Báo cáo lò nung thép

ĐỒ ÁN LÒ NUNG THÉP SỬ DỤNG PLC S7_1200. Sản phẩm: + Thép cuộn: Ø5,5 mm đến Ø12mm. + Thép thanh tròn, vằn: Ø10 mm đến Ø36 mm. + Ngoài ra các sản phẩm trung gian có thể cán đến Ø50 mm. Tiêu chuẩn sản phẩm: Theo tiêu chuẩn DIN của Đức, ngoài ra khi có yêu cầu của khách hàng nhà máy vẫn có thể sản xuất theo các tiêu chuẩn hiện hành công ty gang thép đang áp dụng. + Tiêu chuẩn Nhật Bản JISG 3112-87. + Tiêu chuẩn cơ sở TCGT 001-2001, của công ty gang thép. + Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1650-85. Các sản phẩm thép cán chủ yếu được dùng trong xây dựng, được sản xuất từ các mác thép cacbon thấp, trung bình và hợp kim thấp.

CHƯƠNG 1 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ VÀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA TẠI

NHÀ MÁY CÁN THÉP

1.1 Giới thiệu nhà máy

Nhà máy cán thép Thái Nguyên được khởi công xây dựng tháng 6/2002 với chủđầu tư là công ty gang thép Thái Nguyên Tất cả thiết bị chính trong dây chuyền là dohãng Danieli - Italia cung cấp

Ngày 19/8/2005, nhà máy được công nhận đạt chứng chỉ ISO 9001-2000 Tháng7/2005 nhà máy được công ty gang thép Thái Nguyên giao kế hoạch sản xuất, nhằm đápứng nhu cầu thép trong nước

Với công nghệ, thiết bị hiện đại và tiên tiến của các nước G7 được áp dụng từ năm

1997 trở lại đây Mức độ tự động hoá cao và có các thiết bị xử lý chất thải bảo vệ môitrường theo tiêu chuẩn cho phép với công suất 300.000 tấn/năm, dây chuyền của nhà máyđược đánh giá là tương đối hiện đại với mức độ tự động hoá cao từ giai đoạn đưa phôi vào

lò đến khi ra thành phẩm Các sản phẩm của nhà máy không ngừng được cải thiện về cảchất lượng lẫn số lượng

Sản phẩm:

+ Thép cuộn: Ø5,5 mm đến Ø12mm

+ Thép thanh tròn, vằn: Ø10 mm đến Ø36 mm

+ Ngoài ra các sản phẩm trung gian có thể cán đến Ø50 mm

Tiêu chuẩn sản phẩm: Theo tiêu chuẩn DIN của Đức, ngoài ra khi có yêu cầu củakhách hàng nhà máy vẫn có thể sản xuất theo các tiêu chuẩn hiện hành công ty gang thépđang áp dụng

+ Tiêu chuẩn Nhật Bản JISG 3112-87

+ Tiêu chuẩn cơ sở TCGT 001-2001, của công ty gang thép

+ Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1650-85

Các sản phẩm thép cán chủ yếu được dùng trong xây dựng, được sản xuất từ cácmác thép cacbon thấp, trung bình và hợp kim thấp

- Thời gian sản xuất và cơ cấu sản phẩm ( khi đạt 100% công suất).

Bảng 1.1 Bảng thời gian sản xuất và cơ cấu sản phẩm

Sản phẩm Năng suất

(T/h)

Tỷ lệ (%)

Sản lượng ( Tấn )

Phôi cán ( Tấn )

Tiêu hao khối lượng (T/Tsp)

Thời gian cán ( h )

- Thời gian sản xuất trong năm (365 ngày)

- Thời gian vận hành 7396 h/ năm (308 ngày)

- Thời gian dừng sửa chữa cơ điện và các nguyên nhân khác: 908h/ năm

- Thời gian cán lý thuyết: 7396 - 980 = 6416 h / năm

- Thời gian cán thực tế: 6180 h / năm

- Hiệu suất thời gian: 86,7%

- Năng suất cán trung bình: 50T/ h

- Tiêu hao phôi cán: 1,030 kg/ Tsp (phế + đầu mẫu = 2%, cháy trong lò = 0,6%,vẩy sắt = 0,4%, Tổng = 3%)

