Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

Nâng cấp hệ thống điều khiển SIMATIC S5 lên S7 của Trạm phân phối xi

măng Hiệp Phước – Công ty xi măng Nghi Sơn và kinh nghiệm thực tiễn

Upgrading control system SIMATIC S5 –S7 of Nghi Son cement company –

Hiep Phuoc distribution Terminal Project and real experience

TS. Phan Đăng Phong

Ths. Đoàn Văn Minh

KS. Dương Tiến Diễn

Viện Nghiên Cứu Cơ khí

e-Mail: Minhdv@narime.gov.vn

Tóm tắt Nâng cấp các hệ thống điều khiển cho các nhà

máy, xí nghiệp công nghiệp là công việc khá phức tạp

tại Việt Nam. Do tính chất phức tạp, không đồng bộ

của thiết bị hiện trạng sau nhiều lần đại tu, sửa chữa

và yêu cầu khắt khe của chủ đầu tư về chức năng, tính

tối ưu và đồng bộ cũng như thời gian thực hiện dự án

rất ngắn nên hầu hết các dự án nâng cấp đều do các

công ty nước ngoài đảm nhiệm. Việc Viện Nghiên

cứu Cơ khí (NARIME) thực hiện thành công dự án

nâng cấp, cải tạo dây chuyền cũ và lắp đặt, kết nối dây

chuyền mới Trạm phân phối xi măng Hiệp Phước –

Công ty CP xi măng Nghi Sơn với thời gian dừng

máy trong 04 (bốn) ngày mở ra nhiều triển vọng mới

trong lĩnh vực nâng cấp các hệ thống điều khiển cho

các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp tại Việt Nam.

Abtracts Upgrading control system work for plants,

industrial factories is also complicated in Vietnam.

Due to the complicated, a lot of changes during

Owner‟s annual maitenance in comparision with As

built documents and strictly high requirements of the

Owner on new control system„s functions, optimizion,

synchorization as well as short excecution time,

almost upgraded projects have been done by foreign

contractors. With the success of Upgrading existing

control system, installing and communication with

new building project of Hiep Phuoc Cement

Distribution Terminal – Nghi Son Cement Company

in four (4) days have been opened new opportunities

for local automation firms in Vietnam.

Chữ viết tắt PLC Bộ điều khiển logic khả trình

HMI

ET

IM

Giao diện người - máy

Module mở rộng

Module mở rộng rack PLC

1. Giới thiệu chung dự án Dự án “Đầu tư xây dựng hệ thống xuất xi măng

rời công suất 300T/h tại trạm phân phối xi măng Hiệp

Phước thuộc Công ty xi măng Nghi Sơn” do Công ty

xi măng Nghi Sơn làm chủ đầu tư. Trạm phân phối xi

măng Hiệp phước nằm trong khu công nghiệp Hiệp

Phước, xã Hiệp Phước, huyện Nhà bè – Thành phố

Hồ Chí Minh.

Phạm vi của dự án bao gồm:

- Thiết kế, tính toán lựa chọn, cung cấp các thiết bị

cơ công nghệ bao gồm cả hệ thống cung cấp khí

nén và bố trí dây chuyền sản xuất.

- Thiết kế. cung cấp hệ thống cung cấp điện, điều

khiển, chiếu sáng, chống sét và cải tạo hệ thống

điều khiển PLC S5 (Siemens) hiện có

- Thiết kế, thi công phần xây dựng.

Trong phạm vi bài viết, nhóm tác giả chỉ đi sâu

vào giải pháp thực hiện nâng cấp hệ thống điều khiển

và các kết quả đạt được cũng như kinh nghiệm thực tế

sau khi hoàn thiện dự án.

2. Nâng cấp hệ thống điều khiển Phạm vi và thời gian thực hiện nâng cấp hệ thống

điều khiển

Phạm vi nâng cấp phần điều khiển bao gồm:

- Nâng cấp hệ thống điều khiển PLC S5 hiện tại

- Kết nối với hệ thống điều khiển dây chuyền xi măng

mới (do NARIME thực hiện) và hệ thống điều

khiển tại chỗ xilô số 3 mới (do nhà thầu Đức thực

hiện)

.

