Bài giảng Hệ thống đo và điều khiển công nghệ - Chương 3 đến 4 - Nguyễn Thị Huế (Tiếp)

Nội dung text: Bài giảng Hệ thống đo và điều khiển công nghệ - Chương 3 đến 4 - Nguyễn Thị Huế (Tiếp)

1. TR ƯỜ NG ĐẠ I H ỌC BÁCH KHOA HÀ N ỘI VI ỆN ĐIỆN BÀI GI ẢNG ĐO VÀ ĐIỀU KHI ỂN CÔNG NGHI ỆP Nguy ễn Th ị Hu ế Bộ môn Kĩ thu ật đo và Tin học công nghi ệp 12/23/2014 NTH-Bộ môn k ĩ thu ật đo và tin h ọc công nghi ệp 1
2. NỘI DUNG MÔN HỌC Gi ới thi ệu chung và lịch sử phát tri ển của các hệ th ống đo 1 và điều khi ển công nghi ệp 2 Các thi ết bị đo lườ ng và ch ấp hành trong công nghi ệp 3 Các bộ điều khi ển kh ả trình 4 Các thi ết bị giám sát trong công nghi ệp 5 Cơ sở kĩ thu ật truy ền tin công nghi ệp ứ ệ ể 6 Các giao th c công nghi p tiêu bi u ộ ố ệ ố ệ ự ế 7 M t s h th ng công nghi p th c t 12/23/2014 2
3. NỘI DUNG CHƯƠNG 3 3 Các bộ điều khi ển kh ả trình
   PLC (programmable logic controller)
   PAC (Programable automation controller) 12/23/2014 NTH-Bộ môn k ĩ thu ật đo và tin h ọc công nghi ệp 3
4. Thi ết bị điều khi ển Nội dung của bộ điều khi ển tự độ ng hóa phân làm các vi ệc sau: V Ch ọn kh ởi độ ng nhóm hay trình tự. V Kh ởi độ ng trình tự. V Dừng trình tự. V Gi ải quy ết liên độ ng. V Chuy ển các bướ c trong trình tự. V Đả m bảo điều ki ện vận hành ổn đị nh các thi ết bị công ngh ệ. V Lập các vòng điều ch ỉnh. V Thu th ập số li ệu đo và tr ạng thái các khóa điều khi ển và bảo vệ. 12/23/2014 NTH-Bộ môn k ĩ thu ật đo và tin h ọc công nghi ệp 4
5. PLC (programmable logic controller) V Các PLC đượ c nghiên cứu ngay từ khi ra đờ i các vi xử lý 8 bit và phát tri ển rất nhanh. V Tri ết lý của nh ững nhà sản xu ất PLC là gi ải quy ết bài toán tự độ ng hóa thay cho các mạch tự độ ng bằng rơle, gi ảm th ời gian nối dây
   Vì PLC gi ải quy ết các bài toán logic tổ hợp và logic trình tự nên mang tên “điều khi ển logic lập trình”.  Tri ết lý modul hóa đượ c sử dụng tri ệt để , tri ết lý phân bố đượ c mở rộng.  Lập trình đồ họa gần với sơ đồ tự độ ng bằng rơle cũng đã đượ c ứng dụng. 12/23/2014 NTH-Bộ môn k ĩ thu ật đo và tin h ọc công nghi ệp 5
6. PLC (programmable logic controller) Ph ần cứng V Ph ần cứng đượ c tổ ch ức thành modul kích th ướ c gần gi ống nhau, có th ể gá để dùng trên giá. 12/23/2014 NTH-Bộ môn k ĩ thu ật đo và tin h ọc công nghi ệp 6
7. PLC (programmable logic controller) Các modul đ c t ch c nh sau: V Modul ngu ồn PS (power suply) Cung cấp các điện áp một chi ều cho các modul khác nằm trong các rãnh cài modul 12/23/2014 NTH-Bộ môn k ĩ thu ật đo và tin h ọc công nghi ệp 7
8. PLC (programmable logic controller) V Modul CPU (central processing unit). Đây là modul quan tr ọng nh ất của PLC. Ph ải nói rằng modul CPU là một máy tính công nghi ệp chuyên dụng. Trong nhi ều PLC, CPU đã xây dựng trên cơ sở vi xử lý Pentium với đa ch ức, đa nhi ệm vụ. Đánh giá một CPU là tốc độ xử lý, số modul mà nó qu ản lý đượ c, các hàm và số li ệu, các dịch vụ, các công cụ xây dựng đượ c. 12/23/2014 NTH-Bộ môn k ĩ thu ật đo và tin h ọc công nghi ệp 8
