Nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển giám sát hoạt động của tuyến ống công nghệ nhập hàng trong kho xăng dầu

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

NGUYỄN PHẠM THANH

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA TUYẾN ỐNG
CÔNG NGHỆ NHẬP HÀNG TRONG KHO XĂNG DẦU

Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN HUY PHƢƠNG

Hà Nội – 2015


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan nội dung luận văn này là do tôi thực hiện dƣới sự hƣớng
dẫn khoa học của TS. Nguyễn Huy Phƣơng. Các số liệu, tính toán, thiết kế, mô
phỏng trong luận văn hoàn toàn trung thực và là công trình nghiên cứu của riêng tôi.

Học viên

Nguyễn Phạm Thanh

i

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................................... i
MỤC LỤC ................................................................................................................................ ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ .................................................................................. vi
MỞ ĐẦU .................................................................................................................................. 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHO XĂNG DẦU ĐỨC GIANG VÀ CÔNG NGHỆ
NHẬP HÀNG QUA TUYẾN ỐNG .............................................................................................. 2
1.1 Hoạt động trong lĩnh vực sản xuất phân phối xăng dầu tại Việt Nam ...................... 2
1.2 Giới thiệu về kho xăng dầu Đức Giang ..................................................................... 3
1.3 Giới thiệu một số hệ thống tự động hóa tại kho xăng dầu Đức Giang ...................... 5
1.3.1 Hệ thống đo bồn tự động .............................................................................5
1.3.2 Hệ thống điều khiển giám sát quá trình xuất hàng cho xe bồn đƣờng bộ và
toa xe đƣờng sắt ....................................................................................................6
1.3.3 Hệ thống giám sát và điều khiển tuyến ống công nghệ nhập hàng .............7
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN LOGIC KHẢ TRÌNH VÀ MẠNG
TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP SIEMENS ............................................................................ 10
2.1 Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC Siemens .................................................... 10
2.1.1 Khái niệm PLC thiết bị điều khiển logic khả trình - PLC .........................10
2.1.2 Cấu trúc của thiết bị PLC ..........................................................................10
2.1.3 Các module thành phần của PLC ..............................................................10
2.1.4 Kiểu dữ liệu, phân chia bộ nhớ .................................................................13
2.1.5 Vòng quét chƣơng trình.............................................................................15
2.1.6 Cấu trúc chƣơng trình ................................................................................16
2.1.7 Ngôn ngữ lập trình cho PLC S7-300 .........................................................17
2.2 Mạng truyền thông công nghiệp Simatic Net .......................................................... 17
2.2.1 Mạng PPI ...................................................................................................18
2.2.2 Mạng MPI..................................................................................................19
2.2.3 Mạng AS-i .................................................................................................20

2.2.4 Mạng Ethernet công nghiệp ......................................................................21
2.2.5 Mạng PROFIBUS......................................................................................23
CHƢƠNG 3: GIẢI PHÁP THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CỦA HỆ THỐNG ........................... 25

ii


3.1 Tổng quát về giải pháp thiết kế phần cứng .............................................................. 25
3.2 Thiết bị lƣu lƣợng kế ............................................................................................... 26
3.2.1 Nguyên lý thiết bị lƣu lƣợng kế Coriolis...................................................26
3.2.2 Chủng loại mã hiệu của lƣu lƣợng kế .......................................................30
3.2.3 Kết nối sensor và transmitter .....................................................................31
3.2.4 Kết nối đầu ra của transmitter vào mạng Profibus PA ..............................32
3.3 Thiết bị đo Áp suất .................................................................................................. 33
3.3.1 Chủng loại thiết bị .....................................................................................33
3.3.2 Chi tiết thành phần cấu tạo và hoạt động ..................................................33
3.3.3 Kết nối thiết bị vào mạng Profibus PA .....................................................36
3.4 Thiết bị đo nhiệt độ .................................................................................................. 36
3.4.1 Chủng loại thiết bị .....................................................................................36
3.4.2 Chi tiết thành phần cấu tạo và hoạt động ..................................................37
3.4.3 Kết nối thiết bị vào mạng Profibus PA .....................................................38
3.5 Van điều khiển ......................................................................................................... 39
3.5.1 Cấu tạo và đấu nối: ....................................................................................39
3.5.2 Các chế độ hoạt động của Van ..................................................................41
3.6 Lựa chọn cấu hình PLC và giải pháp kết nối các thiết bị ........................................ 44
3.6.1 Cấu hình PLC và các module mở rộng .....................................................44
3.6.2 Truyền thông từ PC xuống PLC ................................................................46
3.6.3 Mạng truyền thông từ PLC xuống các thiết bị đo .....................................47
CHƢƠNG 4: XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIAO DIỆN
PHẦN MỀM GIÁM SÁT HỆ THỐNG ................................................................................. 48

