Bài giảng Các hệ PLC và DCS - Chương 7: Qui trình tích hợp hệ thống

Nội dung text: Bài giảng Các hệ PLC và DCS - Chương 7: Qui trình tích hợp hệ thống

1. Chương 7: Qui trình tích hợp hệ thống Chương7 2004,HOÀNG SƠNMINH  12/06/2015
2. Nội dung 7.1 Các bước phát triển hệ thống 7.2 Mục đích điều khiển 7.3 Mô tả các chức năng điều khiển 7.4 Đánh giá và lựa chọn giải pháp hệ thống Chương7  HMS 12/06/2015 2
3. 7.1 Các bước phát triển hệ thống Các mục đích điều Đặc tả chức năng Yêu cầu và mô tả khiển cơ bản hệ thống công nghệ Các định luật vật lý và hóa học Xây dựng & khảo sát Dữ liệu vận hành Phân tích & nhận mô hình quá trình thực tế dạng quá trình Thiết kế sách lược điều khiển Lý thuyết điều khiển tự động Thiết kế thuật toán Kinh nghiệm từ các điều khiển dự án khác Công nghệ hệ thống Lựa chọn giải pháp Chương7 điều khiển hệ thống Công nghệ phần Phát triển phần mềm Thông tin, hỗ trợ từ mềm công nghiệp ứng dụng nhà cung cấp Chỉnh định & đưa  HMS vào vận hành 12/06/2015 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 3
4. 7.2 Mục đích điều khiển 1. Đảm bảo vận hành ổn định, trơn tru: đảm bảo năng suất (tốc độ sản xuất), kéo dài tuổi thọ máy móc, vận hành thuận tiện 2. Đảm bảo chất lượng sản phẩm: giữ các thông số chất lượng sản phẩm biến động trong một khoảng nhỏ 3. Đảm bảo vận hành an toàn: cho con người, máy móc, thiết bị và môi trường Chương7 4. Nâng cao hiệu quả kinh tế, tăng lợi nhuận: giảm chi phí nhân công, nguyên liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu thay đổi của thị trường 5. Giảm ô nhiễm môi trường: Giảm nồng độ các chất độc hại trong khí thải, nước thải, giảm bụi, giảm sử  HMS dụng nguyên liệu và nhiên liệu 12/06/2015 4
5. 7.3 Đặc tả chức năng  Các chức năng điều khiển quá trình: Lưu đồ P&ID (Pipe and Instrumentation Diagram)  Chi tiết chức năng điều khiển rời rạc: Biểu đồ logic (Binary Logic Diagram)  Chi tiết chức năng điều khiển trình tự: Biểu đồ trình tự (Sequential Function Charts) Chương7  HMS 12/06/2015 5
6. Nhắc lại các chức năng điều khiển cơ sở (Theo ANSI/ISA 88.01-1995)  Điều chỉnh (regulatory control): Duy trì các biến đầu ra của một quá trình tại các giá trị đặt tương ứng trong điều kiện có tác động nhiễu và giá trị đặt thay đổi – Ví dụ điều chỉnh nhiệt độ, mức, lưu lượng, áp suất, nồng độ  Điều khiển rời rạc (discrete control): Duy trì các trạng thái của thiết bị quá trình tại một giá trị chọn từ tập các trạng thái ổn định biết trước. – Ví dụ điều khiển đóng/mở máy bơm, quạt gió, máy khuấy Chương7  Điều khiển trình tự (sequential control) : một lớp chức năng điều khiển quá trình công nghiệp với mục đích đưa quá trình qua một trình tự các trạng thái riêng biệt (đóng/mở, khởi động/dừng) – Ví dụ: Điều khiển quá trình khởi động/dừng một nhóm thiết bị  HMS quá trình, điều khiển một mẻ pha chế hỗn hợp 12/06/2015 6