Đếm, đóng bó

Cắt sản phẩm

Kiểm tra

Buộc cuộn Phân loại,xếp riêng

Không đạt Không đạt

Phôi

Đạt

Đạt

Hình 1.1 Sơ đồ quy trình công nghệ cán thép

1.2 Cấu tạo và hoạt động của lò nung nhà máy cán thép Thái Nguyên

1.2.1 Cấu tạo lò nung

Lò nung của nhà máy cán thép Thái Nguyên là loại lò đốt liên tục sử dụng dầu,kiểu đáy bước, có công suất nung 50 tấn/h

Giai đoạn II cán phôi: 150 x 150 x 6000 đến 12000mm

- Mác thép cacbon thấp/ trung bình và hợp kim thấp, cháy hao vảy thép trong lò là:0,6%, nhiệt độ gió nóng 380 – 4000C, nhiệt độ ra phôi là: 1050 – 11800C

- Hệ thống cung cấp nhiên liệu sử dụng hai loại dầu Diezen đốt lò đến nhiệt độ 400– 4500C sau đó chuyển sang dùng dầu FO (Fuel Oil) nhiệt trị 9600Kcal/kg Tiêu hao dầu

FO bằng 26kg/TSP Gồm 16 mỏ đốt trong đó 10 mỏ đốt đầu lò và 6 mỏ đốt bên, nạp phôihông lò có thiết bị cân bằng Ra phôi hông lò bằng đường con lăn trong lò, bằng thiết bịkích, nâng chuyển phôi Số lượng con lăn: bao gồm 9 con lăn động cơ độc lập

- Điều khiển chế độ nung, có hệ thống theo dõi, quan sát trong lò bằng camera

1 2

4

1 2

Kickoff : Tay nâng phôi tới dãy con lăn

KK ra : Không khí ra được đưa tới các vùng mỏ đốt

Hình 2.1 Lò nung phôi cán thép

Phôi được đưa liên tục vào lò, tùy theo yêu cầu cán và nhiệt độ cần thiết đạt được

mà phôi sẽ đưa được ra lò Chia theo chức năng thì lò gồm 2 phần: phần sấy và phầnnung Qua dãy con lăn và các tay nâng đầu vào phôi dần dần được chuyển tới phần sấysau đó tới phần nung Đầu lò được sử dụng để xác định vị trí hiện tại của phôi tại cửa ra.Phôi được lấy ra thông qua các tay nâng kick – off1, kick – off2 tới dãy con lăn đầu ra.Chốt chặn trung gian được sử dụng trong trường hợp lò nung tiếp nhận phôi có chiều dày6m nhằm ngăn không cho phôi sau không va vào phôi trước trên dãy con lăn đầu vào.Chốt chặn sau để xác định vị trí cuối cùng của phôi trước ở trong lò

Khi phôi đã nằm gọn trong lò, cửa lò đóng lại, máy tống chuyển phôi vào đáy lò.Phần sấy được tính từ đó cho đến trước vách ngăn hình vòm Phần này có hai mỏ đốt,nhiệt độ không cao lắm

DÇu KhÝ nÐn

Phần nung là phần quan trọng nhất của lò Phần này quyết định chất lượng phôi racán, đảm bảo các tính chất cơ lý cần thiết của phôi Ở đây có sự xuất hiện của các mỏ đốt,nhiệt độ tại đây có thể thay đổi được thông qua việc điều chỉnh các thông số đầu vào của

mỏ đốt Chẳng hạn để tăng nhiệt độ người ta sẽ có thể điều chỉnh tăng lưu lượng dầu đượcbơm vào lò

Hình 1.2 Cấu tạo mỏ đốt lò nung phôi cán

thép

Lò gồm 4 khoang: Nung sơ bộ (1), nung cục bộ (2) và nung đều nhiệt (3, 4) Cáckhoang nung không có ranh giới rõ ràng, đó là vùng xung quanh các mỏ đốt Tại mỗivùng các mỏ đốt được điều chỉnh sao cho các thông số đầu vào là như nhau.

