Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết kế hệ tự động giám sát các thông số của mô hình nhà máy nhiệt điện dầu V10CF d0 125 ứng dụng trong đào tạo

....

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP H NI

-----------------------o0o-------------------------

TRƯƠNG VĩNH THịNH

NGHIấN CU, THIT K H T ðỘNG GIÁM SÁT
CÁC THƠNG SỐ CỦA MƠ HÌNH NHÀ MÁY NHIỆT
ðIỆN DẦU V10CF/D0/125 - ỨNG DỤNG TRONG ðÀO TẠO.”

Chuyên ngành: ðiện khí hố sản xuất nơng nghiệp và nơng thơn
Mã số

: 60 52 54

Người hướng dẫn khoa học: TS. HOÀNG NGỌC NHÂN

HÀ NỘI – 2010


LỜI CAM ðOAN
Tơi xin cam đoan rằng: số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực
và chưa hề sử dụng ñể bảo vệ một học vị nào.
Tơi xin cam đoan rằng: mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn ñã ñược cảm ơn
và các thơng tin trích dẫn trong luận văn đều được chỉ rõ nguồn gốc.
Tác giả luận văn

Trương Vĩnh Thịnh

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ..................i


LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận văn, tơi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt
tình của các tập thể và cá nhân các Thầy Cô giáo: Trường ðHNN Hà Nội, Trường
ðHBK Hà Nội, Trường ðHðL Hà Nội và của các bạn bè, đồng nghiệp.
Tơi xin chân thành cảm ơn TS. Hoàng Ngọc Nhân, Thạc sỹ Vũ Duy Thuận, Thạc sỹ
Lã Văn Thắng Trường ðHðL Hà Nội. Cảm ơn các Thầy Cô giáo trong Bộ môn ñiện,
Khoa cơ ñiện, Viện sau ñại học Trường ðHNN Hà Nội. Cảm ơn Khoa cơng nghệ tự
động - Trường ðHðL Hà Nội. Cảm ơn các bạn bè và ñồng nghiệp đã tận tình giúp đỡ
tơi nghiên cứu hồn thành luận văn này.
Trong q trình nghiên cứu và hồn thành luận văn, vì thời gian và trình độ có hạn,
nên khơng tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được ý kiến đóng góp chân
thành của các Thầy Cơ và bạn bè ñồng nghiệp.

Tác giả luận văn

Trương Vĩnh Thịnh

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ..................ii


MỤC LỤC.

Trang
Lời cam ñoan....................................................................................................................i
Lời cảm ơn.......................................................................................................................ii
Mục lục...........................................................................................................................iii

Danh mục các bảng.........................................................................................................vi
Danh mục các hình.........................................................................................................vii
MỞ ðẦU.

1

1. ðặt vấn đề...................................................................................................................1
2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu của luận văn....................................................2
2.1. Mục đích nghiên cứu của ñề tài...............................................................................2
2.2. Nhiệm vụ nghiên cứu của ñề tài...............................................................................2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT……3
1.1. ðịnh nghĩa hệ thống SCADA……………………………………….....................3
1.2. Phân loại hệ thống SCADA…………………………………...………........…....4
1.3. Những chuẩn ñể ñánh giá một hệ thống SCADA……………............................5
1.4 Cấu trúc chung của hệ SCADA…………………………………….............……6
1.5 Mơ hình phân cấp chức năng……………………………………........................8
1.5.1 Mơ hình phân cấp……………………………………………….....…..…….……8
1.5.2 Chức năng nhiệm vụ từng cấp…………………………………………..........….10
1.6. Kết luận…………………………………………………………………...……...12
CHƯƠNG 2. KHẢO SÁT MƠ HÌNH NHÀ MÁY NHIỆT ðIỆN
V10CF/D0/125 ……………………………………………………………………….13
2.1. Giới thiệu về mơ hình nhà máy nhiệt điện…………………..…...…......……..13
2.2. Hiện trạng của mơ hình nhà máy nhiệt điện……………......…...……..…..…18
2.3. Giải pháp tự động hóa cho mơ hình nhà máy điện……...…….....………..…18
2.3.1. Bảo dưỡng, vận hành lại mơ hình nhà máy nhiệt điện………………..………...18

Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ..................iii


2.3.2. Tự động hố cho nhà máy nhiệt điện…………………………………..………..19

2.3.3. u cầu bài tốn thực tế cho giám sát mơ hình nhà máy nhiệt ñiện…..……....…..…....20

