Đề tài NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG GIAO DIỆN HỆ THỐNG VỚI NHÁNH ĐIỀU KHIỂN ĐỐT LÒ NUNG NHÀ MÁY XI MĂNG HẢI PHÒNG

Phan Thanh Hải Đề tài Đề tài: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG GIAO DIỆN HỆ THỐNG VỚI NHÁNH ĐIỀU KHIỂN ĐỐT LÒ NUNG NHÀ MÁY XI MĂNG HẢI PHÒNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢIVIỆN ĐÀO TẠO SAU

Hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Tiến Ban

Tác giả: KS Phan Thanh Hải

Đề tài

Đề tài:

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG GIAO DIỆN HỆ THỐNG VỚI NHÁNH ĐIỀU KHIỂN ĐỐT LÒ NUNG NHÀ MÁY XI MĂNG HẢI PHÒNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢIVIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

1 Tính cấp thiết của đề tài

Đề tài nghiên cứu một phương thức điều khiển hệ thống lớn đang rất phát triển trên thế giới hiện nay được

áp dụng cho các đối tượng có sự phân cấp trong điều khiển Ngoài các thuật điều khiển, điều khiển phân tán là

sự ứng dụng và khai thác mạng truyền thông công nghiệp trong quản lý và điều hành hệ thống.

Đề tài thực hiện thành công sẽ góp phần làm sáng tỏ quá trình công nghệ ở một lĩnh vực công nghiệp hiện đại với khả năng kết hợp, ghép nối các thiết bị hiện đại, kinh điển, các thiết bị động lực với công suất lớn và rất lớn với các thiết bị điều khiển rất nhỏ bé về cấu trúc và rất ít ỏi về tiêu hao năng lượng Chính vì vậy, trong khuôn khổ của bản luận văn này sẽ tập trung vào nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng giao diện hệ thống với nhánh điều khiển đốt lò nung nhà máy xi măng Hải Phòng.

Nghiên cứu công nghệ một dây chuyền sản xuất lớn bao gồm nhiều mảng chức năng kết hợp với nhau, áp dụng nhiều lý thuyết điều khiển từ kinh điển đến hiện đại Từ đó hiểu và thực hiện mô phỏng, thiết kế giao diện cho một phần hệ thống với một nhánh điều khiển cụ thể làm cơ sở cho khả năng áp dụng thực hiện cả hệ thống lớn sau này

2 Mục đích của đề tài

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu tổng quan dây chuyền sản xuất của nhà máy

Xi măng Hải Phòng, các quy trình công nghệ sản xuất xi măng, nghiên cứu xây dựng cấu trúc cụm lò nung nhà máy xi măng Hải Phòng Thực hiện các mô phỏng điều khiển hoạt động cụm lò nung trên mô hình thực tế.

Nghiên cứu, phân tích lý thuyết, xây dựng cấu trúc điều khiển.

Dùng chương trình WinCC để thiết kế giao diện điều khiển cụm lò nung nhà máy xi măng.

Xây dựng mô hình để điều khiển 1 công đoạn nhỏ trong cụm lò nung thông qua mạng truyền thông công nghiệp

4 Phương pháp nghiên cứu

Đây là đề tài nghiên cứu điều khiển cụm lò nung nhà máy

xi măng Hải Phòng Nhà máy xi măng Hải Phòng ứng dụng công nghệ sản xuất tiên tiến trên thế giới, chính vì thế đề tài này nhằm tìm hiểu công nghệ sản xuất xi măng hiện đại, ứng dụng để có thể vận dụng công nghệ tiên tiến vào sản xuất thực tiễn trong nước.

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Bố cục luận văn: Luận văn được chia làm 3 chương:

Chương 1 Dây chuyền sản xuất xi măng nhà

máy xi măng Hải Phòng

Chương 2 Lò nung và điều khiển lò nung

Chương 3 Thiết kế giao diện điều khiển cụm

vòi đốt lò nung

Chương 1 Dây chuyền sản xuất xi măng nhà máy

xi măng Hải Phòng

1.1 Sơ lược về nhà máy xi măng Hải Phòng .

Dây chuyền sản xuất xi măng của nhà máy xi măng Hải Phòng mới sản xuất xi măng theo phương pháp khô, có công suất thiết kế là 1,4 triệu tấn/năm, do hãng FLSMIDTH của Đan Mạch thiết kế và cung cấp thiết bị chủ yếu.