- Vùng (1) được tính từ sau vách ngăn hình vòm cho đến mỏ đốt đầu tiên, sử dụngduy nhất một mỏ đốt ở mỗi bên, lưu lượng dầu tối đa 550 lít/h Nhiệt độ vùng (1) khoảng700÷8000C

- Vùng (2) tập trung hai mỏ đốt ở hai bên, lưu lượng dầu tối đa 1100lít/h Đây làphần quan trọng nhất chi phối nhiệt độ lò Điều khiển cũng tập trung chủ yếu ở đây Nhiệt

độ vùng (2) là khoảng 12000C

- Vùng (3,4) tập trung nhiều mỏ đốt nhất, có đến 10 mỏ đốt được tập trung ở đây,vùng này đảm bảo nhiệt độ của phôi ra cán đồng đều vào khoảng 11500C Đây là vùngduy trì và ổn định nhiệt độ của phôi ra cán, lưu lượng dầu tối đa là 285lít/h

Trong thực tế tùy thuộc vào loại phôi (phôi nóng hay phôi nguội), công suất cán

mà vùng (1) có thể sử dụng hay không Các vùng còn lại luôn được hoạt động

Bộ trao đổi nhiệt nằm trên đường ra của kênh khói, có nhiệm vụ tận dụng sức nóngcủa khí thải để sấy nóng không khí trước khi được đưa vào lò thông qua các mỏ đốt.Trước và sau bộ trao đổi nhiệt có các sensor cảm biến nhiệt độ (can nhiệt) cung cấp cácthông tin về điều khiển nhằm duy trì nhiệt độ ổn định cần thiết cho bộ trao đổi nhiệt.Thông thường nhiệt độ trước trao đổi nhiệt vào khoảng 5000C, sau trao đổi nhiệt vàokhoảng 4500C Van xả khí nóng được sử dụng khi thấy nhiệt độ tại đây cao quá giá trị chophép

Kênh khói có nhiệm vụ để thoát khí thải của lò Gồm bộ tập trung khí thải (TT1),ống khói, đường dẫn khí thải và van xả kênh khói Van xả kênh khói có nhiệm vụ đóng

mở kênh khói khi cần thiết nhằm duy trì áp suất trong lò ổn định 0,80kg/N Ngoài ra khicần thiết việc giảm bớt độ mở của kênh khói còn có tác dụng giữ nhiệt cho lò

Kênh khí không khí (gió) mát ngoài trời được đưa tới bộ trao đổi nhiệt, tại đây nóđược sấy nóng sau đó chuyển tới bộ tập trung khí nóng (TT2) Van xả 2 hoạt động để xả

bớt khí nóng ra ngoài nhằm hạ nhiệt độ của khí nóng được duy trì ở 3500C Van xả 1 tríchmột phần khí mát ra ngoài thông qua kênh khói nhằm hạ áp trên kênh khí.

Hệ thống nước làm mát nước được sử dụng để làm mát dãy con lăn đầu vào, dãycon lăn đầu ra, các cánh tay nâng kick-off, đầu lò phôi, miệng cánh tay nâng và đầu dò,chốt chặn và máng chứa xỉ Có hai loại làm mát được sử dụng là làm mát gián tiếp và làmmát trực tiếp cơ cấu cần làm mát Duy chỉ có hệ thống làm mát máng xỉ là kiểu gián tiếpthông qua hộp nươc có gắn ở bên cạnh, các hệ thống làm mát còn lại sử dụng nước đềuthuộc loại trực tiếp

