Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát trạm nghiền clinker nhà máy xi măng hướng dương

Đồ án tốt nghiệp Ngành Điều khiển tự động BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA HÀ NỘI _***_ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP Họ tên : Hoàng Tiến Việt Lê Quang Dũng Bùi Hữu Hiếu Khóa : 49 Khoa: Điện Ngành: Điều Khiển Tự Động Đề tài : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TRẠM NGHIỀN CLINKER NHÀ MÁY XI MĂNG HƯỚNG DƯƠNG Nội dung nhiệm vụ thiết kế : - Tìm hiểu nắm vững quy trình cơng nghệ sản xuất xi măng Nhà máy từ khai thác nghiền liệu đến đóng gói sản phẩm đặc thù riêng nhà máy - Tìm hiểu cấu trúc hệ thống nghiền Clinker, thiết bị điều khiển sử dụng phương pháp điều khiển hệ thống - Nghiên cứu phần mềm WinCC STEP - Ứng dụng phần mềm WinCC STEP để xây dựng hệ thống điều khiển cho công đoạn nghiền xi măng Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Phan Xuân Minh Hà Nội, Ngày 28 tháng 05 năm 2009 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN Lê Quang Dũng, Bùi Hữu Hiếu, Hoàng Tiến Việt GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Đồ án tốt nghiệp Ngành Điều khiển tự động LỜI CẢM ƠN Trong năm gần đất nước ta đẩy mạnh cơng nghiệp hố đại hố sản xuất xi măng đóng vai trị quan trọng nghiệp phát triển đất nước Vì việc nghiên cứu hệ thống điều khiển tự động sản suất xi măng nhiệm vụ cần thiết Ngày nay, nhà máy xi măng ngày có quy mơ lớn, u cầu điều khiển tự động cao, độ tin cậy khả xử lý phân tán, điều khiển cấp cao tối ưu Do hệ điều khiển vào tập trung cũ không đáp ứng yêu cầu điều khiển Cùng với phát triển ngành khoa học khác công nghệ thông tin, điện tử thúc đẩy hệ thống điều khiển phân tán đời Đó hệ thống điều khiển tích hợp trọn vẹn phần cứng phần mềm để xây dựng hệ điều khiển tự động Đề tài chúng em là: “Nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển, giám sát cho công đoạn nghiền clinker” Chúng em xin chân thành cảm ơn cô giáo PGS.TS Phan Xuân Minh, tập thể kỹ sư Phòng Điện thuộc Cơng ty xi măng Hướng Dương tồn thể thầy cô giáo môn Điều Khiển Tự Động hướng dẫn giúp đỡ chúng em trình thực tập làm đồ án tốt nghiệp Tuy nhiên hạn chế mặt kiến thức thời gian cố gắng khơng tránh khỏi thiếu xót Chúng em mong nhận góp ý bổ xung thầy cô giáo, bạn Sinh viên thực Bùi Hữu Hiếu Lê Quang Dũng Hoàng Tiến Việt Lê Quang Dũng, Bùi Hữu Hiếu, Hoàng Tiến Việt Đồ án tốt nghiệp Ngành Điều khiển tự động MỤC LỤC Danh mục hình vẽ………………………………………………………………………… Chương I: Tổng quan công nghệ sản xuất xi măng Tóm Tắt quy trình sản xuất…………………………………………… ……… Hiện trạng công nghệ SX XM VN…………………………………………… Tổng quan nhà máy xi măng Hướng Dương.…………………………… … 3.1 Tổng quan……………………………… ………………………………….