Thời gian dừng máy (để nâng cấp, kết nối) tối đa:

04 ngày.

Như vậy để thực hiện dự án, ngoài viêc khảo sát

kỹ lưỡng hiện trạng toàn Trạm phân phối, đưa ra giải

H.1. Trạm xuất xi măng Hiệp Phước – Công ty xi

măng Nghi Sơn

601

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

pháp điều khiển khả thi còn phải định chuẩn kết nối

đối với các hệ thống điều khiển khác và giải pháp thi

công hợp lý.

2.2. Quá trình khảo sát hiện trạng toàn Trạm phân

phối

Trạm phân phối Hiệp Phước bao gồm bốn công

đoạn chính:

- Phần điều khiển nạp liệu (xi măng) vào xi lô

- 02 xi lô với tổng công suất lưu trữ là 30.000 tấn

- Hệ thống vận chuyển xi măng

- 03 dây chuyền xuất xi măng bao gồm đóng bao

50kg, đóng bao jumbo, xuất xi măng rời lên xe

bồn

Tổng số lượng tín hiệu vào/ra (I/O) là xấp xỉ 1.300

đầu tín hiệu.

Các thiết bị trường cũng đã thay đổi nhiều trong

các quá trình vận hành, bảo dưỡng, bảo trì như các

sensor phản hồi chuyển động của các băng tải (speed

sensor), sensor báo lệch băng, kẹt bao xi măng… Cần

kiểm tra, sửa chữa các thiết bị này để đảm bảo tính

đồng bộ, ổn định của hệ thống mới.

Các tài liệu bàn giao của nhà thầu nước ngoài như:

bản vẽ hoàn công, sơ đồ lô gíc tuần tự họat đồng toàn

bộ hệ thống không đầy đủ nên việc khảo sát để lập

trình lại họat động của toàn bộ hệ thống cũng cần phải

xem xét kỹ trước khi tiến hành dừng máy nâng cấp.

Ngoài ra, chủ đầu tư – Công ty xi măng Nghi Sơn

cho biết trong quá trình vận hành toàn bộ Trạm cũng

phát sinh nhiều vấn đề công nghệ chưa phù hợp như

tuần tự họat động của các hệ thống dây chuyền công

nghệ (các van sục khí trong Silo, hệ thống nạp liệu từ

tàu, gầu tải, hệ thống băng tải, một số tín hiệu chưa

được đưa lên hiển thị trong giao diện người máy

(HMI) và yêu cầu sửa đổi, hiển thị để dễ dàng giám

sát hoạt động toàn Trạm.

2.3. Giải pháp nâng cấp, các công nghệ chủ yếu áp

dụng nâng cấp và kết quả thực hiện.

2.3.1. Giải pháp nâng cấp hệ thống điều khiển.

a. Hiện trạng

H.2. Cấu hình hệ thống điều khiển hiện tại Trạm phân

phối xi măng Hiệp Phước

Hệ thống điều khiển hiện tại của nhà máy bao gồm

01 hệ thống PLC S5 kết nối với 09 module mở rộng

ET để lấy tín hiệu điều khiển, giám sát toàn bộ các

thiết bị công nghệ trong trạm. Một máy tính vận hành

được kết nối với PLC S5 cũng thông qua cáp

Profibus. Giao diện người - máy HMI được lập trình

bằng phần mềm Wonderware.

b. Yêu cầu và giải pháp nâng cấp.

Hệ thống điều khiển mới cơ bản phải đáp ứng

được các yêu cầu sau:

- Hệ thống đảm bảo điều khiển, giám sát, kết nối

thành công toàn bộ trạm.

- Cấu hình của hệ thống điều khiển phải đảm bảo

tính tương thích với hệ thống cũ, đảm bảo kết nối

với hệ thống mới (do NARIME đảm nhiệm, sử

dụng PLC S7 400), Hạng mục điều khiển tại chỗ

xi lô số 3 (do nhà thầu Đức đảm nhiệm sử dụng

PLC S7 400).