1.2.1 Các yêu cầu điều khiển lò nung

a Điều khiển hoạt động lò nung

Điều khiển hoạt động lò nung bao gồm: điều khiển thiết bị nạp/ra phôi, hoạt độngbên trong lò nung, đóng mở cửa và khóa liên động an toàn trong khi nạp/ra phôi

a Làm mát gián tiếp b Làm mát trực tiếp con lăn

Hình 1.3 Hệ thống nước làm mát

Nếu cần thiết, người vận hành có thể chuyển phương thức điều khiển từ tự độngsang bán tự động hay thủ công để điều khiển trực tiếp khu vực Trong trường hợp nhưvậy, hoạt động bên trong lò và nạp/ra phôi được điều khiển thủ công bởi người vận hànhthông qua bộ nút bấm tại bàn điều khiển đặt trong phòng điều khiển Khi làm việc ởphương thức tự động, dữ liệu được trao đổi với hệ thống tự động khu vực máy cán đểthực hiện các khóa liên động ngăn việc ra phôi từ lò nung nếu máy cán không sẵn sàng.

b Điều khiển nhiệt độ và điều khiển đốt

Lò được chia thành các vùng, nhiệt độ ở mỗi vùng được điều khiển riêng theo cácđiểm cài đặt nhiệt độ từ màn hình giám sát lò nung bằng điểu khiển nung, điểu chỉnh khí

và lưu lượng nhiên liệu phù hợp đến mỏ đốt

Điều khiển lò nung được dựa trên các vòng điều khiển kín, được thực hiện liên tụcbởi hệ thống tự động cơ bản: vòng điều khiển nhiệt độ và vòng điều khiển đốt

Vòng điều khiển nhiệt độ so sánh nhiệt độ đo được bằng cặp nhiệt với nhiệt độ càiđặt ở mỗi vùng và tính toán lượng nhiệt cần thiết để có sự tiệm cận giữa giá trị cài đặt vàthực tế

Vòng điều khiển đốt điều chỉnh lưu lượng khí và nhiên liệu đến mỏ đốt sử dụngvan điều chỉnh theo đồng hồ lưu lượng để duy trì tỷ lệ nhiên liệu/khí phù hợp (tùy thuộcvào loại nhiên liệu đang được sử dụng), thậm chí trong các điều kiện chuyển tiếp Vòngđiều khiển đốt được dựa trên thuật toán giới hạn đôi Việc kiểm soát nghiêm ngặt tỷ lệnhiên liệu/khí, cùng với việc kiểm soát khí thừa, bảo đảm hiệu quả nhiệt đốt và giảm haohụt vảy sắt

c Kiểm soát khí thừa

Vì các điều kiện trộn nhiên liệu/khí và hiệu quả thay đổi theo cách không tuyếntính với tải đốt, hệ thống điều khiển tự động kiểm soát khí thừa ứng với tỷ lệ nhiênliệu/khí thuần túy Điều này được thực hiện, trên hết, khi tải đốt thấp được yêu cầu Kiểmsoát khí thừa, tích hợp với điều khiển tỷ lệ nhiên liệu/khí được mô tả ở trên, bảo đảm hiệuquả nhiệt tốt và giảm tổn hao vảy sắt

d Kiểm soát quá áp lò

Kiểm soát quá áp lò nhằm mục đích cung cấp sự phân phối áp suất bên trong lòtrơn tru, hơi cao hơn áp suất trong khí quyển một chút để tránh đưa không khí lạnh và ẩmvào bên trong lò khi mở cửa ra cho việc nạp/ra phôi Điểm cài đặt cho lượng quá áp mongmuốn được duy trì bên trong lò nung được cài đặt thông qua màn hình giám sát Cảm biếnchênh lệch áp suất được dùng để kiểm tra áp suất bên trong lò so với áp suất khí quyển

Áp suất bên trong lò được điều khiển bằng cách sử dụng van kiểu bướm trong kênh khói

e Kiểm soát áp suất khí đốt

Việc điều khiển áp suất khí đốt nhằm mục đích giữ ổn định áp suất không khí chođốt Việc kiểm soát được dựa trên cảm biến đo lường áp suất khí nóng trong bộ hâm nhiệtchung

Hệ thống điều khiển so sánh giá trị đo được với giá trị cài đặt thông qua giao diệngiám sát và liên tục điều chỉnh vị trí van bên trong quạt khí để đạt được sự tiệm cận giữa 2giá trị

f Bảo vệ bộ thu hồi khỏi nhiệt độ cao

Nhiệt độ của bộ thu hồi dùng khói lò để nung khí đốt đến từ bên ngoài không đượcvượt quá mức an toàn Ngoài ra, nhiệt độ của khí đốt nóng từ bộ thu hồi phải được giữcàng ổn định càng tốt Theo thiết kế của lò nung, hệ thống bảo vệ bộ thu hồi được thựchiện với các chiến lược sau nhằm đạt được 2 kết quả này