… 3.2 Công suất nhà máy………………… …………………………………… 3.3 Các tiêu kỹ thuật chính…………………………………………………… Lưạ chọn công nghệ nhà máy xi măng Hướng Trang Trang Trang Trang Trang Trang Trang 10 Trang 10 Trang 10 Dương………………………… Đặc trưng dây chuyền công nghệ sản xuất……………………………………… Khái niệm xi măng Pooclang…………………………………………………… 6.1 Khái niệm xi măng Poolang………………………………………………… 6.2 Các tính chất xi măng Poolang……………………………………………… 6.3 Thành phần hóa học xi măng Poolang………………………………………… Quy trính sản xuất……………………………………………………………… 7.1 Sơ đồ công nghệ……………………………………………………………… 7.2 Chuẩn bị nguyên liệu………………………………………………………… 7.3 Nghiền liệu đồng liệu………………………………………………… 7.4 Tháp trao đổi nhiệt lò nung………………………………………………… 7.5 Nghiền xi Trang 10 Trang 11 Trang 11 Trang 11 Trang 13 Trang 14 Trang 14 Trang 18 Trang 19 Trang 20 Trang 21 măng……………………………………………………………… 7.6 Đóng bao xuất xi măng…………………………………………………… Chương II: Tự động hoá nhà máy XM HD…………………………………………… Cấu trúc điều khiển nhà máy…………………………………………… 1.1 Cấp quản lý…………………………………………………………………… 1.2 Cấp vận hành………………………………………………………………… 1.3 Cấp trường…………………………………………………………………… Đặc tính kỹ thuật………………………………………………………………… 2.1 Cấp trường…………………………………………………………………… 2.2 Cấp vận hành………………………………………………………………… 2.3 Cấp điều hành quản lý thông tin………………………………………… Trạm kỹ thuật…………………………………………………………………… Giám sát từ xa…………………………………………………………………… Cấu trúc giao tiếp mạng………………………………………………………… 5.1 Cấu trúc mạng………………………………………………………………… 5.2 Truy nhập bus………………………………………………………………… 5.3 Kỹ thuật truyền dẫn…………………………………………………………… 5.4 Phương tiện truyền dẫn……………………………………………………… Giao diện HMI nhà máy…………………………………………………… 6.1 Biểu tượng có chung hình giao diện…………………………… 6.2 Các biểu tượng riêng trang giao diện………………………………… Trang 22 Trang 23 Trang 23 Trang 24 Trang 24 Trang 24 Trang 25 Trang 25 Trang 26 Trang 27 Trang 27 Trang 28 Trang 28 Trang 28 Trang 28 Trang 29 Trang 29 Trang 29 Trang 29 Trang 29 Lê Quang Dũng, Bùi Hữu Hiếu, Hoàng Tiến Việt Đồ án tốt nghiệp Ngành Điều khiển tự động Chương III: Giới thiệu công đoạn nghiền clinker……………………………………… Trang 30 Phân tích q trình hoạt động công đoạn nghiền clinker…………………… Trang 31 Các silo chứa Trang 32 liệu……………………………………………………………… Cân băng định Trang 32 lượng…………………………………………………………… Máy nghiền bi…………………………………………………………………… Thiết bị phân ly………………………………………………………………… 5.1 Cấu tạo………………………………………………………………………… 5.2 Nguyên lý hoạt động………………………………………………………… Thiết bị lọc bụi………………………………………………………………… 6.1 Cấu tạo………………………………………………………………… 6.2 Nguyên ly hoạt động………………………………………………………… Silo chứa xi măng……………………………………………………………… Các yếu tố ảnh hưởng tới trình nghiền Trang 33 Trang 37 Trang 42 Trang 43 Trang 43 Trang 44 Trang 44 Trang 45 Trang 46 clinker…………………………… Chương IV: Xây dựng toán điều khiển, giám sát công đoạn nghiền clinker Đặt vấn đề……………………………………………………………………… Phát biểu tốn……………………………………………………………… Phân tích hệ thống……………………………………………………………… 3.1 Điều khiển giám sát cân băng định lượng…………………………….