2.4. Kết luận…………………………………………………………………………………21
CHƯƠNG 3. GIẢI PHÁP THỰC HIỆN……………………………….…...……....22
3.1. Lựa chọn cấu trúc phần cứng cho hệ ñiều khiển giám sát………..…………..22
3.1.1. Lựa chọn phần cứng…………………………………………………..…..….…23
3.1.1.1. Sơ ñồ cấu trúc phần cứng……………………………………………..…...….23
3.1.1.2. Thiết bị phần cứng……………………………………………………..….......23
3.1.2. Sơ ñồ ñấu dây ñầu vào module SM 331 8AI 13 bits………………...…..….......24
3.2. Nghiên cứu kỹ thuật phần cứng hệ SIMATIC PLC S7 – 300….………..……27
3.2.1. Những khái niệm chung về PLC………………………………………………..27
3.2.2. Các module của PLC S7-300…………………………………………..………..29
3.2.3. Cấu trúc bộ nhớ của PLC S7 – 300…………………………………………......32
3.2.4. Vịng qt chương trình .…………………………………….……..…...............34
3.2.5. Cấu trúc chương trình…………………………………………………... ……...35
3.2.6. Ngơn ngữ lập trình……………………………………………………...............36
3.3. Phần mềm lập trình………….……………………………………………….....37
3.4. Các bước ñể tạo một Project mới với WinCC (Xem phụ lục 1)……………...37
3.5. Chương trình thu thập và xử lý thơng tin đo được từ cảm biến……………..38
3.5.1. Chương trình chính thu thập và xử lý thơng tin…………….….…………..…...38
3.5.2. Chương trình con…….…………………………………………….…………...40
3.5.2.1. Thuật tốn qt dữ liệu……………………………………….…….…….......40
3.5.2.2. Thuật tốn chuyển đổi………………………………………….….………….41
3.5.2.3. Thuật tốn ñọc và hiển thị kết quả……………………………….……...........42
3.5.2.4. Thuật toán chuyển ñổi giá trị ñặt………………………………….…….…....43
3.6. Khảo sát, thực nghiệm các ñường ñặc tuyến của cảm biến và xây dựng hàm
của các ñầu vào tương tự……………………………………………...……….….....44

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ..................iv

3.6.1. Khảo sát các ñường ñặc tuyến……………………………………….………....44
3.6.2. Thực nghiệm các ñường ñặc tuyến trên PLC……………………………..........45
3.6.3. Xây dựng ñồ thị biểu diễn quan hệ giữa ñầu vào và ñầu ra………………….....47
3.6.4. Xây dựng hàm……………………………………………..…………..……......47
3.6.4.1. Cơ sở lý thuyết……………………………………………………………......47
3.6.4.2. Phần lập trình xây dựng hàm (phụ lục 2)………………………………….…48
3.7. Khảo sát thực nghiệm ñầu vào số………………………………………….….. 48
3.8. Chương trình giám sát và thu thập từ cảm biến (phụ lục 3)…………..….…..50
3.9. Phần mềm thiết kế giao diện giám sát………………………............................50
3.10. Thiết kế cấu hình mạng MPI cho việc truyền thông giữa PLC – PC – TP177A
(phụ lục 4) …………………………………………………………………………..…53

3.11. Phần mềm thiết kế giao diện với màn hình cảm ứng…………………….......54
3.11.1. Xây dựng phần mềm giao diện giữa người và màn hình cảm ứng.………..….56
3.11.2. Xây dựng phần mềm giao diện cảnh báo, báo cáo hệ thống…………….…….56
3.12. Giới hạn các thơng số và đánh giá về sai số......................................................58
3.13. Kết luận…………………………………………………………………………59
KẾT LUẬN, ðỀ XUẤT GIẢI PHÁP………………….…………………………....60

Tài liệu tham khảo……………………………….……………………………..…..61
Phụ lục 1. Các bước ñể tạo một Project mới với WinCC………...………………..….62
Phụ lục 2. Lập trình xây dựng hàm...............................................................................69
Phụ lục 3. Chương trình giám sát thu thập từ cảm biến...............................................78
Phụ luc 4. Thiết kế cấu hình mạng MPI cho việc truyền thông giữa PLC-PC-Tp177A..90

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ..................v


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1. Các ñại lượng và số lượng ñiểm cần giám sát tự ñộng……………..............20
Bảng 3.1. So sánh đặc điểm các ngun lý điều khiển chính trong cơng nghiệp……..22
Bảng 3.2. Miêu tả dải ño của Module Analog SM 331 8AI 13 bits…….......................24
Bảng 3.3. Hệ thống cảm biến và thiết bị cảnh báo………………..……………...........27
Bảng 3.4: Qui tắc xác ñịnh ñịa chỉ cho các module số và module tương tự…………..31
Bảng 3.5. ðịa chỉ vào/ra của module: (CPU 313C & SM 331 8AI 13bits)………...…32
Bảng 3.6. Quy ước ñịa chỉ các ñầu vào PLC của cảm biến……………..…………….38
Bảng 3.7. Quy ước ñịa chỉ các ñầu ra cảnh báo…………………………………….... 38
Bảng 3.8. Giao diện cảnh báo hệ thống thu thập dữ liệu…………..………………….57
Bảng 3.9. Màn hình hiển thị các giá trị ño theo thời gian…………………..................58