4.1 Xây dựng thuật toán chƣơng trình điều khiển ......................................................... 48
4.1.1 Phân tích yêu cầu công nghệ của hệ thống điều khiển tự động hóa tuyến
ống công nghệ nhập hàng ...................................................................................48
4.1.2 Lƣu đồ thuật toán của chƣơng trình ..........................................................49
4.1.3 Phƣơng pháp xác định tín hiệu báo lẫn .....................................................50
4.1.4 Phân tích trình tự đóng mở van .................................................................52
4.1.5 Phân tích chƣơng trình điều khiển van ......................................................52
4.2 Cấu hình và lập trình trên công cụ lập trình Step 7 của Siemens ............................ 55
4.2.1 Khai báo cấu hình phần cứng cho Project trong Simatic Manager ...........55
4.2.2 Thực hiện các bƣớc lập trình .....................................................................59
4.3 Thực hiện mô phỏng hoạt động của hệ thống.......................................................... 60
4.4 Giới thiệu phần mềm thiết kế giao diện WinCC 7.0 của hãng Siemens ................. 61

iii


4.5 Thiết kế giao diện điều khiển................................................................................... 62
4.5.1 Graphics Designer và các đối tƣợng để thiết kế đồ họa ............................62
4.5.2 Các thuộc tính của các đối tƣợng trong WinCC .......................................65
4.5.3 Xây dựng giao diện cho hệ thống giám sát và điều khiển tuyến ống công
nghệ nhập hàng ...................................................................................................66
4.6 Thiết lập kết nối truyền thông giữa PLC và phần mềm WINCC trên máy tính
điều khiển ....................................................................................................................... 71
4.6.1 Cách thức tạo kênh truyền thông ...............................................................71
4.6.2 Tên và kết nối địa chỉ cho một biến ngoại ................................................73
4.6.3 Thiết lập giá trị các thông số từ giao diện điều khiển trên PC xuống PLC
............................................................................................................................79
4.6.4 Các bƣớc thiết lập đọc thông số từ PLC lên giao diện điều khiển giám sát
trên máy tính .......................................................................................................81
KẾT LUẬN ............................................................................................................................ 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 85
PHỤ LỤC ............................................................................................................................... 86

iv


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TỪ VIẾT TẮT

PCS: Process control system,
DCS: Distributed control system
PLC: Program Logic Controller
HMI: Human-machine interface
API: Application Program Interface
PPI: Point to Point Interface
MPI: Multi Point Interface
AS-i: Actuator Sensor Interface
IE: Industrial Ethernet
PROFIBUS: Process Field Bus
PROFIBUS FMS: Process Field Bus Fieldbus Message Specification
PROFIBUS DP: Process Field Bus Distributed Peripheral
PROFIBUS PA: Process Field Bus Process Automation

v


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Mô tả tuyến ống vận chuyển hàng hóa .......................................................3
Hình 1.2: Mô tả quy trình công nghệ chính tại kho xăng dầu thành phẩm .................4
Hình 1.3: Hệ thống đo mức tự động bồn chứa xăng dầu ............................................5
Hình 1.4: Hệ thống tự động hóa cấp hàng cho ô tô xitec chở hàng ............................6

Hình 1.5: Hệ thống điều khiển nhập tuyến ống công nghệ nhập hàng .......................7
Hình 2.1: Cấu trúc chung của Thiết bị điều khiển logic khả trình ............................10
Hình 2.2: Bố trí các module của PLC S7-300 trên rack 0 ........................................12
Hình 2.3: CPU S7-300 kết nối với các modul thành phần tối đa trên 4 rack............13
Hình 2.4: Chu trình hoạt động của PLC trong một vòng quét ..................................15
Hình 2.5: Lập trình tuyến tính ...................................................................................16
Hình 2.6: Lập trình cấu trúc ......................................................................................16
Hình 2.7: Ba kiểu ngôn ngữ lập trình cho PLC Siemens LAD, STL, FDB ..............17
Hình 2.8: Sơ đồ cấu trúc nối mạng PPI .....................................................................19
Hình 2.9: Sơ đồ cấu trúc nối mạng MPI ...................................................................20
Hình 2.10: Sơ đồ cấu trúc nối mạng AS-i .................................................................21
Hình 2.11: Sơ đồ cấu trúc nối mạng Ethernet công nghiệp ......................................22
Hình 2.12: Sơ đồ cấu trúc nối mạng Profibus ...........................................................23
Hình 3.1: Giải pháp phần cứng cho hệ thống điều khiển tự động hóa tuyến ống nhập
hàng tại kho Đức Giang ............................................................................................25
Hình 3.2: Hiệu ứng Coriolis khi khối chất chuyển động tƣơng đối với vật thể quay ............26
Hình 3.3: Ống thẳng – đơn khi không có dòng chảy (no flow) và có dòng chảy ...............28
Hình 3.4: Sự lệch pha của tín hiệu đầu ra trên hai cuộn dây đo ...............................28
Hình 3.5: Thiết bị đo Coriolis loại ống đôi U ...........................................................29
Hình 3.6: Sensor CMF400 và Transmiter model 2700 .............................................30
Hình 3.7: Các kiểu kết nối giữa Sensor và Transmitter ............................................31
Hình 3.8: Chi tiết dấu nối sơ đồ 9 dây và 4 dây kết nối sensor và transmitter .........32
Hình 3.9: Sơ đồ đấu nối Transmitter Model 2700 PA trong mạng Profibus PA ............32
Hình 3.10: Thiết bị đo Sitrans P DSIII PA ...............................................................33
Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý làm việc Sitrans P ........................................................34
Hình 3.12: Cảm biến đo áp suất ................................................................................35
Hình 3.13: Các phím chức năng ................................................................................35
Hình 3.14: Màn hình hiển thị số................................................................................35
Hình 3.15: Sơ đồ nối mạng profibus PA cho thiết bị đo áp suất ..............................36
Hình 3.16: Thiết bị đo nhiệt độ Sitrans TF ...............................................................36

