiện nhiệm giám sát, thực hiện quá
trình pha sơn. Thiết kết tự động hóa bao gồm toàn bộ các Transmistters, valve,
sensor, PLC, máy tính, máy in, dây tín hiệu và dây điều khiển nhằm tăng độ an
toàn, tin cậy trong vận hành quá trình sản xuất sơn.
Đưa các công nghệ hiện đại được áp dụng trên thế giới đồng thời phải thích ứng
với điều kiện thích ứng với Việt Nam.
Đáp ứng được chỉ tiêu kinh tế đầu tư cho dây chuyền.
Dễ dàng bảo trì, sửa chữa, thay thế, mở rộng, nâng cấp và kết nối với các hệ
thống khác.
- Yêu cầu về hệ thống đo lường
Quá trình sản xuất sai sót có thể gây thiệt hại về kinh tế lớn, vì thế việc giám sát
phải được thực hiện hết sức chặt chẽ. Các thông số giám sát bao gồm mức sơn trong
tank, khố lượng sơn, lưu lượng sơn, và thể tích sơn, áp suất khí nén thông qua các
thiết bị đo tương ứng. Các thiết bị đo phải đảm bảo mọi tiêu chuẩn về an toàn, và sai
số cho phép.
Các thông số này được theo dõi và cập nhật liên tục trên màn hình vi tính tại
phòng điều khiển trung tâm. Thông số về khối lượng và lưu lượng sơn phải được
hiển thị tại chỗ. Ngoài ra thông số quá khứ được lưu lại dưới dạng bản đồ và đồ thị.
Các tín hiệu cảnh báo trên màn hình để thông báo sự cố, mức sơn trong tank vượt
giá trị an toàn phải được cảnh báo thêm bằng còi lớn và tự động xử lý.
Họ và tên : Nguyễn Tuấn Anh
17
Lớp Cao học ĐK& TĐH
LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc
- Yêu cầu về hệ thống chấp hành
Các thiết bị chấp hành gồm valve điều khiển, bơm, và động cơ khuấy.Các cơ
chấp hành tác động trực tiếp vào đối tượng công nghệ thông qua thao tác đóng cắt
các thiết bị chấp hành.Việc đóng cắt thiết bị được thực hiện thủ công qua bàn điều
khiển hoặc giao diện giám sát. Do sơn là đối tượng đặc thù ,vì vậy ta phải chọn cơ
cấu chấp hành phù hợp với đối tượng sơn có độ nhớt cao, và yêu cầu không được
tồn đọng trong các thiết bị trong quá trình sản xuất sơn.
- Yêu cầu về bộ điều khiển :
Bộ điều khiển làm việc với độ chính xác cao, có khả năng làm việc trong môi
trường khắc nghiệt.
Dễ dàng cho việc bảo trì sửa chữa, lắp đặt, thay mới.
Có khả năng mở rộng.
2.2 Lựa chọn các thiết bị điều khiển dây chuyền pha sơn
2.2.1 Phân tích lựa chọn các thiết bị điều khiển
Thiết bị điều khiển khả trình (PLC, programmable logic controller) là một loại
máy tính điều khiển chuyên dụng, có khả năng lập trình để thực hiện các thuật toán
điều khiển số. Với cấu trúc ghép nối vào/ra linh hoạt, nguyên tắc làm việc đơn giản
theo chu kì, khả năng lập trình và lưu trữ chương trình trong bộ nhớ không cần can
thiệp trực tiếp tới phần cứng.
Về mặt cấu hình, PLC thường được chia làm 2 loại: cấu hình cứng và cấu hình
module. Đối với PLC có cấu hình cứng, số cổng vào – ra được thiết kế cố định, gần
như không có khả năng mở rộng. Một số cũng được tích hợp giao diện truyền thông
cho một loại bus trường. Tuy nhiên, một số ít loại có cấu trúc gọn vẫn cho phép
tăng số lượng cổng vào/ra hoặc bổ sung giao diện mạng bằng các module mở rộng
đặc biệt. PLC có cấu trúc gọn thích hợp với các bài toán đơn giản.
Họ và tên : Nguyễn Tuấn Anh
18
Lớp Cao học ĐK& TĐH
LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc
Hình 2.5 – Hệ điều khiển tự động SLC500 dùng cho dây chuyền sản xuất sơn
Để thực hiện được các phương án điều khiển như và các yêu cầu hệ thống điều
khiển như đã trình bầy, ta lựa chọn sử dụng bộ điều khiển PLC vì các lý do sau đây:
+ Bộ điều khiển PLC có thể đáp ứng được các yêu cầu điều khiển mong muốn
của dây chuyền pha sơn .
+ PLC có kết cấu tin cậy, thích hợp với môi trường làm việc công nghiệp.
+ PLC có tính linh hoạt, dễ dàng thay đổi chương trình khi cần thay đổi công
nghệ. Khả năng mở rộng số đầu vào – ra đơn giản.
+ Xây dựng thuật toán điều khiển nhanh chóng, đơn giản.
+ Kết nối dễ dàng với các hệ thống truyền thông, khả năng giám sát và thu thập
dữ liệu hoạt động của dây chuyền sản xuất.