…… 3.2 Điều khiển trình khởi động giám sat hoạt động máy nghiền…………… 3.3 Điều khiển giám sát hệ thống phân ly lọc Trang 47 Trang 47 Trang 47 Trang 47 Trang 49 Trang 52 Trang 53 bụi……………………………… 3.4 Giám sát hệ thống gầu nâng silo chứa xi măng…………………………… Trang 53 Giải pháp thực Trang 53 hiện……………………………………………………………… 4.1 Bộ điều khiển trung tâm PLC S7-300………………………………………… 4.2 Các thiết bị vào ra……………………………………………………………… 4.3 Các đầu vào/ ra………………………………………………………………… Chương V: Xây dựng hệ thống điều khiển giám satscoong đoạn nghiền clinker Lập trình S7-300 Cấu trúc chương trình…………………………………………………………… FC1: Thuật tốn khởi động trạm Trang 55 Trang 55 Trang 56 Trang 60 Trang 60 Trang 60 Trang 61 nghiền………………………………………… FC2: Thuật toán giám sát hoạt động trạm nghiền…………………………… 3.1 Thuật toán giám sát silo chứa xi măng………………………………… 3.2 Thuật toán giám sát nhiệt độ trước sau lọc bụi……………………………… 3.3 Thuật toán giám sát máy nghiền……………………………………………… OB35: Trích mẫu tín hiệu thực PID ……………………………… 4.1 Điều khiển cân băng định lượng……………………………… 4.2 Thuật toán điều khiển giám sát khối phân ly……………………………… FC4: Giám sát cân băng định lượng…………………………………………… Trang 62 Trang 62 Trang 63 Trang 64 Trang 66 Trang 66 Trang 67 Trang 68 Lê Quang Dũng, Bùi Hữu Hiếu, Hoàng Tiến Việt Đồ án tốt nghiệp Ngành Điều khiển tự động FC3: Thuật toán dừng trạm Trang 69 nghiền……………………………………………… Thiết kế giao diện WinCC Khởi động WinCC & tạo dự án điều khiển giám sát trạm nghiền clinker……… Thiết lập hệ thống external tag WinCC………………………………………… Thiết kế hệ thống cảnh báo……………………………………………………… Thiết kế giao diện HMI………………………………………………………… Trang 70 Trang 71 Trang 78 Trang 79 Trang 80 Tài liệu tham khảo……………………………………………………………………… Phụ Trang 85 Trang 86 lục…………………………………………………………………………………… DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1: Sơ đồ cơng nghệ Hình 2: Hệ thống DCS nhà máy Hình 3: Sơ đồ tổng quan cơng đoạn nghiền clinker Hình 4: Nguyên lý hoạt động cân băng định lượng Hình 5: Máy nghiền bi kiểu ngang Hình 6: Tấm lót bi máy nghiền Hình 7: Cấu tạo lót lịng máy nghiền bi Hình 8: Sơ đồ mạch khởi động động máy nghiền Hình 9: Mơ thiết bị phân ly Hình 10: Sơ đồ điều khiển PID cho cân băng định lượng Hình 11: Sơ đồ đo mật độ liệu cân băng Hình 12: Cấu trúc hệ thống điều khiển Hình 13: Cấu hình hệ thống giứa HMI PLC Hình 14: Kết nối ET200M S7-300 Hình 15: Cấu trúc chương trình Hình 16: Thuật tốn khởi động máy nghiền Hình 17: Thuật tốn giám sát silo chứa xi măng Hình 18: Thuật tốn giám sát nhiệt độ trước sau lọc bụi Hình 19: Thuật tốn giám sát máy nghiền Hình 20: Điều khiển cân băng định lượng Hình 21: Thuật tốn điều khiển vầ giám sát khối phân ly Hình 22: Giám sát cân băng định lượng Hình 23: Thuật tốn dừng trạm nghiền Lê Quang Dũng, Bùi Hữu Hiếu, Hoàng Tiến Việt Trang 15 Trang 23 Trang 32 Trang 36 Trang 37 Trang 38 Trang 38 Trang 