Hình 3.17: Cấu tạo thiết bị đo áp suất .......................................................................37
Hình 3.18: Sơ đồ khối mô tả cấu trúc của Sitrans TF ...............................................37

vi


Hình 3.19: Sơ đồ đấu nối sensor nhiệt độ vào mạng Profibus PA ............................38
Hình 3.20: Cấu tạo van điện Limitorque MX05 .......................................................39
Hình 3.21: Các đầu nối đƣờng điện nguồn và điều khiển cho van ...........................39
Hình 3.22: Chức năng các chân đấu nối của Van điện .............................................40
Hình 3.23: Các nút điều khiển, chọn chế độ của Van điện .......................................41
Hình 3.24: Các đèn hiển thị trạng thái hoạt động của van điện ................................41
Hình 3.25: Sơ đồ hình cây menu chính của van điện................................................42
Hình 3.26: Các menu thiết lập của van điện .............................................................42
Hình 3.27: Trình tự thiết lập vị trí đóng mở bằng điều khiển van điện tại chỗ ........43
Hình 3.28: Trình tự thiết lập vị trí đóng mở bằng tay xoay van điện .......................43
Hình 3.29: Nguồn PS307 5A ....................................................................................44
Hình 3.30: Bộ xử lý trung tâm Simatic S7-300 CPU317-2DP .................................45
Hình 3.31: Sơ đồ các chân đấu của Module SM321 .................................................45
Hình 3.32: Sơ đồ các chân đấu của Module SM 322 ................................................46
Hình 3.33: Kết nối MPI giữa PC và PLC..................................................................46
Hình 3.34: Mô tả đấu nối thiết bị DP/PA coupler .....................................................47
Hình 4.1: Sơ đồ thuật toán của chƣơng trình điều khiển trên PLC ...........................49
Hình 4.2: Quá trình phát hiện lẫn hàng trong trƣờng hợp mặt hàng mới .................50
Hình 4.3: Quá trình phát hiện lẫn hàng trong trƣờng hợp mặt hàng mới .................51
Hình 4.4: Quá trình phát hiện lẫn hàng theo lƣợng hàng trong trƣờng hợp mặt hàng
mới và mặt hàng hiện tại cùng là xăng hoặc cùng là dầu .........................................51
Hình 4.5: Giao diện chính của SIMATIC Manager Step7 ........................................56
Hình 4.6:Thiết lập cấu hình phần cứng trong Step 7 ................................................56
Hình 4.7: Thiết lập cấu hình mạng truyền thông giữa các thiết bị trong Step 7 .......58

Hình 4.8: Lập trình các khối OB trong Step 7 ..........................................................59
Hình 4.9: Lập trình ngôn ngữ lập trình LAD trong Step 7 .......................................59
Hình 4.10: Sử dụng PLC Sim để mô phỏng hoạt động của PLC ..............................60
Hình 4.11: Giao diện tƣơng tác của PLC Sim ..........................................................60
Hình 4.12: Công cụ Graphics Designer trong cửa sổ WinCC Explorer. ..................62
Hình 4.13: Cửa sổ thiết kế Graphics Designer. .........................................................62
Hình 4.14: Màn hình giao diện chính của hệ thống. .................................................67
Hình 4.15:Màn hình giao diện cài đặt thông số hệ thống. ........................................68
Hình 4.16: Màn hình giám sát sự biến thiên các thông số về tỷ trọng. .....................69
Hình 4.17: Màn hình giám sát toàn bộ các thông số trong hệ thống. .......................70
Hình 4.18: Công cụ Tag Managerment trong WinCC. .............................................71
Hình 4.19: Các kiểu Driver truyền thông mà WinCC hỗ trợ. ...................................72
Hình 4.20:Thiết lập kiểu truyền thông MPI kết nối Win CC với PLC S7-300 ........73
Hình 4.21: Thiết lập các Tag Group. ........................................................................74
Hình 4.22: Thiết lập các từng Tag. ...........................................................................74

vii


Hình 4.23: Các tag liên quan đến van điện. ..............................................................75
Hình 4.24: Thiết lập Tag loại hàng. ..........................................................................75
Hình 4.25: Thiết lập Tag liên quan đến thông số tỷ trọng. .......................................76
Hình 4.26: Thiết lập Tag tín hiệu lẫn. .......................................................................76
Hình 4.27: Thiết lập Tag nhiệt độ. ............................................................................77
Hình 4.28: Thiết lập Tag áp suất. ..............................................................................77
Hình 4.29: Thiết lập Tag lƣợng hàng. .......................................................................78
Hình 4.30: Thiết lập Tag chế độ làm việc. ................................................................78
Hình 4.31: Thiết lập liên kết tag với IO Field ...........................................................79
Hình 4.32: Cửa sổ cấu hình cho I/OField .................................................................80
Hình 4.33: Tạo một lƣu trữ thông số quá trình .........................................................81

Hình 4.34: Thêm các tag lƣu trữ. ..............................................................................82
Hình 4.35: Cấu hình cho WinCC Online Trend Control. .........................................82

viii


MỞ ĐẦU
Ngày nay hầu hết trong các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp, tự động hóa
điều khiển đã đƣợc áp dụng nhằm mục đích nâng cao chất lƣợng sản phẩm, năng
suất lao động, tiết giảm chi phí và giải phóng con ngƣời khỏi những vị trí làm việc
nguy hiểm độc hại. Tại kho xăng dầu có môi trƣờng làm việc độc hại, nguy cơ cháy
nổ cao... thì nhu cầu triển khai áp dụng các giải pháp công nghệ tự động hóa điều
khiển, thiết bị đo thông minh càng trở nên thiết thực và hiệu quả.
Kho xăng dầu Đức Giang là một trong những kho xăng lớn tại khu vực phía
bắc thuộc quản lý của Tập đoàn xăng dầu Việt Nam. Tại kho xăng này các quy trình
công nghệ quan trọng đƣợc áp dụng dụng tự động hóa và đem lại nhiều hiệu quả.
Đối với công nghệ nhập hàng cho kho xăng này có đặc thù là nhiều mặt hàng cùng
đƣợc vận chuyển trên đƣờng ống. Quy trình phân tách và điều khiển van cho hệ
thống nhập hàng sẽ ảnh hƣởng nhiều đến chất lƣợng hàng hóa đầu vào của kho
xăng.
Luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu về hệ thống này, nhằm giải quyết bài
toán công nghệ của hệ thống thông qua việc lên giải pháp thiết kế thiết bị điều
khiển, xây dựng chƣơng trình điều khiển và giám sát cho hệ thống.
Luận văn gồm 4 chƣơng:
-