9. PLC (programmable logic controller) V Các modul vào ra: Đây là các modul giao ti ếp với các thi ết bị cấp hi ện tr ườ ng, gồm:  Modul vào tươ ng tự AI (analog input): Dùng để nh ận dòng điện th ống nh ất hóa 4-20mA của các transmitter đo lườ ng. Một modul AI th ườ ng có 8, 16, 32 đầ u vào tươ ng tự dùng để thu th ập số li ệu đo lườ ng.  Modul đầ u vào số DI (digital input): Dùng để nh ận dạng nh ững tr ạng thái của các: thi ết bị công nghi ệp (stop – start), dòng cắt (on – off), vượ t quá giá tr ị cho phép (1, 0). Modul này đơ n gi ản ch ỉ là nh ững khóa tươ ng tự và th ườ ng tổ ch ức 8, 16, 32 đầ u vào. 12/23/2014 NTH-Bộ môn k ĩ thu ật đo và tin h ọc công nghi ệp 9
10. PLC (programmable logic controller) V Các modul vào ra:  Modul đầ u ra tươ ng tự AO (analog output): Dùng để đặ t thông số cho các bộ điều ch ỉnh ở ngoài. • Đặ t thông số cho các Invertor: 4 mA cho tốc độ bằng 0; 20 mA cho tốc độ đị nh mức. • Đặ t thông số cho các van cánh bướ m: 4 mA cho đóng van; 20 mA cho mở hoàn toàn.  Modul đầ u ra số DO (digital output): Dùng để điều khi ển đóng cắt các thi ết bị th ừa hành. • Công tắc ph ụ các kh ởi độ ng từ, công tắc tơ, v.v • Các cu ộn dây van điện từ, các rơle, trung gian. • Các công tắc kh ởi độ ng độ ng cơ. 12/23/2014 NTH-Bộ môn k ĩ thu ật đo và tin h ọc công nghi ệp 10
11. PLC (programmable logic controller) V Modul giao di ện IM (interface modul): Dùng để lấy thông tin từ các đố i tượ ng có thông tin số nối ti ếp, theo các chu ẩn xác đị nh cấp th ấp (RS 485, modbus, v.v ). Modul này đả m bảo cho tổ ch ức các I/O phân bố (distributed I/O) đả m bảo tính phân bố cao trong hệ th ống. V Modul truy ền thông CP (communication processor): Modul này đả m bảo nối PLC với các xa lộ hay với hệ th ống theo các giao th ức yêu cầu. V Ngoài ra còn có các modul ch ức năng đặ c bi ệt FM (function module) tùy theo từng nhà ch ế tạo. 12/23/2014 NTH-Bộ môn k ĩ thu ật đo và tin h ọc công nghi ệp 11
12. PLC (programmable logic controller) V Ph ần mềm 12/23/2014 NTH-Bộ môn k ĩ thu ật đo và tin h ọc công nghi ệp 12
13. PLC (programmable logic controller) V Xây dựng một ngôn ng ữ lập trình khá hoàn ch ỉnh, đơ n gi ản, dễ ti ếp thu, sử dụng gần với quan ni ệm của cá kỹ sư tự độ ng hóa trong hệ th ống nh ỏ và lớn. V Ch ươ ng trình theo chu ẩn IEC 61131-3  LD (Ladder Diagram)  FBD (Function Block Diagram)  IL (Intruction List)  ST (Structuted Text)  SFC (Sequential Function Chart) 12/23/2014 NTH-Bộ môn k ĩ thu ật đo và tin h ọc công nghi ệp 13
14. PLC (programmable logic controller) PLC ph ải gi ải quy ết nh ững vấn đề sau: V Gi ải quy ết vấn đề thu th ập số li ệu đo lườ ng xử lý để điều khi ển, để đư a vào hệ th ống điều ch ỉnh trong PLC và ngoài PLC gồm các vấn đề sau:  Đặ t thông số cho các cảm bi ến đo lườ ng (parameterization) để thích ứng với các giá tr ị đo với các thang đo khác nhau.  Tính toán ra giá tr ị đo theo đơ n vị đã đị nh.  Xử lý kh ắc độ các đầ u đo (calibration).  Chuy ển số li ệu lên cấp trên để làm các dịch vụ khác.  Tính toán các phép tính số học. 12/23/2014 NTH-Bộ môn k ĩ thu ật đo và tin h ọc công nghi ệp 14