- Hệ thống mới phải đảm bảo kế thừa hệ thống cũ

để tương thích với hệ thống phần cứng của toàn bộ

trạm.

- Hệ thống mới phải đảm bảo tính mở, đồng bộ,

hiện đại.

- Hệ thống mới phải đảm bảo thân thiện, dễ sử

dụng.

Giải pháp nâng cấp:

Từ những yêu cầu trên, NARIME đã đưa giải pháp

kết nối như Hình 3.

Hệ thống điều khiển mới là một hệ SCADA với hệ

thống truyền thông xây dựng trên trên nền tảng

profi_net của Siemens với 2 CPU thực hiên chức năng

điều khiển độc lập cho 2 dây truyền song song trong

trạm.

- CPU S7 400 (do nhà thầu khác cung cấp) để điều

khiển xi lô số 3 sẽ kết nối với CPU S7 400 của dây

chuyền theo chuẩn Profibus-DP Slave

- Giao tiếp giữa hai trạm S7 400 do NARIME thực

hiện và với màn hình giao diện HMI bao gồm 2

máy tính, 1 máy in theo chuẩn ethernet.

- Tại các module mở rộng (phân tán) thu thập tín

hiệu sẽ được thay thế bằng các module (I/O) S7-

300, qua ET kết nối với trạm S7-400 nâng cấp

theo chuẩn Profibus.

602

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

Bảng liệt kê cấu hình thay thế tại tủ SC1 (tủ PLC

chính).

STT Tên Module

hiện hữu

Tên module thay

thế

1(Rack 1) - Bộ nguồn 10 A

2 CPU S5 948 CPU S7400 416

3

Modul

Profibus

6GK1143

Module Profibus

443-5 extend

4 -

Module ethenet443-

1 advance

5

Analog

module 8Ai Module analog 8AI

6-9

4 module

32DI 24Vdc

4 module 32DI

24Vdc

10-14

5x module

32DO 24Vdc

5x module 32DO

24Vdc

15

Module mở

rộng rack IM

308

Module IM 460-0

Send

1(Rack 2) - Bộ Nguồn 4A

2

Modul mở

rộng rack

IM300

Module IM 461-0

Receive

3-11

9x module

16DI 220Vac

9x module 16DI

220Vac

B.1. Bảng kê thiết bị thay thế tủ PLC chính.

Phần mềm điều khiển, lập trình:

Đối với phần mềm lập trình PLC S7 400: sử dụng

SIMATIC S7 (Siemens).

Đối với phầm mềm lập trình giao diện HMI: sử

dụng WINCC (Siemens). Hệ thống giao diện mới sẽ

giữ toàn bộ các phím thao tác, ký hiệu (symbol)…

trên màn hình hiện hữu, bổ sung thêm các tín hiệu để

giám sát và bổ sung thêm phần dự án nâng cấp mới để

làm giảm thời gian chuyển giao công nghệ và hướng

dẫn vận hành…

2.3.2. Các phương án và công nghệ chủ yếu áp

dụng trong dự án

a. Lập mô hình mô phỏng trước khi thi công

Lập mô hình mô phỏng trước khi thi công là bước

rất quan trọng trong một dự án nâng cấp hệ thống điều

khiển.

Việc mô phỏng hệ thống không những giúp cho

đơn vị nâng cấp kiểm tra tính đúng đắn của chương

trình mà còn giúp cho chủ đầu tư theo dõi, đánh giá

toàn bộ quá trình thực hiện.

H.3. Cấu hình hệ thống điều khiển mới

603

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

H.4. Chủ đầu tư, đơn vị giám sát và lãnh đạo Viện kiểm

tra quá trình mô phỏng.

Trong quá trình mô phỏng, chủ đầu tư, tư vấn

giám sát có thể góp ý, yêu cầu thay đổi một số các

chương trình con hoặc giao diện HMI.