Dây chuyền sản xuất xi măng Hải Phòng sử dụng hệ thống điều khiển phân tán với giải pháp PLC - based DCS

(Progammable Logic Controller - based Distributed Control

System) Hệ điều khiển này ra đời từ sự kết hợp của hệ điều

khiển phân tán DCS hiện đại và PLC, nhờ đó nó tận dụng được các ưu điểm, hạn chế nhược của cả hệ DCS và các PLC.

Các nguyên liệu sản xuất chính để sản xuất xi măng là

đá vôi, đá sét, quặng pyrit và silica Ngoài ra để cải thiện chất lượng và thay đổi mác xi măng, trong sản xuất còn trộn thêm một số phụ gia khác như thạch cao, tro bay, khoáng chất diatomite, thuốc

 Hình 1.1 Sơ đồ công nghệ sản xuất xi măng:

 Các mạch vòng điều chỉnh chính trong dây chuyền

1.2 Các công đoạn sản xuất xi măng

 Công đoạn khai thác và nghiền nguyên liệu thô.

 Công đoạn đồng nhất và nghiền nguyên liệu hỗn hợp.

 Công đoạn nghiền than.

 Công đoạn lò nung.

 Công đoạn

xi măng.

 Công đoạn đóng bao.

1.3 Hệ thống điều khiển dây chuyền sản xuất xi măng

Hình 1.9 Phân cấp chức năng điều khiển trong hệ thống điều khiển dây chuyền xi măng Hải Phòng

 Cấp điều hành sản xuất: gồm một máy tính Plant Guide đặt

tại phòng lập trình, có nhiệm vụ lập kế hoạch sản xuất, tổ chức, xử lý, đánh giá kết quả vận hành, từ đó đưa ra những điều chỉnh để đảm bảo các chỉ tiêu về sản lượng, chất lượng phù hợp với từng loại mác xi măng theo kế hoạch đã đề ra

 Cấp vận hành giám sát: nhiệm vụ chính của cấp này là vận

hành, giám sát hoạt động của toàn bộ dây chuyền, quản lí tham số hệ thống, lưu trữ dữ liệu và xử lý những tình huống bất thường

 Cấp điều khiển: có nhiệm vụ là nhận thông tin từ các bộ cảm

biến, các thiết bị đo lường và các bộ chuyển đổi, xử lý các thông tin đó theo một thuật toán điều khiển nhất định và truyền đạt lại kết quả xuống các cơ cấu chấp hành

 Cấp chấp hành: Nhiệm vụ là đo lường, chuyển đổi trong

trường hợp cần thiết từ đối tượng sản xuất và dẫn động tới các đối tượng sản xuất

 Mạng PROFIBUS – DP: là một trong ba giao thức của

PROFIBUS (Process Field Bus)

Kiến trúc giao thức: PROFIBUS – DP chỉ thực hiện các lớp 1 và

lớp 2 theo mô hình qui chiếu OSI (Open System Interconnection)

Lớp vật lý của PROFIBUS – DP qui định về kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu, môi trường truyền dẫn, cấu trúc mạng và các giao diện cơ học

Lớp liên kết dữ liệu ở PROFIBUS – DP được gọi là FDL (Fieldbus

Data Link), có chức năng kiểm soát truy nhập bus.

PROFIBUS – DP sử dụng phương thức truyền không đồng bộ, tức bên gửi và bên nhận không làm việc theo một nhịp chung

 Các hệ thống mạng sử dụng trong hệ thống điều khiển.

 Mạng Fast Ethernet

So với Ethernet thì sự khác nhau cơ bản của Fast Ethernet là tốc độ truyền được cải thiện hơn rõ rệt, cho phép truyền với tốc độ lên đến 100 Mbit/s (gấp 10 lần tốc độ truyền cho phép của Ethernet), với kỹ thuật truyền chủ yếu là cáp đôi dây xoắn

và cáp quang

Hệ thống mạng Fast Ethernet sử dụng phương pháp truy nhập

bus CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), là một phương pháp nổi tiếng cùng với mạng

Ethernet nói chung và Fast Ethernet nói riêng

Theo phuơng pháp CSMA/CD, mỗi máy tính hay PLC S7 -

400 đều có quyền truy nhập bus mà không cần một sự kiểm soát nào

 Các giao diện điều khiển và giám sát chính của dây chuyền Hình 1.10.