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ..................vi


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Cấu trúc chung của hệ SCADA…………………………………………....…6
Hình 1.2. Tổ chức truy cập ……………………………...…………………….………..7
Hình 1.3. Mơ hình phân cấp………………………………………………………….... 8
Hình 2.1. Hình ảnh tổng thể của mơ hình nhà máy nhiệt điện……………………...... 13
Hình 2.2. Sơ đồ cơng nghệ của mơ hình nhà máy nhiệt điện………………………….14
Hình 2.3. Turbine và máy phát………………………………………………………...16
Hình 2.4. Sơ đồ cấu trúc của hệ SCADA cho mơ hình nhà máy điện………………...20
Hình 2.5. Sơ đồ các điểm đo của mơ hình nhà máy nhiệt điện………………………..21
Hình 3.1. Sơ ñồ cấu trúc phần cứng ứng dụng cho hệ điều khiển giám sát…………...23
Hình 3.2. Sơ đồ đấu dây kỹ thuật khi đầu vào là V…………………………………...25
Hình 3.3. Sơ đồ ñấu dây kỹ thuật khi ñầu vào là mA....................................................25
Hình 3.4. Sơ đồ đấu dây các cảm biến vào module SM331..........................................26
Hình 3.5. Nguyên lý chung về cấu trúc của một bộ điều khiển logic khả trình……….28
Hình 3.6. Sơ đồ bố trí các Modul của PLC…………………………...…………….....30
Hình 3.7. Vịng qt chương trình………………………………………………….....34

Hình 3.8. Sơ đồ khối kiểu lập trình tuyến tính……………………...………………....35
Hình 3.9. Sơ đồ khối kiểu lập trình có cấu trúc…………………………………….....35
Hình 3.10. Ba kiểu ngơn ngữ lập trình chính chính của S7-300………...…………….36
Hình 3.11. Thuật tốn chính thu thập và xử lý thơng tin đo được từ cảm biến.……....39
Hình 3.12. Thuật tốn qt dữ liệu………………………………………...………….40
Hình 3.13. Thuật tốn chuyển đổi....……………………………...……………….......41
Hình 3.14. Thuật tốn đọc và hiển thị kết quả………………………………………...42
Hình 3.15. Thuật tốn cảnh báo q giá trị đặt……………………………………......43
Hình 3.16. ðặc tuyến quan hệ giữa Nhiệt độ với điện trở của Pt100……………...….44
Hình 3.17. ðặc tuyến quan hệ giữa Ura với cảm biến áp suất (Pressure sensor)……..44
Hình 3.18. Thực nghiệm quan hệ giữa Nhiệt độ với số hóa trong PLC của Pt100...….45

Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ..................vii


Hình 3.19. Thực nghiệm quan hệ giữa Dịng điện với số hóa trong PLC……..............46
Hình 3.20. ðồ thị biểu diễn quan hệ giữa đầu vào và đầu ra……………….................47
Hình 3.21. Giao diện chính trên màn hình giám sát………………...……………........50
Hình 3.22. Giao diện calib trước khi đo…………………………………………….....51
Hình 3.23. Giao diện dạng biểu đồ……………………………………...….................52
Hình 3.24. Giao diện đồ hoạ…………………………………………………..........…53

Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ..................viii


MỞ ðẦU.
1. ðẶT VẤN ðỀ.
Khát vọng về một thế giới ngày càng có nhiều điện năng hơn chưa từng được thỏa
mãn. ðiều đó địi hỏi phải có những đầu tư cho việc nghiên cứu các nguồn năng lượng
khác nhau. Bên cạch các nguồn năng lượng truyền thống như thuỷ ñiện, nhiệt điện cịn

có các nguồn năng lượng khác như năng lượng tái tạo, năng lượng gió, năng lượng địa
nhiệt, năng lượng mặt trời, năng lượng hạt nhân...
Nhu cầu sử dụng ñiện năng của nước ta ngày càng cao cùng với sự phát triển về kinh
tế xã hội. Vì vậy trong những năm gần ñây dự án các nhà máy ñiện đã và đang được
phát triển nhanh chóng. ðịi hỏi phải có một nguồn nhân lực chất lượng cao, đặt biệt
trong lĩnh vực tự động điều khiển, do đó việc đào tạo sát với thực tiễn là rất cần thiết.
Hiện nay hàng năm nước ta sản xuất ra khoảng 50 tỷ KWh. Theo quy hoạch phát triển
của ðiện lực Việt nam, trong năm 2010 sẽ xây dựng thêm 32 nhà máy ñiện với tổng
công suất 9500MW và ñến năm 2020, khi nước ta cơ bản trở thành nước cơng nghiệp
thì phải cần ñến 250 tỷ KWh.
ðể nâng cao chất lượng ñiện năng, địi hỏi các nhà máy điện phải được tự ñộng hoá ở
mức cao. Trong hệ thống tự ñộng, việc giám sát tự động các thơng số của nhà máy ñiện
là công ñoạn ñầu tiên và rất quan trọng của q trình, nó quyết định đến hoạt
động chính xác hay không của hệ thống. Việc giám sát này không những góp phần
tự động hố của hệ thống mà cịn giúp cho q trình giám sát biến đổi nhanh được tốt
hơn, nhằm phân tích các q trình cơng nghệ một cách hiệu quả.
ðược sự hướng dẫn của Giảng viên: TS. Hoàng Ngọc Nhân. Trường ðại học ðiện lực
Hà nội và các Thầy cơ trong khoa cơ điện Trường ðại học Nơng nghiệp Hà nội, chúng
tơi chọn đề tài luận văn:
“ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ TỰ ðỘNG GIÁM SÁT
CÁC THÔNG SỐ CỦA MƠ HÌNH NHÀ MÁY NHIỆT
ðIỆN DẦU V10CF/D0/125 - ỨNG DỤNG TRONG ðÀO TẠO.”

