Nghiên cứu tự động hóa quá trình sản xuất xi măng tại nhà máy xi măng xuân thành

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG TRỊNH VĂN ĐIỆP NGHIÊN CỨU TỰ ĐỘNG HĨA Q TRÌNH SẢN XUẤT XI MĂNG TẠI NHÀ MÁY XI MĂNG XUÂN THÀNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN - 2020 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG TRỊNH VĂN ĐIỆP NGHIÊN CỨU TỰ ĐỘNG HĨA Q TRÌNH SẢN XUẤT XI MĂNG TẠI NHÀ MÁY XI MĂNG XUÂN THÀNH Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 8.52.02.16 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN THANH HÀ THÁI NGUYÊN - 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết đạt luận văn sản phẩm cá nhân hướng dẫn khoa học PGS.TS Nguyễn Thanh Hà Trong toàn nội dung luận văn, nội dung trình bày cá nhân tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu khác Tất tài liệu tham khảo có xuất xứ rõ ràng trích dẫn hợp pháp Tơi xin chịu trách nhiệm chịu hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan Thái Nguyên, tháng năm 2020 Tác giả Trịnh Văn Điệp ii LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Nguyễn Thanh Hà người hướng dẫn khoa học, thầy định hướng nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ em trình làm luận văn Em xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến quý thầy cô giáo trường Đại học Công nghệ thông tin Truyền thơng; Khoa Cơng nghệ tự động hóa truyền đạt kiến thức kinh nghiệm quý báu cho chúng em thời gian học tập Xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp, ban cán học viên lớp cao học CĐK 17 A, người thân gia đình động viên, chia sẻ, tạo điều kiện giúp đỡ suốt trình học tập làm luận văn Thái Nguyên, tháng năm 2020 Tác giả Trịnh Văn Điệp iii MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH Error! Bookmark not defined DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT…………………………7 MỞ ĐẦU CHƯƠNG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG 1.1 Sơ lược công nghệ sản xuất xi măng poólăng hỗn hợp (PCB) 1.1.1 Nguyên liệu để sản xuất xi măng poólăng hỗn hợp 1.1.2 Quá trình nghiền bột liệu sống 10 1.1.2.1 Đối với dây chuyền lò đứng 10 1.1.2.2 Đối với dây chuyền lò quay 10 1.1.3 Quá trình nung tạo thành Clinker 10 1.1.3.1 Đối với dây chuyền lò đứng 11 1.1.3.2 Đối với dây chuyền lò quay 11 1.1.4 Quá trình nghiền xi măng 12 1.1.5 Quá trình đóng bao lưu kho 12 1.2 Hệ thống điều khiển tự động hóa q trình sản xuất xi măng 13 1.3 Hệ thống điều khiển tự động hóa q trình sản xuất xi măng nhà máy Xi măng Xuân Thành 16 1.3.1 Hệ thống điều khiển tự động hóa q trình sản xuất xi măng nhà máy Xi măng Xuân Thành 18 1.3.