15. PLC (programmable logic controller) V Gi ải quy ết vấn đề điều khi ển (tự độ ng hóa):  Các tính toán logic cho vi ệc kh ởi độ ng, dừng liên độ ng.  Các chuy ển tr ạng thái của trình tự (logic dãy).  Xác đị nh các tr ạng thái báo độ ng.  Gi ải quy ết các vấn đề phát hi ện lỗi, sửa lỗi (chu ẩn đoán kỹ thu ật).  Chuy ển các tr ạng thái cần thi ết lên cấp trên. 12/23/2014 NTH-Bộ môn k ĩ thu ật đo và tin h ọc công nghi ệp 15
16. PLC (programmable logic controller) V Tạo các mạch vòng điều khi ển:  So sánh, đặ t thông số.  Vòng điều khi ển hở.  Vòng điều khi ển kín: PI, PID controller.  Vòng điều khi ển của các bài toán phi tuy ến, điều khi ển mờ (Fuzzy controllers) V Tổ ch ức giao ti ếp:  Hi ển th ị.  Lập sơ đồ flowsheet.  Giao ti ếp ng ườ i máy đơ n gi ản. 12/23/2014 NTH-Bộ môn k ĩ thu ật đo và tin h ọc công nghi ệp 16
17. PLC (programmable logic controller) V PLC của ABB  AC800F  AC800M  AC800A  AV700F  12/23/2014 NTH-Bộ môn k ĩ thu ật đo và tin h ọc công nghi ệp 17
18. PLC (programmable logic controller) V Cấu trúc hệ th ống AC800F V Các AC 800F có cấu trúc module. CPU đượ c thi ết kế nh ư một bảng nối đa năng mà các module khác nhau 12/23/2014 NTH-Bộ môn k ĩ thu ật đo và tin h ọc công nghi ệp 18
19. PLC (programmable logic controller) V Ngu ồn cung cấp  SA 811F điện áp vào từ 115 ÷ 230 VAC cho PM 803F. 12/23/2014 NTH-Bộ môn k ĩ thu ật đo và tin h ọc công nghi ệp 19
20. PLC (programmable logic controller) V Module Ethernet  EI 813F: mô đun AUI để kết nối thu phát cho 10 base 5 ,10 base 2, 10 base T, 10 base FL ho ặc đơ n vị kết nói cho PM803F 12/23/2014 NTH-Bộ môn k ĩ thu ật đo và tin h ọc công nghi ệp 20
21. PLC (programmable logic controller) V Các bus tr ường (fieldbus)  Các AC 800F sử dụng module fieldbus để thu th ập và xử lý th ời gian th ực và ch ẩn đoán dữ li ệu. Tối đa 4 module fieldbus có th ể đượ c gắn vào AC 800F.  Các module fieldbus có nhi ệm vụ và đặ c điểm: • Độ c lập lỗi và phát hi ện tín hi ệu lỗi • Kết nối của các phân đoạn fieldbus và mạng con.  Chi ti ết về module fieldbus: • +FI 830F: Mô đun Profibus DP cho điều hành tr ực ti ếp của các thi ết bị tr ườ ng Profibus. • FI 840F: giao th ức sẵn có Foundation Fieldbus HSE , TCP/ IP gửi và nh ận, lien tục đượ c mở rộng . 12/23/2014 NTH-Bộ môn k ĩ thu ật đo và tin h ọc công nghi ệp 21
22. PLC (programmable logic controller) V AC700F  Kh ối PM 783F • Bộ xử lý: Motorola Power PC (MPC 8247) • Bộ nh ớ ch ươ ng trình: 2 MB SRAM • Bộ nh ớ trong: 8MB SDRAM, 4MB FLASH ROM • Số module vào ra tối đa: 8 • Ngu ồn: Pin • Hệ th ời gian th ực: có • Giao ti ếp: RS 232, RS 485 (Tốc độ 1200 bps đế n 38400 bps) 12/23/2014 NTH-Bộ môn k ĩ thu ật đo và tin h ọc công nghi ệp 22
23. PLC (programmable logic controller) V AC700F  Cổng vào ra số DC 732F: • Cổng vào sổ: 16 cổng (ho ạt độ ng ở 24V DC) • LED hi ển th ị: Thông báo tr ạng thái, thông báo lỗi và ngu ồn cung cấp Module vào ra tương tự AX 722F • Mức logic 0 : điện áp gi ữa -3V và +5V • Mức điện áp không đị nh ngh ĩa gi ữa +5V và +15V • Mức logic 1: điện áp nằm gi ữa +15V và +30V 12/23/2014 NTH-Bộ môn k ĩ thu ật đo và tin h ọc công nghi ệp 23
