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

..

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


Luận văn thạc sĩ khoa học

LI NểI U
t vn
Hin nay, đất nước ta bước vào thời kỳ công nghiệp hố, hiện đại hóa, để q
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 q
trình cơng 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,
cơng 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 cơng nghiệp hóa hiện đại hóa, việc áp dụng
hệ thống SCADA là xu thế tất yếu của các ngành cơng nghiệp, điện lực, dầu
khí…Các hệ thống SCADA cho thủy lợi, khí tượng thủy văn, mơi 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


Luận văn thạc sĩ khoa học

Tờn ti :
Nghiờn cu 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 u cầu cơng nghệ,
quy trình cơng nghệ. Căn cứ vào các bài tốn cơng 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 tốn, 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

Luận văn thạc sĩ khoa học

B cc lun vn
Lun vn 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


Luận văn thạc sĩ khoa học
CHNG I:TNG QUAN V H 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 thơng 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 hố các giao diện q 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


Luận văn thạc sĩ khoa học
+ Tớnh nng thi 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 thơng qua đó, người vận hành quan
sát và điều khiển q 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 Mơ 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 mơ hình phân cấp hình chóp thường được dùng. Với loại mơ 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 địi 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


Luận văn thạc sĩ khoa học

chc nng cp thp 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 Mơ 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 thơng minh (có bộ vi xử lý riêng ) cũng có thể đảm
nhận việc xử lý và chuẩn bị thơng tin, trước khi đưa lên cấp trên .
-

Cấp điều khiển

Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thơng tin từ các bộ phận cảm biến
xử lý các thông tin đó theo một thuật tốn 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 chức năng giám sát và vận hành một quá trình kỹ thuật, có nhiệm vụ hỗ trợ
người sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, thao tác theo dõi, giám sát vận hành và
xử lý những tình huống bất ngờ. Ngồi ra trong một số trường hợp, cấp này cịn
thực hiện những bài toán điều khiển cao cấp như điều khiển phối hợp hay điều
khiển theo công thức hoặc điều khiển trình tự.Trong cấp này khơng đỏi hỏi phương
tiện, thiết bị phần cứng đặc biệt ngồi máy tính thơng thường.
Thơng thường người ta chỉ coi 3 cấp dưới thuộc phạm vi của một hệ thống
SCADA. Cấp trên cùng là mô hình lý tưởng hố cho một cấu trúc chức năng tổng
thể.
Việc phân cấp chức năng như trên sẽ rất thuận tiện khi thiết kế hệ thống và lựa
chọn thiết bị. Theo đó các nhà sản xuất cũng đưa ra kiến trúc các tầng mạng thích
hợp với đặc thù trao đổi thông tin của từng cấp.
1.1.3 Các ứng dụng của hệ thống SCADA
Ngày nay, hệ thống SCADA được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực
công nghiệp. Đặc biệt trong một số lĩnh vực sau:
+ Hệ thống SCADA cho các trạm trộn bê tông, các nhà máy sản xuất xi

măng, các nhà máy chế biến thực phẩm, nước giải khát.
+ Hệ thống SCADA cho hệ thống vận chuyển hành lý và hàng hoá tại các
sân bay, bến cảng.
+ Hệ thống SCADA giám sát các giàn khoan, ống dẫn dầu, ống khí.
+ Hệ thống SCADA cho nhà máy nước, xử lý chất thải, các kho xăng
dầu.
+ Hệ thống SCADA cho hệ thống phân phối lưới điện.
+ Hệ thống SCADA giám sát và điều khiển trong các nhà máy hạt
nhân…

Họ và tên : Nguyễn Tuấn Anh

7

Lớp Cao học ĐK& TĐH


Luận văn thạc sĩ khoa học
1.2 Khỏi quỏt v i 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
cơng, do đó chất lượng khơng ổn định bằng, khó cạnh tranh với các hãng khác. Vì
vậy, cơng 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