41 Trang 42 Trang 50 Trang 51 Trang 54 Trang 55 Trang 56 Trang 60 Trang 61 Trang 62 Trang 63 Trang 64 Trang 66 Trang 67 Trang 68 Trang 69 Đồ án tốt nghiệp Ngành Điều khiển tự động Hình 24: Tạo dự án WinCC Hình 25: Các biến khởi động Hình 26: Các biến nhóm máy nghiền Hình 27: Các biến nhóm cân băng Hình 28: Các biến nhóm phân ly - lọc bụi Trang 70 Trang 71 Trang 72 Trang 73 Trang 75 Hình 29: Các biến nhóm silo xi măng Hình 30: Biến cảnh báo Hình 31: Thiết lập cảnh báo Hình 32: Thiết kế giao diện HMI Hình 33: Giao diện Hình 34: Giao diện khối cân băng định lượng Hình 35: Giao diện giám sát thơng số máy nghiền: Hình 36: Giao diện giám sát máy phân li Hình 37: Giao diện cảnh báo Trang 76 Trang 77 Trang 78 Trang 79 Trang 80 Trang 81 Trang 82 Trang 83 Trang 84 Lê Quang Dũng, Bùi Hữu Hiếu, Hoàng Tiến Việt Đồ án tốt nghiệp Ngành Điều khiển tự động CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY XI MĂNG HƯỚNG DƯƠNG Tóm tắt quy trình sản xuất xi măng Các nguyên liệu đầu vào gồm đá vôi, đá sét phụ gia điều chỉnh gia công đập nhỏ, phối hợp theo tỷ lệ định để thành phối liệu sấy, nghiền mịn thành bột liệu Bột liệu đồng nung lò nung để tạo thành clinker Clinker khỏi lị nung, làm nguội, dự trữ silơ đưa nghiền với thạch cao phụ gia xi măng để tạo thành xi măng Xi măng xuất dạng bao rời Hiện trạng công nghệ sản xuất xi măng Việt Nam - Trong ngành công nghiệp xi măng Việt Nam, tồn phương pháp sản xuất : + Phương pháp ướt + Phương pháp bán khô + Phương pháp khơ - Xét trình độ cơng nghệ, phương pháp sản xuất này, sản xuất xi măng theo phương pháp khô công nghệ tiên tiến Các tiêu đặc trưng cho trình độ công nghệ tiên tiến sản xuất xi măng : +Chất lượng clinker xi măng đạt cao +Tiêu hao điện năng, nhiệt vật tư mức thấp +Đảm bảo tiêu bảo vệ mơi trường +Cơ khí hố tự động hố điều khiển tối đa trình sản xuất +Năng suất lao động công nhân sản xuất trực tiếp cao - Một số tiêu đặc trưng cho công nghệ sản xuất xi măng Việt Nam giới Bộ Xây dựng tổng kết sau : TT Tên tiêu cơng nghệ Đơn vị tính Mức đạt phương pháp SX P.P ướt P.P bán khô P.P khô Tiêu hao nhiệt Tiêu hao điện KWh/Txm VN: 145-165 Nga: 150-165 Tiêu hao gạch Chịu lửa VN: 2-2,5 Kcal/Kg Clinker Kg/tấn Clinker VN: 1600-1800 VN: 1100-1300 VN: 730-800 Nga: 1600-1650 TQ: 1050-1150 TG: 700-750 Lê Quang Dũng, Bùi Hữu Hiếu, Hoàng Tiến Việt VN: 115-125 TQ: 110-115 VN: 0,8-1,0 TQ: 0,6-0,8 VN: 96-100 TG: 94-100 VN: 0,8 - 1,0 TG: 0,6-0,8 Đồ án tốt nghiệp Tiêu hao bi đạn nghiền Mức độ tự động hoá sản xuất Năng suất lao động Ngành Điều khiển tự động Kg/Txm VN: 1,5-2,0 % phận VN: 10 - 15 Txm/ng.năm VN: 250-450 VN: 0,4 - 0,6 TG: 0,3 - 0,5 VN: 25-30 VN: 85-95 TQ : 30-35 TG: 100 VN: 150-450 VN: 2.000-2500 TQ: 400-600 TG:3000-5.000 VN; 1,0 - 1,2 - Sự tồn phương pháp sản xuất ngành công nghiệp xi măng Việt Nam phản ánh mức độ phát triển kinh tế nước chậm phát triển, bắt