7. Ví dụ chức năng điều chỉnh Chương7  HMS 12/06/2015 7
8. Ví dụ điều khiển rời rạc  Điều khiển thiết bị: điều khiển và giám sát việc khởi động, dừng hoặc chuyển chế độ cho các thiết bị quá trình đơn lẻ, ví dụ van on/off, băng tải, động cơ, máy bơm, v.v Trạng thái ổn định DO1 DI1-1 DI1-2 ON ON OFF OFF OFF ON Ví dụ trạng thái lỗi ON OFF OFF Chương7 Trạng thái ổn định Start Stop Motor ON OFF Running OFF OFF Running OFF ON Stopped OFF OFF Stopped  HMS 12/06/2015 8
9. Ví dụ điều khiển rời rạc (tiếp)  Khóa liên động: Đảm bảo chức năng bảo vệ, an toàn cho hệ thống máy móc thiết bị và cho con người bằng cách ngăn chặn tình huống dẫn đến trạng thái lỗi cũng như giảm thiểu tác hại của trường hợp xảy ra sự cố:  Khóa liên động quá trình (process interlocks): Đảm bảo logic vận hành bình thường, tránh gây lỗi và sự cố cho thiết bị quá trình  Khóa liên động an toàn (safety interlocks): Kích hoạt các thao tác can thiệp mạnh (tách, cách ly hoặc dừng khẩn cấp để giảm thiểu hậu quả của sự cố tới máy móc, con người và môi trường Chương7 Trạng thái ổn định V1 V2 V3 Đóng Đóng Đóng Mở Mở Đóng Mở Đóng Mở Ví dụ trạng thái lỗi Mở Đóng Đóng  HMS Mở Mở Mở 12/06/2015 9
10. Ví dụ điều khiển trình tự  Ví dụ các bước điều khiển bình trộn theo mẻ – Kiểm tra van xả đã đóng chưa, nếu chưa thì đóng lại và mở các Chương7 van cấp vào ở chế độ làm việc (ví dụ 50%) – Khởi động các máy bơm cấp, khởi động các vòng điều khiển mức và lưu lượng để điều khiển các van cấp – Khi mức dung dịch đạt được một giá trị nào đó, khởi động động cơ quay trộn – Chờ một thời gian và dừng động cơ quay trộn  HMS – Dừng theo thứ tự các máy bơm, vòng điều khiển lưu lượng, mức, Mở van xả và bơm hút sản phẩm 12/06/2015 10
11. 7.3.1 Lưu đồ P&ID  Lưu đồ P&ID: Pipe and Instrumentation Diagram – Lưu đồ công nghệ + các biểu tượng thiết bị và chức năng tự động hóa – Một trong các tài liệu thiết kế quan trọng nhất về hệ thống đo lường, điều khiển và giám sát – Cơ sở cho lựa chọn và lắp đặt thiết bị, phát triển phần mềm điều khiển và giám sát quá trình (bài toán điều khiển quá trình)  Các biểu tượng lưu đồ được ISA (Instrumentation Society of America) chuẩn hóa: Chương7 – ISA S5.1: Instrumentation Symbols and Identification – ISA S5.3: Graphic Symbols for Distributed Control/Shared Display Instrumentation, Logic and Computer Systems  Các biểu tượng lưu đồ bao gồm: – Các biểu tượng thiết bị  HMS – Các biểu tượng tín hiệu và đường nối 12/06/2015 – Ký hiệu nhãn thiết bị và các biểu tượng chức năng 11
12. Lưu đồ điều khiển quá trình trao đổi nhiệt Chương7  HMS 12/06/2015 12
13. Biểu tượng thiết bị Phòng điều khiển trung Vị trí mở rộng Hiện tâm (Auxilary Location) trường (Remote) (Local) Phần cứng Thiết bị đơn lẻ Phần cứng chia sẻ - Hiển thị chia sẻ - Điều khiển chia sẻ Phần mềm Chương7 Chức năng máy tính Logic chia sẻ Điều khiển logic khả trình Thiết bị cho hai biến hoặc  HMS một biến với hai hoặc nhiều chức năng 12/06/2015 13