2.1 Đặt vấn đề:

Trong dây chuyền sản xuất xi măng, công đoạn lò nung là công đoạn quan trọng nhất Nguyên liệu đầu vào là đá vôi, đá sét, pyrit và silica được nung chảy, các phản ứng hóa học ở nhiệt độ cao xảy ra tạo thành clinker Sau đó clinker được làm nguội, đập nhỏ đưa vào công đoạn nghiền xi măng

Chương 2 Lò nung và điều khiển lò nung

2.2 Cụm vòi đốt chính và điều khiển hoạt động đốt.

 Vị trí và nhiệm vụ cụm vòi đốt chính.

Cụm vòi đốt chính 431BU780 nằm ở cuối lò nung, đầu phía cooler làm lạnh để phun dầu ngược dòng vật liệu như trên hình 2.2

Bảng 2.1 Các van thuộc cụm vòi đốt chính 431BU780

M01 Van dầu Điều khiển lượng dầu vào buồng đốt (lắp động cơ trên trục)

V01 Van dầu Đóng mở dầu vào buồng đốt

V02 Van dầu Đóng mở dầu vào buồng đốt

V03 Van dầu Đóng mở dầu hồi lưu

V04 Van khí Làm sạch vòi đốt khi mở (kích hoạt khi đóng)

Y01 Solenoid Đóng van dầu V01 khi được kích hoạt (kích hoạt khi mở)

Y02 Solenoid Đóng van dầu V02 khi được kích hoạt (kích hoạt khi mở)

Y03 Solenoid Đóng van dầu V03 khi được kích hoạt (kích hoạt khi mở)

Y04 Solenoid Đóng van dầu V04 khi được kích hoạt (kích hoạt khi mở)

Khi điều chỉnh giá trị đặt độ mở van M01 sẽ thay đổi lưu lượng dầu cấp cho vòi đốt, từ đó thay đổi được nhiệt độ cho lò nung theo yêu cầu công nghệ đặt ra.

Sau khi xóa chuỗi khởi động/dừng, có thể khởi động lại cụm vòi đốt bất kể lúc nào, kể cả khi dầu đang hồi lưu

 Hệ thống mạng điều khiển.

 Mạng PROFIBUS – DP đến S7 – 300 của cụm vòi đốt chính

Từ máy tính điều khiển trung tâm, nối qua bộ chuyển mạch thông minh đến S7 – 400 431CS001 liên động cho công đoạn lò nung, trong đó có cấp dầu cho vòi đốt Từ S7 – 400 431CS001

có bốn đường PROFIBUS – DP chính xuống phía dưới là:

Các thiết bị vào ra phân tán

Các PLC S7 – 300

Các máy cắt và biến tần

Các tủ MCC và MDB

 Giao tiếp giữa S7 – 400 431CS001 với S7 – 300 431BU780

Khi hoạt động các S7 – 400 431CS001 và S7 – 300 431BU780 cần trao đổi dữ liệu với nhau Các dữ liệu cần trao đổi ở đây bao gồm lệnh khởi động/dừng (khởi động/dừng) vòi đốt, các tham

số điều khiển, quyền điều khiển tại chỗ từ trung tâm gửi đến

 Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển.

 Đối tượng điều khiển:

Trong cấu trúc này, đối tượng cần điều khiển là lò nung trong giai đoạn sấy lò

 Tín hiệu đặt (SP):

Là giá trị nhiệt độ lò cần đạt được sau giai đoạn sấy, tín hiệu này truyền từ trung tâm xuống

 Biến được điều khiển (PV):

Là nhiệt độ lớp lót lò nung trong suốt quá trình sấy lò

 Bộ điều khiển :

Bộ điều khiển sử dụng là PLC S7 – 300 có chức năng nhận tín hiệu đo, so sánh với tín hiệu đặt, thực hiện thuật toán điều khiển theo luật điều khiển PID, và đưa ra tín hiệu điều khiển