đầu giai đoạn cơng nghiệp hố đại hố Đây quy luật chung nước bắt đầu phát triển - Để nâng cao trình độ cơng nghệ, ngành công nghiệp xi măng Việt Nam cải tạo chuyển đổi dây chuyền sản xuất theo phương pháp ướt thành dây chuyền sản xuất theo phương pháp khô đại Đầu tư chiều sâu nâng cấp mức độ tự động hoá điều khiển sản xuất tiêu bảo vệ môi trường nhà máy xi măng lò đứng sản xuất theo phương pháp bán khô Tổng quan nhà máy xi măng Hướng Dương 3.1 Tổng quan Nhà máy xi măng Hướng Dương nằm đường quốc lộ 1A thuộc địa phận huyện Tam Điệp – Tỉnh Ninh Bình Nằm kẹp hai thành phố lớn Thanh Hóa Ninh Bình, lại tiếp giáp với quốc lộ 1A nơi có địa hình giao thơng thuận tiện cho việc sản xuất nhà máy xây dựng với quy mơ lớn, diện tích khoảng 500000 km2 bốn xung quanh núi đá vôi, nguồn cung cấp nguyên liệu Nhà máy hãng Chop trung quốc thiết kế xây dựng dựa dây truyền cơng nghệ khép kín, đại, mức độ tự động hóa cao, sản xuất xi măng theo phương pháp khơ, sử dụng lị quay Là nhà máy trẻ xây dựng đưa vào sản xuất từ năm 2006, Hướng Dương ngày phát triển đóng góp phần vào cơng xây dựng đất nước với đội ngũ cán kĩ thuật viên, công nhân trẻ, động ngày trưởng thành số lượng chất lượng động lực thúc đẩy nhà máy phát triển mạnh mẽ tương lai Nguyên liệu để sản xuất clinker ximăng pooclăng nhà máy xi măng Hướng Dương bao gồm: Đá vôi Nam Sơn, đất sét Đông Sơn, quặng sắt Quang Sơn Phiến silic Hà Trung nên thuận tiện cho việc vận chuyển, giảm chi phí đầu vào.nhà máy sản xuất hai loại xi măng xi măng pooclăng PC50 xi măng pooclăng PB40 với tiêu đạt tiêu chuẩn TCVN 7024 : 2002 với việc nằm khu công nghiệp bao quanh hàng loạt nhà máy sản xuất xi măng lớn : Tam Điệp, Bỉm Sơn… địi hỏi Hướng Dương phải ln cải tiến công nghệ nâng cao chất lượng sản phẩm cạnh tranh Lê Quang Dũng, Bùi Hữu Hiếu, Hoàng Tiến Việt Đồ án tốt nghiệp Ngành Điều khiển tự động tồn việc phát triển không tách dời với bảo vệ môi trường Hướng Dương xây dựng cho hệ thống khép kín cơng nghệ cao bảo đảm nồng độ bụi an tồn Cơng ty xây dựng hệ thống xử lý nước thải, hệ thống lọc bụi trồng vườn xanh củng cố đội ngũ công nhân làm công tác vệ sinh môi trường xanh đảm bảo môi trường làm việc thuận lợi cho nhà máy 3.2 Công suất nhà máy - Công suất nhà máy xi măng Hướng Dương xác định 2.500 clinker/ ngày Số ngày hoạt động năm nhà máy tính mức 310 ngày - Sản lượng clinker năm nhà máy là: 2.500 t/ngày x 310 ngày/năm = 775.000 tấn/năm 3.3 Các tiêu kỹ thuật - Chất lượng clinker đạt tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7024 : 2002 - Chất lượng xi măng : Theo tiêu chuẩn hành Việt nam - Nhiên liệu sử dụng: 100% than cám chất bốc thấp - Nhiệt tiêu tốn (từ nhiên liệu) : £ 750 kcal/kg clinker - Điện tiêu tốn : £ 96 KWh/ xi măng - Nồng độ bụi phóng thải miệng ống khói £ 50mg/Nm3 (nồng độ cho phép theo tiêu chuẩn Việt Nam £ 100mg/Nm3) Lựa chọn công nghệ cho