-

Chƣơng 1: Giới thiệu tổng quan về kho xăng dầu Đức Giang. Trong đó
tập trung tìm hiểu về hệ thống giám sát và điều khiển tuyến ống công

nghệ nhập hàng.
Chƣơng 2: Tổng quan về thiết bị điều khiển logic khả trình và một số
cấu trúc mạng truyền thông công nghiệp của hãng Siemens.
Chƣơng 3: Trình bày giải pháp thiết kế phần cứng hệ thống.
Chƣơng 4: Xây dựng chƣơng trình điều khiển và giám sát phần mềm
giám sát hệ thống.

Để hoàn thành luận văn này tôi đã nhận đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình trong
thời gian qua của Thầy hƣớng dẫn TS Nguyễn Huy Phƣơng. Do kinh nghiệm và
khả năng còn hạn chế nên luận văn này vẫn còn nhiều thiếu sót. Tôi mong nhận
đƣợc nhiều ý kiến đóng góp hữu ích từ các thầy, cô cùng các đồng nghiệp để có thể
thấy rõ những điều cần nghiên cứu bổ sung, giúp cho việc xây dựng đề tài đạt đến
kết quả hoàn thiện hơn.

1


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHO XĂNG DẦU ĐỨC GIANG VÀ CÔNG NGHỆ
NHẬP HÀNG QUA TUYẾN ỐNG
1.1 Hoạt động trong lĩnh vực sản xuất phân phối xăng dầu tại Việt Nam
Ngành công nghiệp dầu khí đƣợc phân chia thành 2 lĩnh vực: Thƣợng nguồn
(up stream): bao gồm các hoạt động liên quan đến khai thác dầu thô, chế biến các
sản phẩm lọc hóa dầu. Hạ nguồn (down stream): bao gồm các hoạt động liên quan
đến khâu lƣu kho, vận tải, phân phối bán buôn bán lẻ các sản phẩm lọc hóa dầu tới
ngƣời tiêu dùng.
Tại Việt Nam hiện nay tham gia trong lĩnh vực thƣợng nguồn có Tập đoàn
dầu khí Quốc Gia Việt Nam với liên doanh Xí nghiệp Vietsopetro tham gia khai
thác dầu thô trên vùng thềm lục địa Việt Nam, Nhà máy lọc hóa dầu Bình Sơn sản
xuất các sản phẩm lọc hóa dầu...Đối với lĩnh vực hạ nguồn kinh doanh phân phối
bán buôn bán lẻ các sản phẩm lọc hóa dầu tới các doanh nghiệp và ngƣời tiêu dùng

có một số đơn vị nhƣ : Tổng công ty dầu PV Oil thuộc Tập đoàn dầu khí Quốc Gia
Việt Nam, Công ty xăng dầu Quân đội, Tập đoàn xăng dầu Việt Nam –
Petrolimex...
Nói về luồng vận động hàng hóa xăng dầu tại thị trƣờng nội địa của nƣớc ta,
hiện nay sản phẩm xăng dầu gồm 2 nguồn: nguồn nội địa đƣợc sản xuất từ nhà máy
lọc dầu Bình Sơn – Dung Quất và nguồn nhập khẩu.
Đƣờng vận tải chính là qua đƣờng biển các tàu dầu với dung lƣợng vận
chuyển lớn. Xăng dầu đƣợc bơm chuyển từ các tàu dầu xuống các hệ thống kho
chính đặt gần cảng biển. Ở phía bắc có các kho tập trung ở khu vực Bãi Cháy Thành
phố Hạ Long – Tỉnh Quảng Ninh. Ở phía nam có các kho tập trung ở khu vực
Huyện Nhà Bè Thành phố Hồ Chí Minh. Ở miền Trung và Nam Tây Nguyên có kho
ở khu vực Đà Nẵng, Khánh Hòa...Các kho này thƣờng đƣợc gọi là các kho đầu mối.
Từ các kho đầu mối xăng dầu tiếp tục đƣợc vận chuyển tiếp vào các kho đặt
trong nội địa. Tùy theo đặc thù giao thông, địa hình mà hình thực vận chuyển từ các
kho đầu mối vào các kho tuyến sau mà có thể có nhiều hình thức: Ở miền Nam với
địa hình nhiều kênh rạch nên hình thức vận chuyển chủ yếu dùng xà lan. Ở miền
Trung thì chủ yếu là vận tải đƣờng bộ. Ở miền Bắc thì có sự đan xen: vận chuyển

2


giữa các kho lớn sử dụng vận chuyển bằng tuyến ống, giữa các kho lớn tới các kho
nhỏ ở các tỉnh vùng cao bằng đƣờng bộ hoặc bằng các toa xe kéo đƣờng sắt.
1.2 Giới thiệu về kho xăng dầu Đức Giang
Tổng kho xăng đầu Đức Giang đƣợc đặt tại quận Long Biên Hà Nội. Với sức
chứa trên 8 vạn m3, có vị trí địa lý chiến lƣợc nên kho xăng Đức Giang là một trong
số những kho xăng quan trọng của Tập đoàn xăng dầu Việt Nam.
Hàng hóa nhập về kho Đức Giang theo hình thức vận chuyển bằng đƣờng
ống: hàng đƣợc bơm từ kho đầu mối tại Quảng Ninh hoặc bơm từ kho trung chuyển
đặt tại Hải Dƣơng. Từ đây hàng hóa đƣợc vận chuyển tiêu dùng cho địa bàn Hà Nội

và các tỉnh lân cận.