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ..................1


2. MỤC ðÍCH VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU CỦA ðỀ TÀI.
2.1. MỤC ðÍCH NGHIÊN CỨU CỦA ðỀ TÀI.

Nghiên cứu cấu trúc của hệ thu thập và giám sát dữ liệu, từ đó làm cơ sở thiết kế hệ

thống giám sát tự động, ứng dụng cho mơ hình nhà máy Nhiệt ñiện dầu V10CF/D0/125
tại Trường ðại học ðiện lực Hà Nội.
Nâng cao khả năng thực hiện các dự án tự ñộng hố trong nhà máy điện cũng như
trong các nhà máy công nghiệp khác.
Giúp nâng cao khả năng nghiên cứu của giảng viên ñể nâng cao chất lượng ñào tạo
cho sinh viên của các ngành: Năng lượng, tự động hố, hệ thống ñiện…
Là giáo cụ dạy học cho sinh viên ngành năng lượng, tự động hố và hệ thống điện.
Hệ thống này là mơ hình thu nhỏ của các nhà máy ñiện, do vậy sẽ giúp sinh viên sau
khi ra trường có thể làm quen và tiếp cận cơng nghệ sản xuất trong các nhà máy ñiện
một cách nhanh nhất.
2.2. NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU CỦA ðỀ TÀI.

2.2.1. Tìm hiểu cấu trúc của hệ thu thập và giám sát dữ liệu.
2.2.2. Khảo sát mơ hình nhà máy nhiệt điện V10CF/D0/125 tại trường ðH ðiện lực.
2.2.3. Khảo sát các ñiểm ño:(nhiệt ñộ, ñiện áp, dịng điện, tốc độ...), lựa chọn các cảm
biến sử dụng cho hệ thống.
2.2.4. Nghiên cứu thiết bị ñiều khiển quá trình.
Nghiên cứu phần cứng và phần mềm SIMATIC S7 – 300.
Nghiên cứu phần mềm giao diện ñiều khiển WINCC của hãng SIEMENS.
2.2.5. Nghiên cứu thực nghiệm.
Khảo sát, thực nghiệm quan hệ ñặc tuyến của các cảm biến với các chỉ số trong PLC.
Xây dựng chương trình phần mềm giám sát tự ñộng cho hệ thống trên nền hệ thiết bị
điều khiển logic khả trình (PLC S7 – 300).

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ..................2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN VÀ
GIÁM SÁT.
Hệ thống điều khiển và giám sát bao gồm tồn bộ các giải pháp hệ thống nhằm bảo

ñảm các yêu cầu chức năng của quá trình kỹ thuật như: năng suất, chất lượng, an tồn
cho người, máy móc và mơi trường. Cụ thể quan hệ giữa các ñại lượng ñầu vào và đầu
ra của q trình kỹ thuật phải được điều khiển theo một mơ hình cho trước trong khi có
tác động của mơi trường xung quanh, đồng thời ảnh hưởng xấu của q trình kỹ thuật
đối với con người và mơi trường xung quanh phải được giảm thiểu. Hiện nay, hệ thống
điều khiển giám sát có xu hướng phát triển theo sự tích hợp. Tùy thuộc vào quy mơ sản
xuất mà người ta áp dụng mơ hình hệ thống ñiều khiển khác nhau. Với các hệ thống
vừa và nhỏ, số lượng điểm đo và thiết bị thường ít thì hay sử dụng hệ SCADA; cịn đối
với các hệ thống lớn, người ta thường sử dụng hệ DCS. Qua nghiên cứu, khảo sát thực
nghiệm về mơ hình nhà máy nhiệt ñiện V10CF/D0/125 tại trường ðại học ðiện lực,
chúng tôi lựa chọn hệ SCADA ñể ñiều khiển và giám sát.
1.1. ðịnh nghĩa hệ thống SCADA.
SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition): là một hệ thống ñiều khiển
giám sát và thu thập dữ liệu, nói một cách khác là một hệ thống hỗ trợ con người trong
việc giám sát và ñiều khiển từ xa, ở cấp cao hơn hệ ñiều khiển tự ñộng thơng thường.
ðể có thể điều khiển và giám sát từ xa thì hệ SCADA phải có hệ thống truy cập, truyền
tải dữ liệu cũng như hệ giao diện người và máy (HMI - Human Machine Interface).
Trong hệ thống ñiều khiển giám sát thì HMI là một thành phần quan trọng khơng chỉ ở
cấp điều khiển giám sát mà ở các cấp thấp hơn người ta cũng cần giao diện người và
máy ñể phục vụ cho việc quan sát và thao tác vận hành ở cấp điều khiển cục bộ.Vì lý
do giá thành, đặc điểm kỹ thuật nên các màn hình vận hành (OP - Operator Panel),
màn hình chạm (TP - Touch Panel), Multi Panel chuyên dụng ñược sử dụng nhiều và
chiếm vai trị quan trọng hơn.

Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ..................3


Nếu nhìn nhận SCADA theo quan điểm truyền thống thì nó 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 ñể xử lý. Trong các hệ thống như vậy thì hệ truyền thơng và phần cứng được

đặt lên hàng đầu và cần sự quan tâm nhiều hơn. Trong những năm gần ñây sự tiến bộ
vượt bậc của công nghệ truyền thông cơng nghiệp và cơng nghệ phần mềm trong cơng
nghiệp đã ñem lại nhiều khả năng và giải pháp mới nên trọng tâm của công việc thiết
kế xây dựng hệ thống SCADA là lựa chọn công cụ phần mềm thiết kế giao diện và các
giải pháp tích hợp hệ thống.
1.2. Phân loại hệ thống SCADA.
Các hệ thống SCADA ñược phân làm bốn nhóm chính với các chức năng:
- SCADA độc lập / SCADA nối mạng.
- SCADA khơng có khả năng đồ hoạ / SCADA có khả năng xử lý đồ hoạ thơng tin thời
gian thực.
Bốn nhóm chính của hệ thống SCADA:
Hệ thống SCADA mù (Blind): ðây là hệ thống ñơn giản, nó khơng có bộ phận giám
sát. Nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống này thu thập và xử lý dữ liệu bằng đồ thị. Do tính
đơn giản nên giá thành thấp.
Hệ thống SCADA xử lý đồ hoạ thơng tin thời gian thực: ðây là hệ thống SCADA có
khả năng giám sát và thu thập dữ liệu. Nhờ tập tin cấu hình của máy khai báo trước đây
mà hệ có khả năng mơ phỏng tiến trình hoạt động của hệ thống sản xuất. Tập tin cấu
hình ghi lại trạng thái hoạt ñộng của hệ thống. Khi xảy ra sự cố thì hệ thống có thể báo
cho người vận hành để xử lý kịp thời. Cũng có thể hệ sẽ phát ra tín hiệu điều khiển
dừng hoạt động của tất cả máy móc.
Hệ thống SCADA độc lập: ðây là hệ có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu với một
bộ vi xử lý. Hệ này chỉ có thể điều khiển được một hoặc hai máy móc. Vì vậy hệ này
chỉ phù hợp với những sản xuất nhỏ, sản xuất chi tiết.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ..................4


Hệ thống SCADA mạng: ðây là hệ có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu với nhiều
bộ vi xử lý. Các máy tính giám sát được nối mạng với nhau. Hệ này có khả năng điều
khiển được nhiều nhóm máy móc, tạo nên dây chuyền sản xuất. Qua mạng truyền

thơng, hệ thống được kết nối với phịng quản lý, phịng điều khiển, có thể nhận quyết
định điều khiển trực tiếp từ phòng quản lý hoặc từ phòng thiết kế. Từ phịng điều khiển
có thể điều khiển hoạt động của các thiết bị ở xa.
1.3. Những chuẩn ñể ñánh giá một hệ thống SCADA.
ðể ñánh giá một hệ thống ñiều khiển và giám sát SCADA ta cần phải phân tích các
đặc điểm của hệ thống theo một số các tiêu chuẩn sau:
Khả năng hỗ trợ của công cụ phần mềm đối với việc thực hiện xây dựng các màn
hình giao diện.
Số lượng và chất lượng của các thành phần ñồ hoạ có sẵn, khả năng truy cập và cách
kết nối dữ liệu từ các quá trình kỹ thuật (trực tiếp từ các cơ cấu chấp hành, sensor,
module vào/ra qua PLC hay các hệ thống bus trường).
Tính năng mở của hệ thống, chuẩn hố các giao diện q trình, khả năng hỗ trợ xây
dựng các chức năng trao ñổi tin tức (Messaging), xử lý sự kiện và sự cố (Event and
Alarm), lưu trữ thông tin (Archive and History) và lập báo cáo (Reporting).
Tính năng thời gian thực và hiệu suất trao đổi thơng tin, đối với nền Windows: hỗ
trợ sử dụng mơ hình phần mềm WINCC.

Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ..................5


1.4. Cấu trúc chung của hệ SCADA.
Cấu trúc chung của hệ SCADA được minh hoạ trong hình 1.1.
HƯ thèng ®iỊu khiển giám sát
NI
Nối trực tiếp

NI

Thiết bị điều khiển tự động
NI

I/O

NI

Nối qua mạng
NI: (Network Interface)
Giao diện mạng
I/O: (Input/Output)
Vào/Ra

I/O

NI

Cảm biến và chấp hành

NI

Qúa trình kỹ thuật

Hỡnh 1.1. Cu trỳc chung ca h SCADA.
Trong hệ thống ñiều khiển giám sát, các cảm biến và cơ cấu chấp hành đóng vai trị là
giao diện giữa thiết bị điều khiển với q trình kỹ thuật. Cịn hệ thống điều khiển giám
sát đóng vai trị là giao diện giữa người và máy. Các thiết bị và các bộ phận của hệ
thống ñược ghép nối với nhau theo kiểu điểm-điểm (Point to Point) hoặc qua mạng
truyền thơng. Tín hiệu thu được từ cảm biến có thể là tín hiệu nhị phân, tín hiệu số
hoặc tương tự. Khi xử lý trong máy tính, chúng phải được chuyển đổi cho phù hợp với
các chuẩn giao diện vào/ra của máy tính.
Các thành phần chính của hệ thống SCADA bao gồm:

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ..................6


Giao diện quá trình: bao gồm các cảm biến, thiết bị ño, thiết bị chuyển ñổi và các cơ
cấu chấp hành.
Thiết bị ñiều khiển tự ñộng: gồm các bộ ñiều khiển chun dụng (PID), các bộ điều
khiển khả trình PLC (Programmable Logic Controller), các thiết bị ñiều chỉnh số ñơn
lẻ CDC (Compact Digital Controller) và máy tính PC với các phần mềm ñiều khiển
tương ứng.
Hệ thống ñiều khiển giám sát: gồm các phần mềm và giao diện người và máy HMI,
các trạm kỹ thuật, trạm vận hành, giám sát và ñiều khiển cao cấp.
Hệ thống truyền thông: ghép nối ñiểm-ñiểm, bus cảm biến/chấp hành, bus trường,
bus hệ thống.
Hệ thống bảo vệ, cơ chế thực hiện chức năng an tồn.
Giao diƯn
ng−êi - máy

Lập báo cáo
tự động

Cảnh báo,
báo động

Điều khiển
cấp cao

Cơ sở dữ liệu
quá trình

I/O Server

I/O Driver

Hỡnh 1.2. T chc truy cp.

Trng ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ..................7


1.5. Mơ hình phân cấp chức năng.
1.5.1. Mơ hình phân cấp.
Tồn bộ hệ thống điều khiển giám sát được phân chia thành các cấp chức năng như
hình vẽ minh hoạ di ủõy:
Quản lý
công ty

PC

Điều hành
sản xuất

Điều khiển
giám sát

Điều khiển

Chấp hành
Qúa tr×nh kü tht

Hình 1.3. Mơ hình phân cấp.

ðể sắp xếp, phân loại các chức năng tự động hố của một hệ thống ñiều khiển và giám
sát người ta thường sử dụng mơ hình như trên. Với loại mơ hình này các chức năng
ñược phân thành nhiều cấp khác nhau, từ dưới lên trên. Càng ở những cấp dưới thì các
chức năng càng mang tính chất cơ bản hơn, địi hỏi yêu cầu cao hơn về ñộ nhanh nhạy,
thời gian phản ứng. Một chức năng ở cấp trên ñược thực hiện dựa trên các chức năng ở
cấp dưới nhưng ngược lại lượng thơng tin cần trao đổi và xử lý lại lớn hơn nhiều.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ..................8


Việc phân cấp chức năng sẽ tiện lợi cho việc thiết kế hệ thống và lựa chọn thiết bị.
Tuỳ thuộc vào mức độ tự động hố và cấu trúc hệ thống cụ thể mà ta có mơ hình phân
cấp chức năng.
Cấp chấp hành: Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường, dẫn động và
chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết. Thực tế, ña số các thiết bị cảm biến hay
chấp hành cũng có phần điều khiển riêng cho việc thực hiện ño 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 thông tin trước khi ñưa lên cấp trên ñiều khiển.
Cấp ñiều khiển: Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thơng tin từ các bộ cảm
biến, xử lý các thơng tin đó theo một thuật tốn nhất định và truyền đạt lại kết quả
xuống các bộ chấp hành. Máy tính đảm nhận việc theo dõi các cơng cụ đo lường, tự
thực hiện các thao tác nhấn nút mở, đóng van, điều chỉnh cần gạt, núm xoay…ðặc tính
nổi bật của cấp điều khiển là xử lý thơng tin. Cấp điều khiển và cấp chấp hành hay
ñược gọi chung là cấp trường (Field level) chính vì các bộ điều khiển, cảm biến và
chấp hành ñược cài ñặt trực tiếp tại hiện trường gần kề với hệ thống kỹ thuật.
Cấp điều khiển giám sát: có chức năng giám sát và vận hành một quá trình kỹ thuật,
có nhiệm vụ hỗ trợ người sử dụng trong việc cài ñặt ứng dụng, thao tác theo dõi, giám
sát vận hành và xử lý những tình huống bất thường. Ngồi ra trong một số trường hợp,
cấp này cịn thực hiện các bài tốn điều khiển cao cấp như điều khiển phối hợp, điều
khiển trình tự và điều khiển theo công thức. Việc thực hiện các chức năng ở cấp điều

khiển và giám sát thường khơng địi hỏi phương tiện, thiết bị phần cứng đặc biệt ngồi
máy tính thơng thường.
Thơng thường người ta chỉ coi ba cấp dưới thuộc phạm vi của một hệ thống ñiều khiển
và giám sát. Tuy nhiên biểu thị hai cấp trên cùng (Quản lý công ty và ðiều hành sản
xuất) sẽ giúp ta hiểu thêm một mơ hình lý tưởng cho cấu trúc chức năng tổng thể cho
các công ty sản xuất công nghiệp. Gần ñây, do nhu cầu tự ñộng hoá tổng thể kể cả ở
các cấp ñiều hành sản xuất và quản lý cơng ty, việc tích hợp hệ thống và loại bỏ các