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển phân tán DCS nhà máy 18 1.4 Hệ thống tự động trình cấp liệu nhà máy Xi măng Xuân Thành 22 1.5 Kết luận chương 23 CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT 24 2.1 Tổng quan phương pháp điều khiển tự động hóa 24 2.1.1 Điều khiển truyền thẳng 24 2.1.2 Điều khiển phản hồi 25 iv 2.1.3 Điều khiển tầng 28 2.1.4 Điều khiển nâng cao 29 2.2 Giới thiệu hệ thống cân băng định lượng 30 2.3 Phương pháp điều khiển logic khả trình 31 2.3.1 Tổng quan phương pháp điều kiển logic khả trình 31 2.3.2 Các thành phần PLC 33 2.3.3 Lập trình cho PLC 36 2.3.4 Đánh giá ưu nhược điểm PLC 38 2.4 Ứng dụng thiết bị điều khiển PLC - S1200 vào tự động hóa q trình sản xuất 39 2.4.1 Một số điều khiển trung tâm CPUs PLC SIEMENS S7 1200: 40 2.4.2 Mô đun vào PLC SIEMENS S7-1200 41 2.5 Kết luận chương 42 CHƯƠNG XÂY DỰNG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HĨA Q TRÌNH SẢN XUẤT XI MĂNG 43 3.1 Phân tích thống tự động hóa q trình cấp liệu Xi măng Xn Thành 43 3.1.1 Phân tích q trình cân cấp liệu 43 3.1.2 Thiết kế hệ thống cân cấp liệu Xi măng Xuân Thành 46 3.1.2.1 Hiện trạng hệ thống cân cấp liệu nhà máy Xi măng Xuân Thành 46 3.1.2.2 Thiết kế hệ thống cấp liệu sử dụng PLC S7 1200 47 3.2 Lập trình PLC S7 1200 thực tự động hóa q trình cấp liệu 51 3.3 Lập trình giao diện HMI kết nối PLC S7 1200 giám sát – điều khiển hệ thống cấp liệu 56 3.4 Kết luận Chương 64 KẾT LUẬN 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 v DANH MỤC HÌNH Hình 1 Hình ảnh cơng trường khai thác đá vơi………………………………………………13 Hình Hình ảnh máy đập đá vơi 10 Hình Hình ảnh lị nung Clinker 11 Hình Hình ảnh máy nghiền xi măng 12 Hình Hình ảnh minh họa khâu đóng bao thành phẩm 13 Hình Cấu trúc chung hệ thống điều khiển phân tán 14 Hình Cấu trúc hệ thống điều khiển, giám sát SCADA 15 Hình Hình ảnh nhà máy Xi măng Xuân Thành 16 Hình Sơ đồ quy trình cơng nghệ sản xuất xi măng 17 Hình 10 Mơ hình cân cấp liệu nhà máy Xi măng Xn Thành 22 Hình 11 Bộ điều khiển hệ thống cân cấp liệu nhà máy Xi măng Xuân Thành 23 Hình Cấu trúc điều khiển truyền thẳng 25 Hình 2 Cấu trúc hệ thống điều khiển phản hồi 26 Hình Cấu trúc hệ thống điều khiển PID 27 Hình Cấu điều khiển tầng gồm hai vòng phản hồi 28 Hình Các khối chức điều khiển mờ 29 Hình Sơ đồ hệ thống cân băng định lượng 30 Hình Trình bày thành phần điều khiển PLC 33 Hình Chu kỳ làm việc PLC 34 Hình Ngơn ngữ lập trình dạng LAD 37 Hình 10 Ngơn ngữ lập trình dạng CSF 37 Hình 11 Hình thiết bị điều khiển PLC S7-1200 40 Hình Cấu hình cân băng cấp liêu 43 Hình Bộ điều khiển cân băng định lượng 46 Hình 3 CPU1214DC/DC/DC 49 Hình Moduel SM 1221, 16DI-S7 1200 49 Hình Mơ đune SM1231 8AI 49 Hình Mơ đune SM 1222 16DO 50 Hình Mơ đune SM1232 – 4AO 50 Hình Cấu hình phần cứng trạm PLC S7 1200 cho cân liệu 51 Hình Projec cân cấp liệu 51 Hình 10 Kết nối mạng Ethernet với PC mổ – Giao diện giám sát 52 Hình 11 Màn hình HMI 8071iP 57 Hình 12 Giao diện hình 58 Hình 13 Giao diện thống kê khối lượng 59 Hình 14 Giao diện chuẩn cân 60 vi Hình 15 Giao diện chuẩn cân đá 61 Hình 16 Giao diện cài đặt tham số cho điều khiển 62 Hình 17 Đồ thị đáp