Hình 1.1: Mô tả tuyến ống vận chuyển hàng hóa
Các quy trình công nghệ chính trong kho xăng:

3


NHẬP HÀNG VÀO KHO
(QUA TUYẾN ỐNG)

LƯU TRỮ VÀ BẢO QUẢN HÀNG HÓA
TẠI CÁC BỒN CHỨA

CẤP XUẤT HÀNG HÓA XUẤT
CHO XE BỒN, TOA XE ĐƯỜNG SẮT
(THEO CÁC ĐƠN HÀNG)

Hình 1.2: Mô tả quy trình công nghệ chính tại kho xăng dầu thành phẩm

4


1.3 Giới thiệu một số hệ thống tự động hóa tại kho xăng dầu Đức Giang
1.3.1 Hệ thống đo bồn tự động
Chức năng: Hệ thống cho phép kiểm soát lƣợng hàng thực tế trên các bể chửa theo
gian thực.
Cấu trúc hệ thống:

Hình 1.3: Hệ thống đo mức tự động bồn chứa xăng dầu

Các sensor đo bể đƣợc lắp đặt tại các bể trụ. Thông tin chiều cao hàng hóa
(các loại xăng dầu đƣợc đƣa về máy chủ trung tâm). Dựa trên barem bể chứa tƣơng
ứng sẽ xác định chính xác lƣợng hàng hiện tại trong các bể.
Hiệu quả đem lại:
Hệ thống đo bồn tự động đƣa vào hoạt động đã khắc phục đƣợc phƣơng pháp
cũ là công nhân phải đi đo bể bằng thƣớc tay một ngày 2 lần, số liệu đo không liên
tục, độ chính xác không cao do yếu tố chủ quan của con ngƣời.
Hệ thống cho phép bộ phận quản lý hàng hóa có thể kiểm soát lƣợng hàng
theo thời gian thực. Từ đó có thể thiết lập kế hoạch nhập hàng, xuất hàng phù hợp.

5


1.3.2 Hệ thống điều khiển giám sát quá trình xuất hàng cho xe bồn đƣờng bộ
và toa xe đƣờng sắt
Chức năng: Thực hiện việc cấp xuất hàng hóa cho xe bồn một cách chính xác theo
đúng dung tích các ngăn chứa của xe.
Cấu trúc hệ thống:

Hình 1.4: Hệ thống tự động hóa cấp hàng cho ô tô xitec chở hàng
Mỗi họng xuất hàng đƣợc trang bị các bộ điều khiển (batch controller) kết
hợp với các thiết bị lƣu lƣợng kế (có bộ phát xung), sensor nhiệt độ, van điện. Bộ
điều khiển batch controller sẽ điều khiển xuất hàng cho xe bồn chính xác theo lƣợng
đặt trƣớc (theo yêu cầu của các đơn hàng).
Hiệu quả đem lại:
Hệ thống tự động hóa cấp xuất cho xe bồn, toa xe đƣờng sắt giúp cho năng
lực cấp xuất hàng hóa tăng lên, đảm bảo tính an toàn, giảm thiểu việc tiếp xúc với
xăng dầu cho công nhân vận hành.
Khắc phục đƣợc các nguy cơ tiềm ẩn nhiều rủi ro so với phƣơng pháp cũ là
ngƣời công nhân điều khiển bơm hàng bằng tay, dễ xảy ra hiện tƣợng bơm tràn

hàng hoặc hiện tƣợng gian lận trong quá trình cấp xuất.

6


1.3.3 Hệ thống giám sát và điều khiển tuyến ống công nghệ nhập hàng
Do yếu tố lịch sử để lại và sự khó khăn trong việc mở rộng xây dựng mới
nên việc nhập hàng từ các kho cảng đầu mối về kho Đức Giang cho đến nay hiện
vẫn sử dụng một tuyến đƣờng ống chung để nhập tất cả các sản phẩm xăng dầu
(tổng cộng có 4 loại mặt hàng: xăng RON 95, RON 92, Diezen 0.05%S, Diezen
0.25%S). Đây là hệ thống đặc thù với các kho trung chuyển lớn có vị trí sâu trong
nội địa, nhập hàng sản lƣợng lớn bằng tuyến đƣờng ống.

Hình 1.5: Hệ thống điều khiển nhập tuyến ống công nghệ nhập hàng
Các thiết bị chính trong hệ thống
-

Thiết bị Lƣu lƣợng kế tuyến: sử dụng để xác định thể tích lƣợng chất lỏng đi
qua, cung cấp số đo tỷ trọng, lƣu tốc của dòng chất lỏng...
Cảm biến đo áp suất: sử dụng để xác định áp suất tác dụng lên thành ống
dẫn.
Cảm biến nhiệt độ: sử dụng để xác định nhiệt độ dòng chất lỏng
Hệ thống các van điều khiển: đóng mở các nhánh tuyến ống dẫn.
Thiết bị PLC: thu nhận dữ liệu từ bộ lƣu lƣợng kế, các cảm biến nhiệt độ,
đồng thời đóng vai trò là thiết bị xử lý các thông số đo từ đó đƣa ra các quyết
định điều khiển van theo các thuật toán đã đƣợc lập trình.