14. Biểu tượng tín hiệu và đường nối Tín hiệu không định nghĩa Đường nối tới quá trình kỹ thuật hoặc cấp năng lượng Tín hiệu khí nén Tín hiệu điện Tín hiệu thủy lực Tín hiệu điện từ hoặc âm thanh (có dẫn định) * Chương7 Tín hiệu điện từ hoặc âm thanh (không dẫn định)* Đường nối nội bộ hệ thống (liên kết phần mềm hoặc dữ liệu) Đường nối cơ học Ống mao dẫn x x x  HMS * Các hiện tượng điện từ gồm cả nhiệt, sóng vô tuyến, phóng xạ nguyên tử và ánh sáng. 12/06/2015 14
15. Ký hiệu các đường cấp năng lượng  AS (Air supply): cấp không khí AS  ES (Electric supply): cấp điện ES  GS (Gas supply): cấp gas GS  HS (Hydraulic supply): cấp thủy lực HS  NS (Nitrogen supply): cấp nitơ NS  SS (Steam supply): cấp hơi nước SS  WS (Water supply): cấp nước WS Chương7  HMS 12/06/2015 15
16. Nhãn thiết bị và ký hiệu chức năng Chỉ thị (Indication) và điều khiển (Control) chênh áp (Differential Pressure), vòng loop 103. Báo động (Alarm) vượt ngưỡng trên (High) nhiệt độ (Temperature), cảnh giới quá nhiệt vòng loop 104. Mã số vòng loop, điểm đo P D I C-103 Chữ cái đầu: Biến đo hoặc khởi tạo Chương7 Chữ cái phụ: Bổ sung cho chữ đầu Các chữ cái sau: Các chức năng chỉ thị, bị động hoặc đầu ra Chữ cái phụ sau: Bổ sung ý nghĩa T A H-104 chức năng cho chữ cái đứng trước nó  HMS 12/06/2015 16
17. Ý nghĩa các chữ cái Chữ cái đầu Các chữ cái đứng sau Biến đo hoặc Bố sung, thay Chức năng chỉ Chức năng đầu Bổ sung, thay khởi tạo đổi thị hoặc bị động ra đổi A Analysis Alarm B Burner, Tự chọn Tự chọn Tự chọn Combustion C Tự chọn Control D Tự chọn Differential E Voltage Sensor F Flow Rate Ratio (Fraction) G Tự chọn Glass, Viewing Device Chương7 H Hand High I Current Indicate J Power Scan K Time, Time Time Rate of Control Station Schedule Change L Level Light Low  HMS M Tự chọn Momentary Middle Tự chọn Tự chọn Tự chọn Tự chọn 12/06/2015 N 17
18. Ý nghĩa các chữ cái (tiếp) Chữ cái đầu Các chữ cái đứng sau Biến đo hoặc Bố sung, thay Chức năng chỉ Chức năng đầu Bổ sung, thay khởi tạo đổi thị hoặc bị động ra đổi O Tự chọn Orifice, Restriction P Pressure, Point (Test Vacuum Connection) Q Quantity Integrate, Total R Radiation Record S Speed, Safety Switch Frequency T Temperature Transmit U Đa biến Đa chức năng Đa chức năng Đa chức năng Chương7 (Universal) V Vibration, Mech. Valve, Damper, Analysis Louver W Weight, Force Well X Không xếp loại Trục X Không xếp loại Không xếp loại Không xếp loại Y Event, State, Trục Y Relay, Compute, Presence Convert  HMS Z Position, Trục Z Driver, Actuator, 12/06/2015 Dimension Phần tử ĐK 18