ứng cân 63 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Xi măng poóc lăng hỗn hợp PCB Hệ thống điều khiển phân tán DCS Hệ thống điều khiển giám sát thu thập liệu SCADA Bộ điều khiển logic khả trình PLC Hệ thống đầu vào đầu SISO Tự động hóa q trình sản xuất TĐH QTSX Tự động hóa q trình cơng nghệ TĐH QTCN Tự động hóa điều hành sản xuất TĐH ĐHSX MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Hiện có nhiều thiết bị điều khiển phục vụ cho toán tự động hố q trình sản xuất bán nhiều nước, thiết bị thiết bị điều khiển khả trình PLC, thiết bị điều khiển PLC đời khắc phục nhiều nhược điểm hệ thống điều khiển cổ điển điều khiển kiểu Rơle, chất thiết bị điều khiển PLC hệ vi xử lý chuyên dụng phục vụ cho toán điều khiển logíc, khác với điều khiển kiểu rơle thiết bị điều khiển PLC hồn tồn thu thập lưu trữ liệu, có khả điều khiển hệ thống nhà máy, điều khiển công đoạn đó, việc thay đổi tốn điều khiển hoàn toàn thực dễ dàng với việc thay đổi chương trình mềm Ở Việt Nam có số thiết bị mang tính thương phẩm cao sử dụng nhiều, ví dụ omron với dòng sản phẩm CPM, CQM, Siemen với dòng sản phẩm S5, S7-200, S7-300, S7-400, S7-1200 Mitsubishi… Tại nhà máy Xi măng Xuân Thành– Hà Nam hệ thống điều khiển tự động hóa q trình sản xuất số phân đoạn chưa đem lại hiệu cao dẫn đến sản lượng thấp Vì vậy, tơi lựa chọn đề tài “Nghiên cứu tự động hóa q trình sản xuất xi măng nhà máy Xi măng Xuân Thành”, với trọng tâm nghiên cứu, thiết kế hệ thống tự động hóa cấp liệu nhà máy sở ứng dụng thiết bị điều khiển PLC làm đề tài luận văn với mong muốn tăng suất, tăng sản lượng giảm sức lao động nhân công Mục tiêu nhiệm vụ đề tài Mục tiêu tổng quát: Nghiên cứu phướng pháp điều khiển ứng dụng vào hệ thống tự động hóa trình sản xuất xi măng nhà máy Xi măng Xuân Thành Để thực mục tiêu này, đề tài đặt nhiệm vụ sau: 55 Chương trình FB2: Chương trình điều khiển tốc độ biến tần 56 Chương trình OB35: Chương trình điều khiển PID lưu lượng băng tải 3.3 Lập trình giao diện HMI kết nối PLC S7 1200 giám sát – điều khiển hệ thống cấp liệu Để thuận tiện việc điều khiển cài đặt cấu hình hoạt động cho hệ thống cân cấp liệu nhà máy Xi măng Xuân Thành, đề tài thiết kế hình HMI lắp đặt tủ điều khiển hệ thống cân cấp liệu Màn hình HMI chọn loại mà hình MT8071iP, kích thước 7” Weintek có cấu sau: 57 Hình 11 Màn hình HMI 8071iP Thơng số kỹ thuật: Hiển thị  LCD hiển thị: inch TFT  Độ phân giải (WxH dots): 800×480  Độ sáng (cd/m2): 350  Tuổi thọ LCD: >30,000 hr  Màn hình LCD: 16.000 màu  Tấm cảm ứng: 4-wire Resistive Type Cấu hình:  Bộ nhớ(MB): 128  RAM (MB): 64  Cortex A8 CPU 600MHz  USB Host: USB 2.0 x  USB Client: Mico USB  Khe cắm thẻ SD: Không  RTC Built-in Sử dụng phần mềm EBPro hang cung cấp thực thiết kế giao diện cho hệ thống cân cấp liệu: 58 Giao diện hình (main) Bao gồm thông tin trạng thái cân: - Lưu lượng đặt [kg/phút] - Lưu lượng tức