7

8


Kết luận chƣơng 1:
Chƣơng này giới thiệu khái quát về một số hệ thống tự động hóa đang đƣợc
áp dụng tại kho xăng dầu Đức Giang. Trong đó có giới thiệu hệ thống điều khiển
giám sát hoạt động của tuyến ống công nghệ nhập hàng tại kho xăng dầu Đức
Giang. Đây là hệ thống có nhiệm vụ phát hiện và phân tách các loại hàng hóa đƣợc
vận chuyển liên tục kế tiếp nhau trên cùng 1 tuyến ống.
Trên tuyến ống hiện đang sử dụng bơm chung hai loại mặt hàng xăng và hai
loại mặt hàng dầu. Dựa trên đặc điểm giữa xăng và dầu có dải tỷ trọng khác biệt nên
căn cứ phân tách là sử dụng chỉ số đo về tỷ trọng. Trong trƣờng các hàng bơm liên
tục cùng là xăng hoặc cùng là dầu thì chỉ số đo về tỷ trọng không thể phân biệt đƣợc
nên sử dụng phƣơng pháp tách lƣợng để phân tách chuyển loại hàng hóa. Yêu cầu
hệ thống điều khiển giám sát hoạt động tuyến ống công nghệ nhập hàng là thực hiện
giám sát các thông số đo tỷ trọng và lƣợng hàng một cách chính xác từ đó thực hiện
các quyết định đóng mở van tƣơng ứng với các loại hàng đảm bảo đúng và không
gây gián đoạn quá trình bơm hàng.
Đây chính là hệ thống mà luận văn này sẽ tập trung vào tìm hiểu nghiên cứu
các thiết bị ứng dụng trong hệ thống, xây dựng hệ thống giám sát điều khiển đảm
bảo hoạt động chính xác ổn định.

9


CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN LOGIC KHẢ TRÌNH VÀ
MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP SIEMENS

2.1 Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC Siemens
2.1.1 Khái niệm PLC thiết bị điều khiển logic khả trình - PLC

Thiết bị điều khiển logic khả trình (Programmable Logic Controller) viết tắt
là PLC ra đời cho phép thực hiện các linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông
qua lập trình điều khiển thay thế phƣơng pháp điều khiển truyền thống dùng rơle và
thiết bị rời cồng kềnh. Với việc sử dụng PLC cho phép chúng ta hiệu chỉnh hệ thống
điều khiển mà không cần có sự thay đổi nào về mặt kết nối dây, sự thay đổi chỉ là
thay đổi chƣơng trình điều khiển.
2.1.2 Cấu trúc của thiết bị PLC
Để có thể thực hiện đƣợc một chƣơng trình điều khiển, PLC phải có một bộ
vi xử lý (CPU), một hệ điều hành, bộ nhớ để lƣu chƣơng trình điều khiển, dữ liệu và
tất nhiên phải có các cổng vào/ra để giao tiếp với đối tƣợng điều khiển và để trao
đổi thông tin với môi trƣờng xung quanh Bên cạnh đó nhằm phục vụ bài toán điều
khiển số, PLC còn cần phải có thêm các khối chức năng đăc biệt khác nhƣ bộ đếm
(Counter), bộ thời gian (Timer)…và những khối hàm chuyên dụng.
CPU

Bộ đệm
Vào + Ra

Bộ nhớ chƣơng trình

Khối vi xử lý
trung tâm
+
Hệ điều hành

Cổng vào ra
onboard
Cổng ngắt và
đếm tốc độ cao

Timer
Counter
Bit Cờ

Bus của PLC
Quản lý
ghép nối

Hình 2.1: Cấu trúc chung của Thiết bị điều khiển logic khả trình
2.1.3 Các module thành phần của PLC
Khi ứng dụng thực tế phần lớn các đối tƣợng điều khiển có số tín hiệu đầu
vào, đầu ra cũng nhƣ chủng loại tín hiệu vào/ra khác nhau vì vậy thiết kế của PLC
10


đƣợc không bị khoá cứng về cấu hình. PLC đƣợc chia thành các module nhằm tăng
tính mềm dẻo linh hoạt.
Số module đƣợc sử dụng nhiều hay ít tuỳ thuộc vào từng bài toán, tuy nhiên
tối thiểu bao giờ cũng phải có một module chính là module CPU. Các module còn
lại là những module truyền nhận tín hiệu với các đối tƣợng điều khiển, các module
chức năng chuyên dụng nhƣ PID, điều khiển động cơ.... Chúng đƣợc gọi là các
module mở rộng. Tất cả các module đƣợc gá lên những thanh ray (Rack)
2.1.3.a Module CPU
Module CPU chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ thời gian, bộ
đếm, cổng truyền thông RS485...Và có thể có một số cổng vào ra số. Các cổng vào
ra số có trên module CPU gọi là cổng vào ra onboard. Trong họ PLC S7-300 có
nhiều loại module CPU khác nhau ví dụ nhƣ module CPU312, module CPU314,
module CPU315...
Những module cùng sử dụng một loại bộ vi xử lý, nhƣng khác nhau về cổng
vào/ra onboard cũng nhƣ các khối hàm đặc biệt đƣợc tích hợp sẵn trong thƣ viện

của hệ điều hành phục vụ việc sử dụng các cổng vào/ra onboard này sẽ đƣợc phân
biệt với nhau trong tên gọi bằng thêm cụm từ chữ cái IFM (viết tắt của Intergrated
Funcion Module) .Ví dụ module CPU312 IFM, module CPU314 IFM…
Ngoài ra còn có các module CPU với hai cổng truyền thông, trong đó cổng
truyền thông thứ hai có chức năng chính là phục vụ nối mạng phân tán .Các loại
module CPU đƣợc phân biệt với các module CPU khác bằng thêm cụm từ DP
(Distributed Port) trong tên gọi. Ví dụ module CPU 315-DP...
2.1.3.b Các module mở rộng
PS (Power Supply): Module nguồn nuôi, có 3 loại 2A, 5A và 10A.
SM (Signal module): Module mở rộng cổng tín hiệu vào/ra bao gồm:
-