để can thiệp vào biến điều khiển thông qua thiết bị chấp hành

 Tín hiệu điều khiển:

Là tín hiệu đầu ra của PLC S7 – 300

 Biến điều khiển (u):

Là lưu lượng dầu cấp cho cụm vòi đốt chính Có thể trực tiếp can thiệp từ bên ngoài thông qua hệ thống cấp dầu Thay đổi lưu lượng dầu cấp cho vòi đốt sẽ tác động tới nhiệt độ lò Ở đây, lượng dầu thay đổi theo bước nhảy u = 2m3/h đến giá trị tương ứng nhiệt độ đặt là u = 10m3/h

 Sử dụng phương pháp đồ thị đáp ứng quá độ với ba điểm quy chiếu:

 Lựa chọn luật điều khiển và tham số bộ điều khiển

Do đặc tính động học của lò nung và cảm biến nhiệt độ thường chậm hơn của thiết bị chấp hành Phép đo nhiệt độ chậm nhưng thường ít chịu ảnh hưởng của nhiễu Vì thế ta lựa chọn luật điều khiển PID để cải thiện tốc độ đáp ứng, đồng thời giúp ổn định nhiệt độ dễ dàng hơn

 Phương trình sai phân lập trình PID

 Suy ra:

U(z) – z-2U(z) = aE(z) + bz-1E(z) + cz-2E(z)

Sử dụng tính chất dịch hàm gốc của biến đổi z, thu được phương trình sai phân ứng với phương trình trên:

u[k] = u[k-2] + a.e[k] + b.e[k-1] + c.e[k-2]

Với:

e[k] = SP[k] – PV[k-1]

SP[1] = SP

PV[0] = 0

 Với phương trình sai phân tìm được, các tham số Kp, Ti, Td

và thời gian trích mẫu T hợp lí, ta lập trình cho bộ điều khiển số thực hiện thuật toán điều khiển PID theo công nghệ đặt ra

Chương 3 Thiết kế giao diện điều khiển cụm vòi đốt lò nung

3.1 Đặt vấn đề

3.1.1 Giới thiệu về WinCC

WinCC là chữ viết tắt của Windows Control Center – trung tâm điều khiển chạy trên nền Windows, là phần mềm tích

hợp giao diện người máy IHMI (Intergrated Human Machine Interface) của hãng Siemens, cho phép kết hợp phần mềm điều

khiển với quá trình tự động hóa

3.1.2 Xây dựng một dự án trên WinCC

Chọn và cài đặt PLC hoặc bộ điều khiển: trong bước này ta phải định cấu hình cho hệ thống để hệ thống tự động giao tiếp với WinCC thông qua bộ điều khiển giao tiếp (driver) Việc chọn bộ điều khiển tùy thuộc vào loại PLC sử dụng

3.2 Mô hình đề

xuất

Hình 3.1 Mô hình đề xuất lò nung nhà máy xi măng

Lò nung & các van cụm vòi đốt

chính

Lò nung & các van cụm vòi đốt

Modul PLC:

CPU, nguồn, đầu vào ra

Modul PLC:

CPU, nguồn, đầu vào ra

Máy tính cài đặt WinCC & Simatic manager V5.3

Máy tính cài đặt WinCC & Simatic manager V5.3

1 Giới thiệu chung:

Hình 3.2 Mô hình cụm vòi đốt chính lò nung nhà máy

xi măng Hải Phòng

Bảng 3.1 Phân cổng vào/ra cho S7 – 300 431BU780

2 Liệt kê cổng vào ra:

 Lưu đồ chương trình điều khiển

 Lưu đồ chương trình chính OB1

 Lưu đồ chương trình con FC1  Lưu đồ chương trình con FC2

 Lưu đồ chương trình con FB41

“Điều khiển theo luật PID”

 Lưu đồ chương trình con FC4

“Điều khiển bốn van ON/OFF”

 Lưu đồ chương trình con FC4 “Điều khiển bốn van ON/OFF”

 Lưu đồ chương trình con FC7

“Chuỗi khởi

động/ dừng””

 Lưu đồ chương trình con FC5 “Input”

 Lưu đồ chương trình con FC6 “Output”

 Giao diện “CHON CHE DO DIEU KHIEN”

Hình 3.3 Giao diện “CHON CHE DO DIEU KHIEN”