thời cân băng - Tốc độ băng tải - Khối lượng liệu [kg/m] - Tích lũy (tấn) - thời gian chạy máy Hiển thị Lưu lượng đặt Màn hình giao diện Thống kê khối lượng tích lũy ca Chuẩn cân Chỉnh định độ xác cân Hình 12 Giao diện hình Cài đặt tồn thơng số Cân Thông tin chung cân 59 Giao diện hình “Thống kê khối lượng” Thống kê khối lượng tích lũy tính theo ca chạy máy, có thời điểm chốt liệu chạy cân là: 6h00 17h00 Mỗi cân lưu thông tin liệu sau: + Thời gian thống kê – Ngày thống kê + Tích lũy tổng + Khối lượng cân ca + Thời gian chạy máy/ ca Hình 13 Giao diện thống kê khối lượng Giao diện hình chuẩn cân Để vào giao diện cài đặt: Nhấn nút “Chuẩn cân” menu Trong menu “Chuẩn cân” có nút bấm: - Chuẩn cân Đá - Chuẩn cân Đất Sét - Chuẩn cân Quặng Để vào cài đặt chuẩn cân bạn phải nhập mã password vào “Password” Password hệ thống: 123 60 Hình 3.14 Giao diện chuẩn cân Để vào chuẩn cân nào: Nhấn vào nút chuẩn cân hình giao diện Chuẩn cân gồm bước: - Tính tốn giá trị dải cân: Điểm Zero, Dải đo max - Chuẩn cân tĩnh - Chuẩn cân động Các bước: Tính tốn giá trị dải cân 61 Hình 15 Giao diện chuẩn cân đá Chuẩn Zero: Để cân trạng thái tĩnh, khơng có liệu bàn cân Khi cân ổn định nhấn nút: “Zero” Khi lưu giá trị Zero nhớ PLC Tính toán giá trị cân max:  Đặt khối lượng chuẩn lên bàn cân: vidu 20kg  Nhập khối lượng chuẩn vào ô: “Khối lượng mẫu đặt băng tải”  Để cho cân ổn định (xem phản hồi ổn định)  Nhấn vào nút “Calculator” để tính tốn giá trị dải đo max Giá trị hiển thị lưu vào ô nhớ PLC Các bước: Chuẩn cân tĩnh Đặt khối lượng chuẩn cân 1: ví dụ 20kg lên bàn cân Nhập giá trị khối lượng chuẩn cân vừa đặt lên vào ô giá trị thực bên cạnh Để cân ổn đinh Nhấn nút “Calculator” để tính giá trị K1 Giá trị lưu PLC Tương tự ta chuẩn lần với khối lượng chuẩn: ví dụ hình Sau chuẩn giá trị tĩnh ta chuyển sang “Chuẩn cân động” cách nhấn vào nút “Next” (Chú ý: Các bước chuẩn tĩnh cần chỉnh lần – chỉnh lại nêu có thay đổi khí) Các bước: Chuẩn cân động Chạy Zero Chạy hệ thống không tải Nhấn nút “Zero” Hệ thống tự động chạy, sau tính trung bình để lưu giá trị vào “Zero” Chạy tìm hệ số điều chỉnh Cho băng tải chạy Hệ thống tự động chạy cộng tích phân theo thời gian toàn thời gian liệu chạy qua Khi hết liệu nhấn nút “Stop” để dừng hệ thống cân liệu Nhập thông tin khối lượng cân vào ô: “Giá trị cân liệu thực tê” 62 Nhấn vào nút “Calculator” để tính hệ số căng băng tải Cài đặt tham số điều khiển hệ thống (Khuyến cáo hiểu hệ thống cài đặt lại tham số điều khiển này) Nhập password: 123 => Enter Nhấn vào nút “Cài đặt” Hình 16 Giao diện cài đặt tham số cho điều khiển Để xác định tham số điều khiển hoạt động hiệu cần quan sát đồ thị đáp ứng hệ thống 63 Hình 3.17 Đồ thị đáp ứng cân 64 3.4 Kết luận Chương Chương phân tích tốn tự động hóa q trình cấp liệu nhà máy Xi măng Xuân Thành, sở tính tốn thiết bị phần cứng trạm PLC S7 1200 cần thiết thực toán cân