Luận văn thạc sĩ khoa học
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

H v tờn : Nguyn Tuấn Anh

9

Valve

Valve

Lớp Cao học ĐK& TĐH


Luận văn thạc sĩ khoa học
1.2.1 Cỏc thit b quỏ trình cơng nghệ sản xuất sơn
Các thiết bị của q trình cơng 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 khơng khí có thể gây ra khơ 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 Q trình cơng 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 khơ 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 năng suất pha sơn, hệ thống có 2 thùng chứa sản phẩm, trong
quá trình khuấy đều hỗn hợp sơn trong thùng chứa sản phẩm, hệ thống có thể tiến
hành pha sơn cho thùng chứa chứa sản phẩm khác.
Sau khi quá trình khuấy đề sơn kết thúc , bơm sản phẩm sẽ hút sơn trong
thùng chứa sản phẩm đưa vào các tank chứa sản phẩm để đóng thùng.
1.2.3 Các bài tốn tự động hóa cho nhà máy pha sơn
Cấp nguyên liệu cho thùng chứa trung gian : nguyên liệu được đưa vào từng
thùng tương ứng nhờ hệ thống valve, khi thùng đầy bơm phải tự động ngắt khi đầy.
- Bài toán pha sơn :
Sơn được pha theo tỷ lệ chính xác từ 3 loại nguyên liệu sơn khác nhau.
- Bài toán khuấy trộn :
Nguyên liệu được tuần hoàn liên tục trong các thùng chứa trung gian.
- Bài toán giám sát :
Giám sát thùng chứa trung gian , đưa ra các cảnh bảo thùng chứa đầy hay không
đủ để pha sơn, và các thơng số khác của hệ thống.
- Bài tốn giám sát qua mạng internet

Họ và tên : Nguyễn Tuấn Anh

11

Lớp Cao học ĐK& TĐH


Luận văn thạc sĩ khoa học

CHNG 2 : THIT K 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 tốn cơng 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 cơng nghệ bài tốn cấp ngun liệu

Họ và tên : Nguyễn Tuấn Anh

12

Lớp Cao học ĐK& TĐH


Luận văn thạc sĩ khoa học
Hỡnh 2.1 - S cơng nghệ bài tốn cấp ngun 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 khơng tồn đọng trên
đường ống sau q trình cấp ngun liệu.
Các tank chứa trung gian ln ln trong trạng thái kín, khơng tiếp xúc với
khơng khí, để giúp cho sơn khơng bị khơ, đóng cục, sẽ làm giảm chất lượng sơn, do
đó tất cả các valve trên đường ống là valve thường đóng.
Trong q 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


Luận văn thạc sĩ khoa học
2.1.2 Bi toỏn khuy trn 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 khơ, 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 tốn khuấy trộn ngun liệu

Hình 2.2 - Sơ đồ cơng 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


Luận văn thạc sĩ khoa học
2.1.3 Bi toỏn pha sn
- Bài tốn :
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 tốn 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 cơng nghệ bài toán pha sơn
- Giải pháp :
Nguyên liệu để pha sơn mỗi mẻ có khối lượng riêng khác nhau, vì thế cơng
nghệ pha sơn dùng tỷ lệ thể tích để pha sơn đạt chất lượng cao hơn. Do đó trong bài
tốn này chúng ta khơng 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


Luận văn thạc sĩ khoa học

- S 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 cịn 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 cịn 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


Luận văn thạc sĩ khoa học
Giỏ tr th tớch i 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 q
trình pha sơn. Thiết kết tự động hóa bao gồm tồn bộ các Transmistters, valve,
sensor, PLC, máy tính, máy in, dây tín hiệu và dây điều khiển nhằm tăng độ an
tồn, tin cậy trong vận hành q 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
Q 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 tồn, và sai
số cho phép.
Các thơng số này được theo dõi và cập nhật liên tục trên màn hình vi tính tại
phịng điều khiển trung tâm. Thơng số về khối lượng và lưu lượng sơn phải được
hiển thị tại chỗ. Ngồi ra thơng số q khứ được lưu lại dưới dạng bản đồ và đồ thị.
Các tín hiệu cảnh báo trên màn hình để thơng 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

Luận văn thạc sĩ khoa học
- Yờu cu v h 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 mơi
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 chun 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 khơng có khả năng mở rộng. Một số cũng được tích hợp giao diện truyền thơng
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


Luận văn thạc sĩ khoa học

Hỡnh 2.5 H iu 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 mơi trường làm việc cơng nghiệp.
+ PLC có tính linh hoạt, dễ dàng thay đổi chương trình khi cần thay đổi cơng
nghệ. Khả năng mở rộng số đầu vào – ra đơn giản.
+ Xây dựng thuật tốn 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