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ..................9


cấp trung gian khơng cần thiết trong mơ hình chức năng trở nên cần thiết. Cũng vì thế,
ranh giới giữa cấp điều hành sản xuất nhiều khi khơng rõ ràng, hình thành xu hướng
hội nhập hai cấp này thành một cấp duy nhất gọi chung là cấp ñiều hành.
1.5.2. Chức năng nhiệm vụ từng cấp.
Một hệ thống sản xuất công nghiệp thường ñược tổ chức phân nhiệm thành nhiều cấp
quản lý. Mỗi cấp có nhiệm vụ đo lường, thu thập và ñiều khiển riêng lên những ñối
tượng trong hệ thống. Các đối tượng máy móc thường lắp đặt trong địa phương của cấp
quản lý phân xưởng xí nghiệp cấp dưới ñồng thời cũng có một ñặc ñiểm nữa là một ñối
tượng tuy thuộc giám sát, ñiều khiển của cấp trên về mặt sản xuất nhưng cũng thuộc sự
giám sát, ñiều khiển vật lý cụ thể về mặt vận hành chuẩn ñoán và bảo dưỡng của các
cấp khác thấp hơn. Những ñiều này là cơ sở chỉ ñạo cho việc tổ chức các cấp SCADA
quản lý hệ thống sản xuất ngày nay. Những ngun tắc chính sau:
Thơng thường về tổ chức kết cấu của mỗi cấp quản lý ñược trợ giúp tự động hố bằng
một hệ SCADA của cấp ấy. Cấp SCADA phân xưởng ở cấp dưới thấp sẽ thực hiện
việc thu thập số liệu trên máy móc phân xưởng có sự phân loại rõ máy móc thiết bị nào
được quản lý về sản xuất bởi cấp SCADA nào. Các số liệu phân loại này sẽ ñược các
SCADA truyền tin báo cáo từ cấp dưới lên cấp trên theo nhịp gọi của các SCADA cấp
cao hơn một cấp cho ñến cấp cần thu thập dữ liệu, hiển thị, in ấn, sử dụng cho ñiều
khiển sản xuất ở các cấp.

Mỗi cấp sẽ thực hiện bài tốn phân tích, tính tốn được giao và tính được ra các lệnh
thao tác thay đổi tăng hay giảm chỉ tiêu đóng cắt các đối tượng của mình, qua hệ truyền
tin gửi lệnh đó đến cấp SCADA có liên quan để thực hiện. ðể giải quyết những bài
tốn điều khiển phân tích riêng này của mình, thì SCADA mỗi cấp thường ñược trang
bị thêm những phần cứng máy tính, phần mềm phân tích chuyên dụng. Những thiết bị
này lấy số liệu hiện hành từ SCADA cung cấp để giải bài tốn đó và xuất ra kết quả
cho người vận hành và cho hệ SCADA.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ..................10


Chức năng của mỗi cấp SCADA cung cấp những dịch vụ sau:
Thứ nhất: là thu thập từ xa (qua ñường truyền số liệu) các số liệu về sản xuất và tổ
chức việc lưu giữ trong nhiều loại cơ sở dữ liệu (số liệu lịch sử về sản xuất, sự kiện
thao tác, báo ñộng).
Thứ hai: là dùng các dữ liệu trên ñể cung cấp các dịch vụ về ñiều khiển, giám sát hệ
sản xuất.
Thứ ba: là hiển thị báo cáo tổng kết về quá trình sản xuất (trang màn hình, trang ñồ
thị, trang sự kiện, trang báo ñộng, trang báo cáo sản xuất).
Thứ tư: là điều khiển từ xa q trình sản xuất (đóng cắt các máy móc thiết bị, tăng
giảm nấc phân áp).
Thứ năm: là thực hiện các dịch vụ về truyền số liệu trong hệ và ra ngồi (đọc viết số
liệu PLC/RTU (Remote Teminal Unit), gửi trả lời các bản tin yêu cầu của cấp trên về
số liệu, về thao tác hệ).
Nhìn chung SCADA là một hệ kết hợp phần cứng và phần mềm để tự động hố việc
quản lý giám sát ñiều khiển cho một ñối tượng sản xuất công nghiệp. Tuỳ theo yêu cầu
cụ thể của bài tốn tự động hố ta có thể xây dựng hệ SCADA thực hiện một số những
nhiệm vụ tự động hố như: thu thập giám sát từ xa về ñối tượng, ñiều khiển ñóng
cắt từ xa lên ñối tượng, ñiều chỉnh tự ñộng từ xa với các ñối tượng và các cấp
quản lý.