Tóm lại, quá trình mô phỏng trong một dự án nâng

cấp hệ thống điều khiển là bước không thể thiếu để

giúp cho chủ đầu tư, tư vấn giám sát, nhà thầu thống

nhất toàn bộ chương trình trước khi dừng máy để thực

hiện việc nâng cấp.

b. Ứng dụng công nghệ mới và thiết bị đặc chủng.

Đối với một số hệ thống điều khiển, việc thay thế,

nâng cấp phải thực hiện thủ công tức là tháo dời từng

module PLC, thay thế các module mới, đấu nối thủ

công các tín hiệu vào hệ thống

Tuy nhiên, với hệ thống điều khiển của Trạm phân

phối xi măng Hiệp Phước, tổng lượng tín hiệu là xấp

xỉ 1,300 tín hiệu. Với số lượng lớn tín hiệu như vậy

và thời gian dừng máy không quá 4 ngày, không gian

làm việc tại phòng điều khiển hạn chế phải tìm và áp

dụng các thiết bị đặc chủng cho nâng cấp để giảm

thiểu sự sai sót, giảm thời gian thi công là vấn đề

quyết định sự thành công của dự án.

Một trong những thiết bị Viện Nghiên cứu Cơ khí

đã ứng dụng cho dự án là bộ chuyển đổi tín hiệu S5-

S7 Interface Module Adaptor.

H.5. Interface module adapter S5 – S7.

Nhờ các thiết bị này mà thời gian đấu nối dự kiến

từ 3 ngày xuống còn 1,5 ngày (một số module S5

không sử dụng được S5-S7 Interface Module

Adapter).

c. Chuyển đổi phần mềm từ họ S5 sang họ S7:

việc tìm hiểu công nghệ cũ là rất quan trọng trong quá

trình nâng cấp chuyển đổi. Một công cụ trong phần

mềm Simatic Step7 sẽ cho phép người lập trình có thể

chuyển đổi phần mềm đã viết cho họ PLC S5 sang họ

S7. Cấu trúc phần mềm được chuyển đổi sẽ không giữ

được hoàn toàn, người lập trình sẽ phải xây dựng lại

cấu trúc mới dựa trên nền công nghệ cũ và phần sẽ

nâng cấp. Công cụ chuyển đổi sẽ giúp ích rất nhiều

bởi nó có thể đã biên dịch được hầu hết các FC, FB

mà trong đó mô tả rất rõ một quy trình nào đó của

công nghệ cũ và việc cần thiết đôi khi chỉ là bổ xung

các tín hiệu nâng cấp, viết lại một số đoạn mã không

phù hợp và tiến hành test riêng cho khối chương trình

đó trước khi sử dụng lại.

d. Giải pháp hiệu chỉnh, chạy thử và đưa vào vận

hành:

Trạm xuất xi măng Hiệp Phước sau khi nâng cấp,

lắp mới có tổng cộng 3 xi lô, 2 hệ thống gầu tải, 2 đầu

nạp liệu từ tàu và nhiều dây chuyền đóng bao thường,

bao Jumbo, đầu xuất xi măng rời và các hệ thống phụ

trợ như lọc bụi, hệ thống qụat sục khí v.v… Để đảm

bảo hiệu chỉnh các tín hiệu, chạy thử và đưa vào vận

hành thành công nếu ta không có giải pháp khả thi sẽ

dẫn đến sai sót trong khi vận hành và không đảm bảo

an toàn cho các thiết bị công nghệ cũng như người

vận hành, như vậy sẽ ảnh hưởng lớn đến kinh tế cho

chủ đầu tư và cả nhà thầu vì phải dừng máy hiệu

chỉnh nhiều lần đặc biệt, trạm xuất xi măng Hiệp

Phước đã có nhiều lần sửa chữa trước đó, bản vẽ sai

lệch so với thiết kế. Ngoài ra, một số tín hiệu đã bị

đấu tắt do thiết bị trường bị hỏng hoặc họat động sai.