24. PLC (programmable logic controller) V AC700F  Module vào ra tươ ng tự AX 722F 12/23/2014 NTH-Bộ môn k ĩ thu ật đo và tin h ọc công nghi ệp 24
25. PLC (programmable logic controller) PLC S7 của Siemens V Siemens là nhà ch ế tạo PLC lớn nh ất th ế gi ới: Có 2 hệ PLC S5 và PLC S7. V Hệ SIMATIC S7 của Siemens gồm:  Hệ tự độ ng hóa nh ỏ S7 – 200  Hệ tự độ ng hóa trung bình S7 – 300  Hệ tự độ ng hóa lớn S7 – 400.  Hệ hoàn ch ỉnh C7 và M7. 12/23/2014 NTH-Bộ môn k ĩ thu ật đo và tin h ọc công nghi ệp 25
26. PLC (programmable logic controller) V Hệ tự độ ng hóa trung bình S7 – 300: 12/23/2014 NTH-Bộ môn k ĩ thu ật đo và tin h ọc công nghi ệp 26
27. PLC (programmable logic controller) V Các đặ c điểm nổi bật của Simatic S7 - 300:  Là bộ điều khi ển đượ c sử dụng nhi ều nh ất trong các hệ tự độ ng hóa tích hợp công nghi ệp ở kh ắp nơi trên th ế gi ới.  Thi ết kế nh ỏ gọn, gắn trên rãnh DIN.  Nhi ều ch ức năng tích hợp vào trong CPU (I/O, các ch ức năng công ngh ệ, kết nối Profibus/Profinet).  Không cần bảo dưỡ ng, các dữ li ệu lưu lại trên Card bộ nh ớ siêu nh ỏ (micro memory card).  Ch ế độ đẳ ng th ời trên Profibus.  Các phiên bản an toàn. 12/23/2014 NTH-Bộ môn k ĩ thu ật đo và tin h ọc công nghi ệp 27
28. PAC (Programable automation controller) Sự ra đời của PAC V Với sự phát tri ển của kỹ thu ật điện tử và công ngh ệ thông tin, hi ện nay PLC đã bộc lộ một số nh ượ c điểm:  Ngôn ng ữ lập trình của PLC đề u là ngôn ng ữ riêng của nh ững nhà sản xu ất PLC, ch ủ yếu để gi ải quy ết bài toán tự độ ng hóa, vì th ế làm vi ệc không th ể linh ho ạt và có cơ sở bằng các ngôn ng ữ cao cấp dùng trong công ngh ệ thông tin.  Về truy ền tin: Trong truy ền tin, các PLC tổ ch ức mạng riêng truy ền tin với giao th ức riêng. Vì th ế, khi đã sử dụng thi ết bị của một nhà cung cấp bị lệ thu ộc vào nhà sản xu ất lúc sửa ch ữa, bảo dưỡ ng và phát tri ển. 12/23/2014 NTH-Bộ môn k ĩ thu ật đo và tin h ọc công nghi ệp 28
29. PAC (Programable automation controller) V PAC ra đờ i có mục đích là sử dụng nh ững ưu vi ệt của PLC, đồ ng th ời kh ắc ph ục nh ững nh ượ c điểm của PLC. V Một số đặ c điểm của PAC là:  Ngôn ng ữ lập trình là ngôn ng ữ chung của công ngh ệ thông tin.  Các công cụ sử dụng cũng là công cụ của công ngh ệ thông tin.  Giao th ức truy ền tin là giao th ức TCP/IP của Ethernet và Internet.  Ứng dụng các ki ến trúc chung của công ngh ệ thông tin để gi ảm giá thành thi ết kế.  Mở rộng tr ườ ng giao ti ếp với đố i tượ ng bằng cách cải thi ện hệ th ống I/O. 12/23/2014 NTH-Bộ môn k ĩ thu ật đo và tin h ọc công nghi ệp 29
30. PAC (Programable automation controller) Một số PAC V LinPAC-8000 là bộ PAC th ứ hai của ICP DAS. Nó trang bị một CPU PXA270 520MB ch ạy hệ điều hành Linux Kernel bản 2.6.19 với:  Kh ả năng kết nối VGA, USB, Ethernet, RS-232/485;  Các modul I/O song song tốc độ th ực thi cao 1/4/8 khe (các modul I-8K)  Các module I/O lo ại nối ti ếp (các module I/O I-87K). 12/23/2014 NTH-Bộ môn k ĩ thu ật đo và tin h ọc công nghi ệp 30
31. PAC (Programable automation controller) V Ki ến trúc mạng kết nối PAC tới máy tính và các thi ết bị 12/23/2014 NTH-Bộ môn k ĩ thu ật đo và tin h ọc công nghi ệp 31
