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: [email protected]
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