phối liệu Xây dựng chương trình cho trạm PLC S7 1200 thực tốn tự động hóa q trình cân phối liệu Thiết kế hình giao diện HMI thực điều khiển giám sát hoạt đông trạng thái cân cấp liệu 65 KẾT LUẬN Nghiên cứu tất hệ thống TĐH QTSX nhà máy Xi măng Xuân Thành khối lượng lớn mặt kiến thức không nghiên cứu TĐH QTCN mà nghiên cứu TĐH ĐHSX nhà máy Trong giới hạn luận văn học viên nghiên cứu, trình bày phân đoạn cấp liệu công nghệ sản xuất xi măng cở sở nghiên cứu ứng dụng thiết bị điều khiển PLC cho phần hệ thống điều khiển, giám sát tự động hóa q trình sản xuất nhà máy Qua luận văn đạt số kết sau: Về lý thuyết: Tìm hiểu tổng quan cơng nghệ sản xuất xi măng nay, công nghệ sản xuất xi măng nhà máy Xuân Thành, hệ thống điều khiển tự động hóa q trình sản xuất nhà máy xi măng nhà máy Xuân Thành sở nghiên cứu phương pháp điều khiển tự động hóa q trình sản xuất cho nhà máy Về ứng dụng: Tác giả nghiên cứu hệ thống điều khiển, giám sát cấp liệu đầu vào, tính tốn, lựa chọn thiết bị phần cứng lập trình phần mềm điều khiển hệ thống cấp liệu Bộ điều khiển phần cứng chọn PLC S7 1200 hãng Siemens, phần mềm viết điều khiển thiết kế tạo giao diện HMI để điều khiển giám sát trường Các tín hiệu trạng thái hệ kết nối với liệu chung nhà máy thơng qua hệ thống điều khiển tự động hóa q trình sản xuất DCS Vấn đề chưa thực được: Mặc dù cố gắng song luận văn chưa thực so sánh kết hệ thống cân băng thiết kế với cân băng nhà máy sử dụng Hướng phát triển đề tài: Hệ thống cấp liệu phần quan trọng sản xuất xi măng Tuy nhiên hệ thống nhà máy, loại liệu phải cấp theo tỉ lệ 66 định phải phối hợp điều khiển với q trình cơng nghệ khác Vì vậy, thời gian tiếp theo, tác giả tập chung nghiên cứu số vấn đề sau: - Xem yếu tố hệ cấp liệu điều khiển để nâng cao độ xác, giảm sai số - Phối hợp điều khiển hệ cấp liệu thực với trình cơng nghệ khác có liên quan - Thực so sánh, kiểm chứng kết hệ thống điều khiển thiết kế với hệ thống nhà máy mặt kinh tế yếu tố kỹ thuật - Nghiên cứu trình điều khiển khác nhà máy như: Quá trình nghiền, trình đốt, hệ thống đóng bao, hệ khí nén, hệ bơm nước… 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hoàng Minh Sơn, “Cơ sở hệ thống điều khiển trình”, Nhà xuất Bách Khoa Hà Nội, 2006 [2] Nguyễn Doãn Phước, “Lý thuyết điều khiển tuyến tính”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2007 [3] Nguyễn Như Hiển, Nguyễn Mạnh Tùng, “Điều khiển logich PLC”, Nhà xuất khoa học công nghệ, 2007 [4] Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước, “Điều khiển với Simatic S7-300”, Nhà xuất Bách Khoa Hà Nội [5] Ngô Văn Thuyên, Phạm Quang Huy, “Lập trình với S7 1200 S7 1500”, Nhà xuất khoa Thanh Niên [6] Hoàng Văn Phong: Vì trường tồn cơng trình xây dựng, cần kiểm soát tỉ lệ phụ gia sản xuất xi măng PCB Tạp chí “ Thơng tin xi măng Việt Nam”, số 3/2003 [7] Hoàng Văn Phong, “20 chủng loại xi măng công nghệ sản