32. PAC (Programable automation controller) V Ch ức năng của PAC 12/23/2014 NTH-Bộ môn k ĩ thu ật đo và tin h ọc công nghi ệp 32
33. PAC (Programable automation controller) V LinPAC là sự kết hợp của IPC và PLC 12/23/2014 NTH-Bộ môn k ĩ thu ật đo và tin h ọc công nghi ệp 33
34. PAC (Programable automation controller) V Môi tr ườ ng phát tri ển: LinPAC SDK là ph ần mềm dùng cho LinPAC-8000 của ICP DAS V Các ứng dụng của LinPAC:  Tự độ ng hóa nhà máy xí nghi ệp.  Điều khi ển máy móc công nghi ệp.  Hệ th ống qu ản lý xây dựng.  Độ ng cơ máy bay,v.v 12/23/2014 NTH-Bộ môn k ĩ thu ật đo và tin h ọc công nghi ệp 34
35. Cấp điều khi ển giám sát V Cấp qu ản lý kỹ thu ật, giám sát, thao tác, theo dõi, qu ản lý thông tin V Cấp này th ườ ng đượ c đặ t bên cạnh ban giám đố c xí nghi ệp, qu ản tr ị doanh nghi ệp trong một phòng trung tâm điều khi ển (CCR - central control room). 12/23/2014 NTH-Bộ môn k ĩ thu ật đo và tin h ọc công nghi ệp 35
36. Cấp điều khi ển giám sát Nhi ệm vụ của phòng điều khi ển trung tâm V Thao tác điều khi ển sản xu ất của thao tác viên. V Theo dõi quá trình sản xu ất (monitoring), hi ển th ị, trao đổ i, ra lệnh, hình thành hệ th ống OMS (operator monitoring system). V Qu ản lý thông tin MIS (management information system)  Theo dõi, hi ển th ị số li ệu đo lườ ng hi ện tại, theo dõi quá trình  Báo cáo kết qu ả sản xu ất.  Lưu gi ữ thông tin.  Tr ợ giúp báo độ ng.  Tr ợ giúp phát hi ện lỗi và ch ẩn đoán kỹ thu ật.  Lưu gi ữ số li ệu các sự cố 12/23/2014 NTH-Bộ môn k ĩ thu ật đo và tin h ọc công nghi ệp 36
37. Ch ươ ng 4. Cấp điều khi ển giám sát Nhi ệm vụ của phòng điều khi ển trung tâm V .Qu ản lý kỹ thu ật.  Qu ản lý các ch ươ ng trình, các công cụ  Sự dõi theo ch ươ ng trình.  Vi ết ch ươ ng trình mới.  Thay đổ i cấu trúc của hệ.  Ti ến hành bảo dưỡ ng, thay th ế ph ần tử hư hỏng, cho ho ạt độ ng lại. 12/23/2014 NTH-Bộ môn k ĩ thu ật đo và tin h ọc công nghi ệp 37
38. Ch ươ ng 4-3Cấp điều khi ển giám sát Các thi ết bị trong phòng điều khi ển trung tâm (CCR) gồm các thi ết bị sau V Mạng LAN: hi ện nay tất cả mạng LAN đề u sử dụng chu ẩn Ethernet, bus truy ền tin th ườ ng là cáp quang nối thành vòng và dự phòng đôi. V Máy tính ch ủ ph ục vụ cho các nhi ệm vụ nói trên, th ườ ng có hệ điều hành Windows NT hay Windows 2000. V Các đầ u cu ối làm thành hệ OMS (operator monitoring system) và hình thành tr ạm điều hành OWS (operator work station). V Một hệ qu ản lý kỹ thu ật đượ c đặ t ở một máy tính riêng hình thành tr ạm điều hành kỹ thu ật EWS (enginering work station). 12/23/2014 NTH-Bộ môn k ĩ thu ật đo và tin h ọc công nghi ệp 38
39. Cấp điều khi ển giám sát V Một số máy in, in lại các số li ệu theo MIS. V Một máy Hard Copy để ghi lại các kết qu ả hi ển th ị trên các màn hình của OWS và EWS. V Một máy in ghi số li ệu của các sự cố (event recorder). V Một hệ th ống thi ết bị thông tin nh ư Gateway server, hệ th ống điều khi ển nội bộ, hệ truy ền hình công nghi ệp trong nhà máy. 12/23/2014 NTH-Bộ môn k ĩ thu ật đo và tin h ọc công nghi ệp 39
40. 12/23/2014 NTH-Bộ môn k ĩ thu ật đo và tin h ọc công nghi ệp 40