3.3 Thiết kế màn hình giao diện

Hình 3.4 Giao diện “MO PHONG HOAT DONG”

 Giao diện “MO PHONG HOAT DONG”

 Giao diện “MO PHONG HOAT DONG”

Hình 3.5 Giao diện “MO PHONG HOAT DONG”

 Giao diện “DIEU KHIEN NHIET DO LO”

Hình 3.6 Giao diện “DIEU KHIEN NHIET DO LO”

 Giao diện “HIEN THI CAC THONG SO”

Hình 3.7 Giao diện hiển thị các thông số

3.4 Thiết kế mô phỏng hệ thống điều khiển đốt lò nung

Lựa chọn PLC và thiết lập cấu hình phần cứng cho PLC

Module khối nguồn PS 307 5A, là khối nguồn 5A

Module xử lý trung tâm CPU 315 – 2DP, tích hợp giao diện DP

Giao diện này được dùng để kết nối trạm S7 – 300 431BU780 với

mạng PROFIBUS – DP số 2

Module mở rộng cổng vào số DI16xDC24V

Module mở rộng cổng ra số DO8xRelay

Module mở rộng các cổng vào tương tự AI8x12Bit

Việc thiết lập cấu hình phần cứng của S7 – 300 431BU780 được

thiết lập bằng công cụ HW Config của phần mềm Step 7

Kết nối WinCC với S7 – 300 431BU780

Bước 1: Chọn bộ điều khiển

Bước 2: Chọn PLC kết nối

Bước 3: Gán địa chỉ cho CPU của PLC

Bước 4: Tạo các Tag ngoại

Bước 5: Kiểm tra kết nối

3.5 Chạy thử và kiểm tra

Bước 0: kiểm tra rò

Bước 1: mở van V01, V02

Bước 2: điều khiển nhiệt độ lò

Bước 3: đóng van V01, V02

Bước 4: mở van V04 làm sạch vòi đốt

Bước 5: mở van V03 hồi lưu dầu

Điều khiển nhiệt độ lò: Thực hiện đặt nhiệt độ lò SP, các tham số

Kp, Ti, Td từ “Panel Dieu Khien” trên giao diện “DIEU KHIEN VOI DOT”, mô phỏng này đặt tăng nhiệt độ 800 từ nhiệt độ làm việc của lò nung, khi nhấn nút “Dieu Khien” trong WinCC thực hiện thuật toán PID để đưa giá trị thực PV nhanh chóng tiến đến

ổn định và bằng giá trị đặt SP, khi có đối tượng điều khiển thật, các giá trị SP, Kp, Ti, Td nhập từ WinCC được gửi xuống PLC, thuật toán PID được thực hiện trong PLC và đưa ra tín hiệu điều khiển tới đầu ra điều khiển độ mở van của M01 điều chỉnh lưu lượng dầu để nhiệt độ lò đạt giá trị đặt

Nhận xét:

Mô phỏng giao diện hệ thống với nhánh điều khiển đốt lò nung nhà máy xi măng Hải Phòng cho kết quả tốt, thông qua các phương án thử nghiệm, hệ thống điều khiển, giám sát từ xa các hệ thống tự động của lò nung, ứng dụng công nghệ mạng chuyên gia đã cho kết quả thực hiện như sau:

Cho phép vận hành, điều khiển các thiết bị nằm ở các trạm phân tán trong buồng máy từ máy tính

Giám sát các tín hiệu tương tự thu thập từ thiết bị như: giá trị nhiệt

độ, giá trị tốc độ cho kết quả cập nhật nhanh, khả năng lọc nhiễu tốt

Giám sát các tín hiệu số bao gồm trạng thái vận hành của các thiết

bị như chạy, dừng, chế độ từ xa – tại chỗ, tự động – bằng tay, trạng thái sự cố cho độ chính xác cao và thời gian đáp ứng nhanh

Hệ thống báo động chính xác, nhanh các sự cố thu thập được từ các trạm và hiển thị trên các Panel báo động tại các vị trí khác nhau Kết quả thực hiện cho thấy hệ thống đã đảm bảo tính thời gian thực trong điều khiển và khả năng chống nhiễu trên đường truyền mạng trong môi trường nhà máy xi măng Hải Phòng