19. Các ký hiệu chức năng tính toán Ký hiệu Chức năng 1-0 hoặc ON/OFF Điều khiển ON/OFF hoặc chuyển mạch (Switch)  hoặc ADD Cộng hoặc tổng (cộng và trừ), với 2 hoặc nhiều đầu vào hoặc SUB Hiệu (với hai hoặc nhiều đầu vào) , +, - Độ dịch (1 đầu vào) AVG. Trung bình %, 1:3 hoặc 2:1 Khuếch đại (đầu vào : đầu ra) x ,  Nhân, chia (2 hoặc nhiều đầu vào)  hoặc SQ. RT. Căn bậc hai xn hoặc x1/n Lũy thừa f(x) Hàm Chương7 1:1 Tăng cường > hoặc HIGHEST Chọn giá trị lớn nhất > hoặc LOWEST Chọn giá trị nhỏ nhất REV. Đảo ngược E/P, P/I, A/D, D/A Biến đổi (E, H, I, O, P, R) Tích phân (theo thời gian)  HMS D hoặc d/dt Đạo hàm hoặc tốc độ 12/06/2015 I/D Nghịch đảo đạo hàm 19
20. Ví dụ điều khiển vòng kín Chương7  HMS 12/06/2015 20
21. Chương7 Ví dụ vận hành bơm cấp bình chứa  HMS 12/06/2015 21
22. 7.3.2 ANSI/ISA S5.2: Binary Logic Diagram for Process Operations BIỂU TƯỢNG Ý NGHĨA VÍ DỤ LSH Tank A TagID Đầu vào Đầu vào 3 Level High Open HV TagID Đầu ra Đầu ra Valve 1 A Valve A Open Start B AND Valve B Closed A A Filling Chương7 C Valve C Closed A Valve A Open Operate Valve B Open B OR OR OR Pump C Valve C Open  HMS 12/06/2015 22
23. BIỂU TƯỢNG Ý NGHĨA VÍ DỤ A Valve A Open Operate OR có điều kiện: Valve B Open B >1 Pump * (>, <, =, ) Valve C Open C NOT Start S Start Motor A S C Flip-Flop Chương7 Stop R Stop Motor B R D Time Delay A X D * X: DI (Delay Initiatation of Output)  HMS DT(Delay Termination of Output) PO (Pulse Output) 12/06/2015 *: s, m, h 23
24. Khóa liên động vận hành bơm cấp bình chứa Chương7  HMS 12/06/2015 24
25. 7.3.3 Biểu đồ trình tự: Ví dụ bình trộn Start T1 = V1 AND V2 AND NOT V3 Charging T2 = Level High Mixing T3 Điều khiển trình tự có thể coi Chương7 là một hình thức mở rộng của Discharging điều khiển logic với các yếu tố T4 = Level Low thời gian, hành động, tính chất song song và phân tán. Wait T5 = Restart Activated  HMS 12/06/2015 25
26. Bài toán điều khiển trình tự  Điều khiển trình tự có vai trò trong: – Khởi động hoặc dừng (từng phần) hệ thống – Điều khiển quá trình mẻ: Ví dụ điều khiển máy giặt, ví dụ quá trình pha chế hỗn hợp, chế biến dược phẩm,  Một trình tự điều khiển bao gồm: – Các bước (Step) kèm theo hành động (Action) – Các chuyển tiếp (Transition), gắn với điều kiện chuyển tiếp  Điều khiển trình tự liên quan thế nào với điều khiển rời rạc và bài toán điều chỉnh? Chương7 – Điều khiển trình tự kích hoạt các hành động điều khiển rời rạc và các vòng điều chỉnh – Điều chỉnh và điều khiển rời rạc cũng tạo ra các điều kiện chuyển tiếp cho các bước trình tự – ĐK rời rạc gắn với một thiết bị, ĐC gắn với một vòng điều chỉnh, ĐK trình tự gắn với một nhóm thiết bị  HMS 12/06/2015 26
27. Biểu đồ trình tự (SFC, Sequential Function Charts)  Ngôn ngữ đồ họa theo chuẩn quốc tế IEC 61131-3, được hỗ trợ trong hầu hết các hệ thống điều khiển quá trình  Xuất phát từ Grafcet (phát triển tại Pháp) và là một dạng đặc biệt của mạng Petri  Phù hợp nhất cho cả mô tả bài toán, lập trình và giám sát điều khiển trình tự (rất khó nếu sử dụng Chương7 các biểu đồ logic)  Có thể xây dựng với cấu trúc phân cấp => khả năng mô tả ở nhiều mức sơ lược hoặ chi tiết khác nhau  Rất gần gũi với kỹ sư công nghệ  HMS 12/06/2015 27