Các chức năng đó mỗi thứ đều có những yêu cầu ñặc biệt ñối với các bộ phận phần
cứng, phần mềm, phần chuyên trách của SCADA. Cụ thể là phần ño, giám sát từ xa
cần bảo ñảm thu thập dữ liệu hiển thị in ấn ñủ những số liệu cần cho quản lý kỹ thuật.
Phần ñiều khiển thao tác xa phải đảm bảo được việc kiểm tra đóng cắt an tồn, đúng
đắn. Phần truyền tin xa phải quy định rõ các nhiệm vụ truyền số liệu hiện trường, ñặc
biệt là thủ tục truyền với các SCADA cấp trên.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ..................11


1.6. Kết luân. Sau khi nghiên cứu, tìm hiểu về hệ thống điều khiển và giám sát tơi đã:
Hiểu được khái quát hóa về hệ thống SCADA: là một hệ thống điều khiển giám sát
và thu thập dữ liệu, nói một cách khác là một hệ thống hỗ trợ con người trong việc
giám sát và ñiều khiển từ xa, ở cấp cao hơn hệ điều khiển tự động thơng thường.
Lựa chọn được hệ thống SCADA xử lý đồ họa thơng tin thời gian thực, làm nòng
cốt xây dựng luận văn.
Biết ñược cấu trúc chung của hệ SCADA, từ ñó lựa chọn mơ hình phân cấp sử dụng
cho luận văn bao gồm: Cấp chấp hành; Cấp ñiều khiển; Cấp giám sát, hiển thị và
cảnh báo.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ..................12


CHƯƠNG 2. KHẢO SÁT MƠ HÌNH NHÀ MÁY NHIỆT ðIỆN
V10CF/D0/125.
2.1. Giới thiệu về mơ hình nhà máy nhiệt điện.
Mơ hình nhà máy nhiệt điện V10CF/D0/125 là mơ hình sử dụng hơi nước (120kg/h)
được thể hiện trong hình 2.1 dưới đây:

Hình 2.1. Hình ảnh tổng thể của mơ hình nhà máy nhiệt điện.

Và sơ đồ tổng thể về mặt cơng nghệ của mơ hình được thể hiện trong hình 2.2:

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ..................13


Hình 2.2. Sơ đồ cơng nghệ của mơ hình nhà máy nhiệt điện.
* Mơ hình bao gồm các khối cụ thể sau:
1 – Khối xử lý nước ñầu vào (A):
A1- Trong khối này có bộ phận làm mềm nước bằng plastic A1 với lưu lượng 100L/h.
A2- Làm nhiệm vụ trung hoà nước trước khi sử dụng.
QA- ðo lưu lượng khối của nguồn nước vào.
FA- Bộ lọc nước.
PA- Giám sát áp suất của nguồn nước vào.
2 – Khối nguồn nước vào (M):
M1- Bể chứa nước bằng thép có sơn lớp bảo vệ epoxy, dung tích 300L.
TM- ðo nhiệt độ nước.
LM- Thiết bị báo mức nước.
FM1, FM2- Các bộ lọc nước.
3 – Khối bình ngưng (B):
B1- Bình ngưng kiểu ống với hệ thống ñiều khiển áp suất và nhiệt ñộ
B3- Bơm chân khơng để bơm nước từ bể ngưng đến nguồn nước cung cấp M1.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ..................14


Thông số kỹ thuật:
- Áp suất chân không: 735-1000mmHg.
- Tốc ñộ dòng chảy mong ñợi: 7-15m3/h.
- Tốc ñộ làm việc: 8-12l/min.
B2- Bộ trao ñổi nhiệt.

QB- Bộ ño lưu lượng nước làm nguội trong bình ngưng.
TB1, TB2, TB3, TB4- Các bộ ño nhiệt ñộ của nước và của hơi.
4 – Khối nhiên liệu:
C1- Bể chứa nhiên liệu: dầu hoặc gaz, dung lượng 100L.
LC- Thiết bị báo mức nhiên liệu.
TC- Thiết bị ño nhiệt ñộ bể chứa nhiên liệu.
VC- Van an toàn.
5 – Khối tạo hơi nước (D):
D1- Lò hơi.
- Dung lượng: 120 kg/h.
- Áp suất max: 72000 kcal/h.
- Áp suất biểu kiến: 12bar.
- Áp suất làm việc 10bar.
- Nhiên liệu tiêu tốn: 8kg/h (gaz).
D2- Buồng đốt khí gar kiểu cơng nghiệp.
D3- Bơm nước kiểu piston: 12l/h; áp suất 12bar.
D4- Ống thoát khói bằng hợp kim (thép-kẽm), chiều dài chuẩn 12m.
FD-Bộ lọc nhiên liệu.
VD1- Van tự ñộng tháo nước ngưng.
VD2- Van an tồn sơi.
PD1- Bộ chuyển áp suất hơi lớn nhất.
PD2- Bộ chuyển áp suất hơi an tồn.

Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ..................15


PD3- Máy ño áp suất hơi.
TD4- Máy ño áp suất buồng ñốt.
TD- Bộ ñiều nhiệt số của hơi.
QD- Bộ ño lưu lượng khống chế nguồn nước vào.

6 – Khối ño lưu lượng của hơi quá nhiệt (E):
E1- Ống thu hẹp mẫu ñặt trực tiếp trong ống hơi.
PE- ðo áp suất vi sai để tính lưu lượng.
E2, E3- Bình chứa chất cặn trong quá trình vận hành.
7 – Khối sử dụng hơi nước (H):
H1: Turbine hơi, hoạt ñộng trong trường hợp áp suất thấp hoặc chân khơng, kết hợp
với bộ điều tốc ly tâm.

Hình 2.3. Turbine và máy phát.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ nông nghiệp ..................16