-

DI (Digital Input): Module mở rộng các cổng vào số .Số các cổng vào số mở
rộng có thể là 8, 16 hoặc 32 tuỳ thuộc vào từng loại module.
DO (Digital Output): Module mở rộng các cổng ra số .Số các cổng ra số mở
rộng có thể là 8, 16 hoặc 32 tuỳ thuộc vào từng loại module.
DI/DO (Digital Input/Digital Output): Module mở rộng các cổng vào/ra số
.Số các cổng vào/ra số mở rộng có thể là 8 vào/8 ra, 16 vào/16 ra tuỳ thuộc
vào từng loại module .
AI (Analog Input): Module mở rộng các cổng vào tƣơng tự. Chúng chính là
những bộ chuyển đổi tƣơng tự số 12 bit (AD), tức là mỗi tín hiệu tƣơng tự

11


-

-

đƣợc chuyển thành một tín hiệu số (nguyên) có độ dài 12 bit. Số cổng vào
tƣơng tự có thể là 2, 4 hoặc 8 tuỳ thuộc vào từng loại module.
AO (Analog Output): Module mở rộng các cổng ra tƣơng tự .Chúng chính là
những bộ chuyển đổi tƣơng tự số 12 bit (DA). Số cổng vào tƣơng tự có thể là
2.4 hoặc 8 tuỳ thuộc vào từng loại module.
AI/AO (Analog Input/Analog Output): Module mở rộng các cổng vào/ra
tƣơng tự .Số cổng vào/ra tƣơng tự có thể là 4 vào/2 ra hoặc 4 vào/ 4 ra tuỳ
thuộc vào từng loại module.

IM (Interface module): module ghép nối, đây là loại module chuyên dụng có
nhiệm vụ nối từng nhóm các module mở rộng lại với nhau thành một khối và đƣợc
quản lý chung bởi một module CPU. Thông thƣờng các module mở rộng đƣợc gá
liền nhau trên một thanh đỡ gọi là rack.
Trên mỗi rack chỉ có thể gá đƣợc nhiêu nhất 8 module mở rộng (không kể
module CPU và module nguồn nuôi).
Mỗi module đƣợc gán một số slot tính từ trái sang phải, module nguồn là slot 1,
module CPU slot 2, module kế tiếp theo mang số 4…

Hình 2.2: Bố trí các module của PLC S7-300 trên rack 0
Mỗi một module CPU S7-300 có thể làm việc trực tiếp đƣợc nhiều nhất 4 rack
và các rack này phải đƣợc nối với nhau bằng một module IM. CPU ở rack 0 slot 2,
kế đó là module phát IM360 slot 3, có nhiệm vụ kết nối rack 0 với các rack 1, 2, 3.
Trên mỗi rack 1, 2, 3 này có module kết nối IM361, bên phải mỗi module IM là các
module SM/FM/CP

12


Hình 2.3: CPU S7-300 kết nối với các modul thành phần tối đa trên 4 rack

FM (Function module): module có chức năng điều khiển riêng, ví dụ module điều
khiển động cơ bƣớc, module điều khiển động cơ servo, module PID, module điều
khiển vòng kín...
CP (Communication module): module phục vụ truyền thông trong mạng giữa các
PLC với nhau hoặc PLC với máy tính.
2.1.4 Kiểu dữ liệu, phân chia bộ nhớ
Kiểu dữ liệu:
Các kiểu dữ liệu đƣợc sử dụng trong S7-300
-

BOOL: với dung lƣợng một bit và có giá trị 1 hoặc 0 (đúng hoặc sai). Đây là
kiểu dữ liệu cho biến hai trị.

-

BYTE: gồm 8 bit, thƣờng đƣợc biểu diễn một số nguyên dƣơng từ 0 đến 255
hoặc là mã ASCII của một ký tự.

-

WORD: gồm 2 byte, biểu diễn số nguyên từ 0 đến 65535.

-

INT: cũng có dung lƣợng 2 byte, dùng để biểu diễn một số nguyên từ –32768
đến 32767.

-

DINT: gồm 4 byte, dùng để biểu diễn số nguyên từ –2147483648 đến

2147483647.

-

REAL: gồm 4 byte, dùng để biểu diễn số thực có dấu phẩy động.

13


-

S5T: khoảng thời gian, đƣợc tính bằng giờ, phút, giây, miligiây.

-

TOD: biểu diễn giá trị thời gian tính theo giờ/phút/giây.

-

DATE: biểu diễn giá trị thời gian tính theo năm/tháng/ngày.

-

CHAR: biểu diễn một ký tự hay nhiều ký tự (nhiều nhất là 4 ký tự).

Cấu trúc bộ nhớ của CPU
Bộ nhớ S7-300 chia làm ba vùng chính:
Vùng chứa chƣơng trình ứng dụng: Chia thành 3 miền:
-

OB (Organization Block): Miền chứa chƣơng trình tổ chức.