nhà máy xi măng Hướng Dương Công nghệ sản xuất xi măng lựa chọn cho nhà máy xi măng Hướng Dương công nghệ sản xuất theo phương pháp khơ với hệ thống lị quay có tháp trao đổi nhiệt gồm nhánh, tầng xiclon, có buồng phân hủy (calciner) đốt hồn tồn (100%) than cám chất bốc thấp, với thiết bị công nghệ đại, hệ thống điều khiển tự động kiểm tra đo lường mức tiên tiến, cho phép mở rộng phạm vi sử dụng nguyên nhiên liệu dải rộng, tiết kiệm lượng, tạo sản phẩm có chất lượng cao ổn định, mặt khác bảo đảm an tồn q trình sản xuất, vệ sinh công nghiệp bảo vệ môi trường Đặc trưng dây chuyền công nghệ sản xuất lựa chọn cho nhà máy xi măng Hướng Dương - Dây chuyền công nghệ nhà máy xi măng Hướng Dương trang bị hệ thống thiết bị tiên tiến, đại, đồng từ công đoạn gia công nguyên liệu đến công đoạn cuối xuất xi măng, bao gồm: - Tiếp nhận nguyên, nhiên liệu hoàn toàn giới hóa - Các nguyên liệu, nhiên liệu như: đá vôi, đá sét phụ gia gia công đập nhỏ tới cỡ hạt phù hợp đồng sơ kho chứa đảm bảo chất lượng ổn định Lê Quang Dũng, Bùi Hữu Hiếu, Hoàng Tiến Việt Đồ án tốt nghiệp Ngành Điều khiển tự động - Căn vào tính chất lý nguyên liệu, chọn thiết bị nghiền máy nghiền đứng lăn để nghiền mịn sấy phối liệu đảm bảo yêu cầu độ mịn độ ẩm bột liệu công nghệ sản xuất theo phương pháp khô - Chọn hệ thống đồng bột liệu theo kiểu nạp tháo liên tục hiệu suất cao xilô đồng nhằm tiết kiệm vốn đầu tư - Nung clinker thực lò quay với tháp trao đổi nhiệt tầng có buồng phân hủy (calciner), sử dụng 100% than Antraxit chất bốc thấp để đốt buồng phân huỷ lò nung clinker - Clinker khỏi lò quay làm lạnh máy làm lạnh kiểu ghi cấp, bảo đảm nhiệt độ clinker khỏi máy làm lạnh 650C nhiệt độ mơi trường kích thước £ 25mm - Nghiền xi măng cấp chu trình kín với máy cán ép (cấp I) máy nghiền bi (cấp II) đạt độ mịn yêu cầu xi măng - Quá trình sản xuất nhà máy thực với hệ thống tự động hoá mức độ cao điều khiển tập trung phòng điều khiển trung tâm Một chương trình tối ưu hố cho sản xuất áp dụng để kiểm sốt tồn hoạt động nhà máy điều chỉnh kịp thời hoạt động thiết bị thông số công nghệ thay đổi Khái niệm xi măng pooclăng 6.1 Khái niệm xi măng pooclăng - Xi măng chất kết dính vơ bền nước, sản xuất cách nghiền clinker xi măng pooclăng với thạch cao phụ gia ( ≤ 40% ) - Clinker xi măng pooclăng sản phẩm nung đến kết khối hỗn hợp nguyên liệu đá vôi, đất sét số nguyên liệu khác với tỷ lệ cho tạo đủ khoáng silicát, aluminat, alumơ fezit can xi 6.2 Các tính chất xi măng pooc lăng 6.2.1 Độ mịn - Độ mịn đo phương pháp : + Phương pháp sàng : % lại sàng +Phương pháp tỉ diện : cm2/g, blaine Trong phương pháp sàng xác - Độ mịn ảnh hưởng quan trọng lên tính chất xi măng : + Thời gian đông kết : mịn nhanh + Cường độ xi măng : mịn cao + Độ co xi măng : mịn co nhiều + Độ dẻo : mịn dẻo + Toả nhiệt : mịn toả nhiệt lớn Lê Quang Dũng, Bùi Hữu Hiếu, Hoàng Tiến Việt 10