xuất”, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội [8] Hồng Minh Sơn, “ Mạng truyền thơng cơng nghiệp”, Nhà xuất khoa học kỹ thuật 2001 [9] Đặng Tiến Chung, Vũ Quang Hồi, “ Hệ thống điều khiển giám sát thu thập liệu ”, Nhà xuất xây dựng [10] C C Hang,K J Astrom, and W H Ho, “Refinements of the ZiegerNichols Tuning Formula”, IEEE Control Theory and Application, Vol.136, No.2, pp 111-118, Mar, 1991 [11] K Astrom and T Hagglund, PID Controllers: Theory, Design and Tuning New York: ISA, 1995 [12] S G Tzafestas and N P Papanikolopoulos, “Incremental fuzzy expert PID control”, IEEE Trans Ind Electron., vol 37, no 5, pp 365371, 1990 68 [13] S Z He,S Tan, and F -L Xu, “Fuzzy self-tuning of PID controllers”, Fuzzy Sets syst.,vol.2,pp 3746, 1993 [14] Z Y Zhao, M Tomizuka, and S Isaka, “Fuzzy gain scheduling of PID controllers”, IEEE Trans Syst., Man, Cybern., vol 23, no 5, pp.1392 1398, 1993 [15] Antonio Visioli, “Fuzzy Logic Based Set-Point weight Tuning of PID controllers”, IEEE Trans Syst.,Man, Cybern., vol 29, no.6, pp.587592,nov,1999 [16] Ker-Wei, Yu and Jia-Hao Hsu, “Fuzzy Gain Scheduling PID Control Design Based on Particle Swarm Optimization Method”, IEEE Trans Syst, Man, 2007 [17] K.J.ÅströmT.Hägglund, “The future of PID control”, Control Engineering Practice, Volume 9, Issue 11, November 2001, Pages 11631175 [18] Kiam Heong Ang; G Chong; Yun Li, “PID control system analysis, design, and technology”, IEEE Transactions on Control Systems Technology, Issue , July-2005 [19] Luyben, M.L, “Process Modeling, Simulation and Control for Chemical Engineers”, McGraw-Hill, New York, 1990 [20] M.Scheider, M.Romer, M.Tschudin, H.Bolio, “Sustainable cement production—present and future”, Cement and Concrete Research, Volume 41, Issue 7, July 2011, Pages 642-650 [21] Robbie M Andrew, “Global CO2 emissions from cement production”, CICERO Center for International Climate Research, Oslo 0349, Norway, 2018 [22] C.Chen, G.Habert, Y.Bouzidi, A.Julien, “Environmental impact of cement production: detail of the different processes and cement plant 69 variability evaluation”, Journal of Cleaner Production Volume 18, Issue 5, March 2010, Pages 478-485 [23] Zhu Liu, Dabo Guan, Wei Wei, Steven J Davis, Philippe Ciais, Jin Bai, Shushi Peng, Qiang Zhang, Klaus Hubacek, Gregg Marland, Robert J Andres, Douglas Crawford-Brown, Jintai Lin, Hongyan Zhao, Chaopeng Hong, Thomas A Boden, Kuishuang Feng, Glen P Peters, Fengming Xi, Junguo Liu, Yuan Li, Yu Zhao, Ning Zeng & Kebin He, “Reduced carbon emission estimates from fossil fuel combustion and cement production in China”, Nature Research journals, 524, pages 335– 338(2015) [24] G.Habert, C.Billard, P.Rossi, C.Chen, N.Roussel, “Cement production technology improvement compared to factor objectives”, Cement and Concrete Research, Volume 40, Issue 5, May 2010, Pages 820-826