+ Tính năng thời gian thực.
Hiện nay trên thế giới có nhiều chủng loại PLC của các hãng như Siemens,
Allen-Bradley, Omron,… Mỗi hãng sẽ cung cấp giải pháp phần cứng, phầm mềm
đi kèm với thiết bị PLC. Đề tài xây dựng trên giải pháp tự động hóa tích hợp của
Allen-Bradley. Giải pháp này phần nào đáp ứng được các yêu cầu đặt ra về mặt kỹ
thuật cũng như kinh tế bởi vì :
Họ và tên : Nguyễn Tuấn Anh
19
Lớp Cao học ĐK& TĐH
LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc
+ Các thiết bị điều khiển của Allen-Bradley hiện nay phổ biến trên thị thường
Việt Nam, giá cả vừa phải, rất dễ thay thế, ứng dụng trong nhiều ngành sản
xuất.
+ Thiết bị hoạt động đáng tin cậy, ngay cả trong môi trường làm việc khắc
nghiệt.
+ Có cấu trúc mở, dễ dàng tích hợp với các thiết bị và hệ thống của hãng khác
nhau.
+ Đáp ứng được các tiêu chuẩn về an toàn công nghệ.
+ Các phần mềm đi kèm với thiết bị điều khiển như : phần mềm giám sát
Rsview32, phần mềm lập trình Rslogix rất thông dụng và dễ dàng lập trình.
Vì vậy có thể xây dựng được chương trình thân thiện với người dùng và rất
dễ bảo hành, sửa chữa, khắc phục sự cố.
- Phân tích sự lựa chọn giải pháp và thiết bị hãng Allen-Bradley
+ Chỉ tiêu kỹ thuật :
Bộ điều khiển SLC của Allen-Bradley đã có thể đáp ứng mọi yêu cầu công
nghệ. Chúng hoạt động tin cậy, tốc độ xử lý cao, rất mạnh trong quá trình điều
khiển rời rạc, điều khiển trình tự và cả điều khiển quá trình.
Khả năng mở rộng rất lớn, mỗi bộ điều khiển cỡ trung tank có thể mở rộng hàng
đến 13 module mở rộng, hàng trăm điểm vào ra. Vì vậy mỗi bộ điều khiển trung
tâm có thể đảm nhận điều khiển cả 1 hệ thống cỡ lớn.
Chúng hoạt động rất linh hoạt, có thể đóng vai trò master hoặc slaver tùy theo
yêu cầu công nghệ và thiết kế, có giao diện mạng truyền thông có thể kết nối với
các thiết bị thuộc cấp trên và các thiết bị cấp dưới.
Trạm vận hành có thể xây dựng đầy đủ tất cả các tính năng, giám sát thông số,
cập nhật và lưu trữ dữ liệu 1 cách liên tục, thực hiện các chức năng cảnh báo, biểu
diễn dạng đồ thị bẳng biểu và xuất ra các báo cáo. Phần mềm giao diện SCADA có
thể kết nối với cơ sở dữ liệu SQL Server, Micro Access, xuất báo cáo bằng Excel,
Họ và tên : Nguyễn Tuấn Anh
20
Lớp Cao học ĐK& TĐH
Luận văn thạc sĩ khoa học
c lp trỡnh 1 cỏch linh hot bng gúi phn mm VBA tớch hp cựng phn mm
SCADA.
+ Ch tiờu v kinh t
Cỏc thit b iu khin ca Allen-Bradley rt a dng v chng loi, phong phỳ
trờn th trng, ng dng trong hu ht cỏc ngnh sn xut quan trng nh du khớ,
in, húa chtThit b d thay th vỡ vy thun tin trong quỏ trỡnh thay th bo trỡ
v sa cha.
Thit b c sn xut hng lot, nhiu chng loi khỏc nhau, giỏ c hp lý vỡ
vy rt d la chn cho bi toỏn cụng ngh yờu cu, giỳp ti u v bi toỏn kinh t.
2.2.2 H thng iu khin SLC-500ca Allen-Bradley
Trờn c s phõn tớch trờn v thit b iu khin, tỏc gi ó chn b iu khin
SLC-500 ca Allen-Bradley cho ti.
B iu khin SLC-500 úng vai trũ l b iu khin trung tõm va thc hin
chc nng vn hnh iu khin cỏc thit b chp hnh, thu thp thụng s cm bin,
ngoi ra cũn thc hin chc nng truyn thụng a cỏc tớn hiu trng v trm vn
hnh thc hin quỏ trỡnh giỏm sỏt. Cu trỳc h iu khin t ng gm cú :
2.2.2.1 CPU SLC-5/03-L532-OS302
Cú kh nng m rng qun lý n 4096 cng vo s v 4096 cng ra s, v
kờnh tng t ti a l 480.
B nh chng trỡnh ln 12K.