28. Các phần tử SFC  Step: Một bước thực hiện trong điều khiển trình tự – Có thể bao gồm nhiều hành động đi kèm Initial – Có ít nhất một bước tích cực T1 – Trạng thái hệ thống được xác định qua các bước tích cực Active  Transition: Chuyển tiếp, được thực hiện T2 khi điều kiện chuyển tiếp thỏa mãn Final Chương7  Action: Hành động đi với một bước T3 – Nằm trong một "Action Block" – Được kiểm soát thực thi qua các "Qualifier"  HMS 12/06/2015 28
29. 7.4 Đánh giá và lựa chọn giải pháp hệ thống  Phạm vi chức năng  Cấu trúc hệ thống và các thiết bị thành phần  Tính năng mở, tính linh hoạt  Phát triển hệ thống  Khả năng bảo trì  Giá thành, đầu tư Chương7  HMS 12/06/2015 29
30. Phạm vi chức năng  Chức năng điều khiển cơ sở – Thư viện chức năng điều chỉnh (PID, MPC, Fuzzy) với các yêu cầu công nghiệp: chuyển Manual/Automatic trơn tru, Anti-Reset-Windup. – Điều khiển thiết bị, khóa liên động  Chức năng điều khiển cao cấp – Điều khiển mẻ, điều khiển công thức – Điều khiển thích nghi, bền vững, tối ưu – Điều khiển chuyên gia  Chương7 Chức năng điều khiển giám sát – Chất lượng giao diện đồ họa – Khả năng lập báo cáo tự động – Cơ chế quản lý và xử lý sự kiện, sự cố – Hỗ trợ ActiveX-Control và OPC – Hỗ trợ giao diện cơ sở dữ liệu ODBC  HMS – Chức năng Web 12/06/2015 30
31. Cấu trúc hệ thống và các thiết bị thành phần  Cấu trúc vào/ra: – vào/ra tập trung – vào/ra phân tán – vào/ra trực tiếp với các thiết bị bus trường  Cấu trúc cấp điều khiển  Cấu trúc cấp điều khiển giám sát  Các chủng loại thiết bị hỗ trợ Chương7  Các hệ thống mạng truyền thông được hỗ trợ (đặc biệt bus trường liên quan tới các chủng loại thiết bị trường có thể hỗ trợ).  HMS 12/06/2015 31
32. Tính năng mở, tính linh hoạt  Khả năng tự mở rộng hệ thống: – Tích hợp thiết bị hãng thứ ba – Tích hợp phần mềm hãng thứ ba – Tích hợp phần mềm tự viết  Hỗ trợ các chuẩn công nghiệp: – COM (Component Object Model) – OPC (OLE for Process Control) – ActiveX-Control Chương7 – ODBC (Open Database Connection) – IEC 61131-3  HMS 12/06/2015 32
33. Khía cạnh phát triển hệ thống  Cấu hình hệ thống – Đơn giản, hướng đối tượng – Khả năng phát triển hệ thống một cách xuyên suốt – Cấu hình và tham số hóa các thiết bị và mạng truyền thông dễ dàng qua phần mềm từ trạm kỹ thuật  Lập trình điều khiển – Đơn giản, hướng đối tượng – Các ngôn ngữ lập trình chuyên dụng (FBD, SFC, ST, ) Chương7 – Các ngôn ngữ lập trình bậc cao (C/C++, BASIC) – Lập trình giao tiếp ngầm hay hiện – Khả năng tự mở rộng thư viện chức năng (thông qua một ngôn ngữ lập trình bậc cao)  HMS 12/06/2015 33