Luận văn thạc sĩ khoa học
+ Cỏc thit b iu 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 tồn cơng nghệ.
+ Các phần mềm đi kèm với thiết bị điều khiển như : phần mềm giám sát
Rsview32, phần mềm lập trình Rslogix rất thơng 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 trị master hoặc slaver tùy theo
u cầu cơng nghệ và thiết kế, có giao diện mạng truyền thơng 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 hoạt bằng gói phần mềm VBA tích hợp cùng phần mềm
SCADA.
+ Chỉ tiêu về kinh tế
Các thiết bị điều khiển của Allen-Bradley rất đa dạng về chủng loại, phong phú
trên thị trường, ứng dụng trong hầu hết các ngành sản xuất quan trọng như dầu khí,
điện, hóa chất…Thiết bị dễ thay thế vì vậy thuận tiện trong quá trình thay thế bảo trì
và sửa chữa.
Thiết bị được sản xuất hàng loạt, nhiều chủng loại khác nhau, giá cả hợp lý vì
vậy rất dễ lựa chọn cho bài tốn cơng nghệ yêu cầu, giúp tối ưu về bài toán kinh tế.
2.2.2 Hệ thống điều khiển SLC-500của Allen-Bradley
Trên cơ sở phân tích trên về thiết bị điều khiển, tác giả đã chọn bộ điều khiển
SLC-500 của Allen-Bradley cho đề tài.
Bộ điều khiển SLC-500 đóng vai trị là bộ điều khiển trung tâm vừa thực hiện
chức năng vận hành điều khiển các thiết bị chấp hành, thu thập thơng số cảm biến,
ngồi ra cịn thực hiện chức năng truyền thơng đưa các tín hiệu trường về trạm vận
hành để thực hiện quá trình giám sát. Cấu trúc hệ điều khiển tự động gồm có :
2.2.2.1 CPU SLC-5/03-L532-OS302
Có khả năng mở rộng quản lý đến 4096 cổng vào số và 4096 cổng ra số, và
kênh tương tự tối đa là 480.
Bộ nhớ chương trình lớn 12K.

Thời gian thực hiện 1 vịng qt: 1ms/K.
Được gắn 2 cổng truyền thông gồm DH-485 và RS-232.Các dạng truyền thông
cho phép: DH485, RS-232

(DF1 Full-duplex, DF1 Half-duplex master/slave,

DF1Radio Modem, DH-485, hoặc ASCII), Data Highway Plus (DH+), Ethernet
TCP/IP (thông qua module giao tiếp 1761-NET-ENI), ControlNet (thông qua

Họ và tên : Nguyễn Tuấn Anh

21

Lớp Cao học ĐK& TĐH


Luận văn thạc sĩ khoa học
module giao tip 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 thơng 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
thơng 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


Luận văn thạc sĩ khoa học
2.2.2.5Module High Speed Counter 1746-HSCE
õy 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 tồn
bộ hệ thống PLC có các thơng số sau:
+ Nguồn cấp vào: 220VAC
+ Nguồn ra: 24VDC
+ Công suất: 240W
2.2.2.7 Truyền thơng kết nối máy tính cho PLC
Sử dụng cổng truyền thơng 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 các bài tốn cơng nghệ của dây chuyền sản xuất sơn, đề tài đặt ra yêu cầu
theo dõi 3 thông số :
+ Mức sơn trong tank chứa trung gian.
+ Thể tích sơn đi qua đường ống pha sơn.
Trên cơ sở các yêu cầu về công nghệ tác giả đưa ra các giải pháp chọn lựa thiết
bị trường phù hợp yêu cầu kỹ thuật và kinh tế của bài toán.
2.3.1 Cảm biến siêu âm
Theo phân tích về các bài tốn điều khiển, dây chuyền công nghệ cần theo dõi
mức sơn trong tank để tránh tràn thùng chứa sơn khi cấp nguyên liệu và tránh
trường hợp thiếu sơn trong quá trình pha sơn. Do đó việc đo mức sơn trong tank
chứa khơng cần độ chính xác cao. Ngồi ra do trong cơng nghệ sản xuất sơn, các
tank chứa phải được làm sạch thường xun, vì vậy trong trường hợp dây chuyền
cơng nghệ sản xuất sơn, em đề xuất phương pháp đo mức sơn bằng cảm biến đo
mức sử dụng sóng siêu âm.
Tổng quan cảm biến đo mức bằng phương pháp siêu âm :
Trên thị trường có tới trên nhiều loại cảm biến đo mức khác nhau, tìm được một
loại cảm biến phù hợp với điều kiện và yêu cầu là một điều không dễ dàng. Một
trong những loại thông thường được sử dụng nhiều nhất hiện nay là cảm biến đo
mức dựa trên cơng nghệ sóng siêu âm.
Cảm biến mức dùng sóng âm đã có mặt trên thị trường nhiều năm nay và được
coi như một công nghệ đáng tin cậy dùng để đo mức thông qua những thử thách
khắc nghiệt trong công nghiệp. Cảm biến siêu âm đo mức là dạng đầu đo không tiếp
xúc và giá cả phải chăng dùng cho phần lớn các loại tank chứa chất lỏng dạng thẳng

đứng

Họ và tên : Nguyễn Tuấn Anh

24

Lớp Cao học ĐK& TĐH