Thi gian thc hin 1 vũng quột: 1ms/K.
c gn 2 cng truyn thụng gm DH-485 v RS-232.Cỏc dng truyn thụng
cho phộp: DH485, RS-232
(DF1 Full-duplex, DF1 Half-duplex master/slave,
DF1Radio Modem, DH-485, hoc ASCII), Data Highway Plus (DH+), Ethernet
TCP/IP (thụng qua module giao tip 1761-NET-ENI), ControlNet (thụng qua
H v tờn : Nguyn Tun Anh
21
Lp Cao hc K& TH
LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc
module giao tiếp 1747-KFC15), DeviceNet (thông qua module giao tiếp 1761-NETDNI).
2.2.2.2 Module digital input IB-16
Đây là module mở rộng gắn cùng với CPU, Đây là các module đọc tín hiệu vào
dạng số của PLC, thường được dùng để đọc các cảm biến trạng thái kiểu logic hoặc
là các nút ấn. Đề tài này chọn sử dụng module 1746-IB16 gồm 16 cổng digital
input, có các thông số được tham khảo từ nhà sản xuất như sau:
+ Nguồn điện: 24VDC
+ Trạng thái OFF: 0 -5VDC, trạng thái ON: 10 – 30VDC
+ Độ trễ tín hiệu (max): 8ms
2.2.2.3 Module digital Output 1746-OW16
Đây là các module chứa các cổng ra tín hiệu số, giúp PLC điều khiển được thiết
bị ngoài. Chọn sử dụng module 1746 OW16 gồm16 cổng ra dạng relays, có các
thông số:
+ Nguồn cấp: 24VDC
+ Trạng thái ON: 10 – 50 VDC (phụ thuộc nguồn cấp)
+ Độ trễ tín hiệu (max): 1ms
2.2.2.4 Module Analog Input 1746-NI4
Đây là các module dùng để đọc tín hiệu vào dạng tương tự, thường dùng để đọc
tín hiệu các cảm biến như đo mức, đo nhiệt độ…Đề tài này chọn sử dụng module
1746 NI4 có 4 cổng vào analog hỗ trợ cả 2 dạng tín hiệu 4 – 20 mA và 0 – 10V,
Họ và tên : Nguyễn Tuấn Anh
22
Lớp Cao học ĐK& TĐH
LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc
2.2.2.5Module High Speed Counter 1746-HSCE
Đây là các module dùng để đọc tín hiệu vào dạng xung tốc độ cao. Đê tài này
chọn sử dụng module 1746 NI8 có 3 cổng vào , hộ trợ các dải điện áp từ 0VDC 24VDC.
2.2.2.6 Module nguồn
Chọn module nguồn 1747 - PS02 của hãng Allen-Bradley để cấp điện cho toàn
bộ hệ thống PLC có các thông số sau:
+ Nguồn cấp vào: 220VAC
+ Nguồn ra: 24VDC
+ Công suất: 240W
2.2.2.7 Truyền thông kết nối máy tính cho PLC
Sử dụng cổng truyền thông DF1 – RS232 cho việc kết nối máy tính và PLC.
Họ và tên : Nguyễn Tuấn Anh
23
Lớp Cao học ĐK& TĐH
Luận văn thạc sĩ khoa học
2.3 Thit b o lng
T cỏc bi toỏn cụng ngh ca dõy chuyn sn xut sn, ti t ra yờu cu
theo dừi 3 thụng s :
+ Mc sn trong tank cha trung gian.
+ Th tớch sn i qua ng ng pha sn.
Trờn c s cỏc yờu cu v cụng ngh tỏc gi a ra cỏc gii phỏp chn la thit
b trng phự hp yờu cu k thut v kinh t ca bi toỏn.
2.3.1 Cm bin siờu õm
Theo phõn tớch v cỏc bi toỏn iu khin, dõy chuyn cụng ngh cn theo dừi
mc sn trong tank trỏnh trn thựng cha sn khi cp nguyờn liu v trỏnh
trng hp thiu sn trong quỏ trỡnh pha sn. Do ú vic o mc sn trong tank
cha khụng cn chớnh xỏc cao. Ngoi ra do trong cụng ngh sn xut sn, cỏc
tank cha phi c lm sch thng xuyờn, vỡ vy trong trng hp dõy chuyn
cụng ngh sn xut sn, em xut phng phỏp o mc sn bng cm bin o
mc s dng súng siờu õm.
Tng quan cm bin o mc bng phng phỏp siờu õm :
Trờn th trng cú ti trờn nhiu loi cm bin o mc khỏc nhau, tỡm c mt
loi cm bin phự hp vi iu kin v yờu cu l mt iu khụng d dng. Mt
trong nhng loi thụng thng c s dng nhiu nht hin nay l cm bin o
mc da trờn cụng ngh súng siờu õm.
Cm bin mc dựng súng õm ó cú mt trờn th trng nhiu nm nay v c
coi nh mt cụng ngh ỏng tin cy dựng o mc thụng qua nhng th thỏch
khc nghit trong cụng nghip. Cm bin siờu õm o mc l dng u o khụng tip
xỳc v giỏ c phi chng dựng cho phn ln cỏc loi tank cha cht lng dng thng
ng
H v tờn : Nguyn Tun Anh
24
Lp Cao hc K& TH