Dự án được sử dụng phương án “cuốn chiếu”,

từng dây chuyền sẽ được hiệu chỉnh theo nguyên tắc:

kiểm tra, hiệu chỉnh tín hiệu của từng thiết bị công

nghệ trước rồi đến dây chuyền. Từng dây chuyền

trước rồi mới đến chạy hệ thống. Các dây chuyền

quan trọng được hiệu chỉnh trước rồi mới đến các dây

chuyền ít quan trọng hơn. Toàn bộ quá trình hiệu

chỉnh phải có sự giám sát của chủ đầu tư, tư vấn giám

sát và nhà thầu và có văn bản kiểm tra tại hiện trường.

2.3.4. Giải pháp đảm bảo chất lượng, vệ sinh môi

trường và an toàn lao động

Trong các dự án xi măng, việc thi công đảm bảo

chất lượng, vệ sinh môi trường và an toàn lao động có

vai trò quan trọng. Từ khâu khảo sát, thiết kế, chế tạo,

thi công, lắp đặt và chạy thử đều có ít nhất một cán bộ

giám sát, đánh giá và hướng dẫn để đảm bảo dự án

đảm bảo chất lượng theo các tiêu chuẩn Việt Nam

(TCVN) về chất lượng, vệ sinh môi trường và an toàn

lao động. Đặc biệt với các đơn vị thầu phụ thi công

đều phải cam kết và trình giải pháp, phương án phù

hợp đảm bảo các yêu cầu trên trước khi thi công.

604

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

2.3.3. Kết quả đạt được.

Toàn bộ dự án được thực hiện trong đúng 04 ngày

dừng máy (dịp tết Nguyên Đán) đảm bảo theo đúng

kế hoạch của chủ đầu tư.

Hệ thống mới đảm bảo thân thiện, dễ sử dụng.

Trong thời gian ngắn hướng dẫn, công nhân vận hành

có thể vận hành toàn Trạm.

Các chương trình đảm bảo đáp ứng được sơ đồ

công nghệ, logic vận hành. Đặc biệt, hệ thống mới có

nhiều cải tiến tăng tính an toàn, đảm bảo chất lượng,

giảm tiêu hao năng lượng v.v… do đã được thống

nhất trong quá trình mô phỏng.

Hệ thống mới đảm bảo tính mở, tính dự phòng,

đồng bộ và kết nối thành công với hệ thống điều

khiển tại chỗ xi lô số 3 do nhà thầu Đức thực hiện.

3. Kết luận Thành công trong việc nâng cấp các hệ thống điều

khiển trong các nhà máy và xí nghiệp công nghiệp đã

khẳng định trình độ của kỹ sư điện – điều khiển tại

Viện Nghiên cứu Cơ khí nói riêng và Việt Nam nói

chung, khả năng của các doanh nghiệp Việt Nam

trong việc tiếp cận, cạnh tranh và thực hiện các gói

thầu về nâng cấp các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp

với giá thành hạ, hệ thống mới đảm bảo tính ổn định

cao, hiện đại, đồng bộ, thời gian dừng máy ngắn.

Viện Nghiên cứu Cơ khí đang nghiên cứu các giải

pháp ứng dụng và thành tựu khoa học mới từ các hãng

sản xuất như Siemens, ABB, Schneider v.v… để phục

vụ riêng cho các dự án nâng cấp hệ thống điều khiển

đồng bộ trong các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp và

đến nay đã có những thành công nhất định và dự kiến

sẽ hợp tác với một số các nhà máy, xí nghiệp công

nghiệp để áp dụng các thành tựu nghiên cứu vào lĩnh

vực nâng cấp các dây chuyền và nhà máy xí nghiệp

công nghiệp trong tương lai.

Tài liệu tham khảo [1] Krstíc, M.; Kanellakopoulos I.; Kokotovíc, P.:

Nonlinear and Adaptive Control Design. John

Wiley & Sons, Inc., New York 1995

[2] Quang. Ng.Ph.; Dittrich, J.-A.: Praxis der

feldorientierten Drehstromantriebs-regelungen.

2. Aufl., Expert-Verlag, 1999.

[3] GS Phạm Văn Ất; Kỹ thuật lập trình C. NXB

khoa học và kỹ thuật năm 1999.

H.6. Màn hình giao diện Overview trước (hình nhỏ) và sau khi nâng cấp.

605