-

FC (Function): Miền chứa chƣơng trình con, đƣợc tổ chức thành hàm và có
biến hình thức để trao đổi dữ liệu với chƣơng trình gọi nó.

-

FB (Function Block): Miền chứa chƣơng trình con, đƣợc tổ chức thành hàm
và có khả năng trao đổi dữ liệu với bất kỳ một khối chƣơng trình nào khác.
Các dữ liệu này phải đƣợc xây dựng thành một khối dữ liệu riêng (gọi là DB
– Data Block).

Vùng chứa tham số của hệ điều hành và chƣơng trình ứng dụng, đƣợc chia thành 7
miền khác nhau, bao gồm:
-

I (Process image input): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng vào số.

-

Q (Process image output): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng ra số.

-

M: Miền các biến cờ.

-

T: Miền nhớ phục vụ bộ thời gian (timer)

-

C: Miền nhớ phục vụ bộ đếm (counter)

-

PI: Miền địa chỉ cổng vào của các module tƣơng ự (I/O External input). Truy
nhập miền nhớ PI theo các kiểu biến byte (PIB), từ đơn (PIW) hay từ kép
(PID).

-

PQ: Miền địa chỉ cổng ra của các module tƣơng tự (I/O External output).
Truy nhập miền nhớ PQ theo các kiểu biến byte (PQB), từ đơn (PQW) hay từ
kép (PQD).

Vùng chứa các khối dữ liệu đƣợc chia làm 2 loại:
-

DB (Data Block): miền chứa dữ liệu đƣợc tổ chức thành hình khối.

-

L (Local data bolck): Miền dữ liệu cục bộ.

14

2.1.5 Vòng quét chƣơng trình
PLC thực hiện chƣơng trình theo chu trình lặp. Mỗi vòng lặp đƣợc gọi là một
vòng quét (scan). Mỗi vòng quét đƣợc bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ các
cổng vào số tới vùng bộ đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chƣơng trình.
Trong từng vòng quét, chƣơng trình đƣợc thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết
thúc của khối OB1. Sau giai đoạn thực hiện chƣơng trình là giai đoạn chuyển các
nội dung của bộ đệm ảo Q tới các cổng ra số. Vòng quét đƣợc kết thúc bằng giai
đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi.
Bộ đệm I và Q không liên quan đến các cổng vào ra tƣơng tự nên các lệnh
truy nhập cổng tƣơng tự đƣợc thực hiện trực tiếp với cổng vật lý chứ không thông
qua bộ đệm.

Truyền thông nội
bộ và kiểm tra lỗi

Chuyển dữ liệu từ cổng
vào tới bộ đệm ảo I
VÒNG QUÉT

Chuyển dữ liệu từ bộ
đệm ảo Q tới cổng ra

Thực hiện
chƣơng trình

Hình 2.4: Chu trình hoạt động của PLC trong một vòng quét

Thời gian cần thiết để PLC thực hiện đƣợc một vòng quét gọi là thời gian
vòng quét (scan time). Thời gian vòng quét không cố định, tức là không phải vòng
quét nào cũng thực hiện trong một khoảng thời gian nhƣ nhau. Có vòng quét đƣợc

thực hiện lâu, có vòng quét đƣợc thực hiện nhanh tuỳ vao số lệnh chƣơng trình
đƣợc thực hiện và khối lƣợng dữ liệu đƣợc truyền thông trong vòng quét đó.
Nhƣ vậy giữa việc đọc dữ liệu từ đối tƣợng để xử lý, tính toán và việc gửi tín
hiệu điều khiển tới đối tƣợng có một khoảng thời gian trễ đúng bằng thời gian vòng
quét. Nói cách khác, thời gian vòng quét quyết định tính thời gian thực của chƣơng
trình điều khiển của PLC. Thời gian vòng quét càng ngắn, tính thời gian thực của
chƣơng trình càng cao.

15


2.1.6 Cấu trúc chƣơng trình
Chƣơng trình cho S7-300 đƣợc lƣu trong bộ nhớ của PLC ở vùng dành riêng
cho chƣơng trình và có thể lập đƣợc với 2 dạng cấu trúc khác nhau.
Lập trình tuyến tính:
Toàn bộ chƣơng trình điều khiển nằm trong một khối bộ nhớ. Loại hình cấu
trúc tuyến tính này phù hợp với bài toán tự động nhỏ, không phức tạp. Khối đƣợc
chọn phải là khối OB1, là khối mà PLC luôn quét và thực hiện các lệnh trong nó
thƣờng xuyên, từ lệnh đầu tiên đến lệnh cuối cùng và quay lại lệnh đầu tiên.

Hình 2.5: Lập trình tuyến tính
Lập trình cấu trúc
Chƣơng trình đƣợc chia thành những phần nhỏ (chƣơng trình con FC hay
FB), mỗi phần thực hiện một nhiệm vụ cụ thể của bài toán điều khiển chung và toàn
bộ các phần này lại đƣợc sự quản lý thống nhất bởi khối OB1. Trong OB1 có các
lệnh gọi những khối chƣơng trình con theo thứ tự phù hợp với bài toán điều khiển
đặt ra. Một nhiệm vụ cụ thể có thể còn đƣợc chia thành nhiều nhiệm vụ cụ thể và
nhỏ hơn nữa, do đó, một chƣơng trình con cũng có thể đƣợc gọi từ một khối chƣơng
trình con khác.

Hình 2.6: Lập trình cấu trúc

16