Cặp nhiệt độ đo nhiệt độ của khói sau khi bộ thu hồi được sử dụng bởi hệ thốngđiều khiển, để xác định lượng khí loãng nguội phù hợp được thổi từ bện ngoài vào kênhkhói trước bộ thu hồi Lưu lượng khí loãng được điều khiển thông qua van Khi nhiệt độcủa khói vượt quá giá trị ngưỡng, van khí loãng được mở ra để giảm nhiệt độ của khói điqua bộ thu hồi và như vậy tăng lượng nhiệt bị “đánh cắp” từ đó

Ngoài ra, khi nhiệt độ khí nóng được đo thông qua cặp nhiệt vượt quá giá trịngưỡng, hệ thống điều khiển bảo vệ bộ thu hồi điều chỉnh van, nằm trong hệ thống thoátkhí nóng, để đảm bảo khí nóng thoát ra và tăng lượng khí nguội thông qua bộ thu hồi

g Bảo vệ mạch làm nguội đáy bước.

Hệ thống bảo vệ được cấp cho mạch làm nguội đáy bước (bằng nước) bên trong lò

nung dựa trên các đặc tính sau:

- Đo lưu lượng nước làm nguội trong ống cấp chính phía sau mạch dầm để hiển thị

và báo động nếu lưu lượng nước làm nguội thấp

- Đo nhiệt độ liên tục và hiển thị (bằng phương tiện chịu nhiệt) tại đầu vào/ra củađường ống nước làm nguội chính

- Bảo vệ và cảnh báo áp suất nước làm nguội thấp phía trước đầu ra nước làmnguội dầm bước

- Đo nhiệt độ nước làm nguội dầm bằng các yếu tố nhiệt để hoàn toàn điều khiểntình trạng vận hành dầm

h Hệ thống camera theo dõi lò nung

Hệ thống camera cho phép người vận hành quan sát khu vực ra phôi bên trong lònung Camera được lắp với thấu kính tập trung tĩnh và được chứa bên trong khu thépkhông rỉ để bảo vệ khỏi các cú sốc cơ học và thay đổi nhiệt độ

Khung chứa camera và bệ lắp đặt được làm nguội bằng nước Vòi khí nén công cụđược chuyển đến bộ phận bên trong gần thấu kính để làm nguội bộ kính và ngăn các hạt

và bụi không cháy bám vào

Phần trước của khung lắp một bộ lỗ bịt kín với cửa chớp được vận hành và xi lanhkhí nén Lưu lượng khí nén được phun trong lỗ cửa làm ngưng dòng khí nhiệt độ cao ratrong trường hợp quá áp tạm thời trong lò

Các van từ điều khiển lưu lượng nước và khí nén

Khí nén được làm sạch và được tách bằng nước và dầu bằng bộ lọc được lắp bộgiảm áp suất Hệ thống được bảo vệ khỏi việc thiếu nước và/ hoặc khí nén: Lưu lượng vàocủa hai chất làm nguội được điều khiển bằng công tắc áp suất và công tắc lưu lượng

Trong trường hợp thiếu nước hay khí nén, hệ thống tự động chuyển sang điều kiện antoàn bằng cách đóng cửa chớp ở lỗ cửa phía trước.

Nhiệt độ nước làm nguội cũng được điều khiển bằng công tắc nhiệt độ điều chỉnhlưu lượng nước làm nguội theo nhiệt độ camera

Các van từ, công tắc áp suất và lưu lượng được bao bọc trong tấm kim loại, cũngchứa thiết bị điện cần thiết cho việc lắp và vận hành nhanh và tin cập hệ thống

i Dịch vụ hỗ trợ lò nung

Cung cấp kiểm soát các dịch vụ phụ trợ sau cho khu vực:

- Dịch vụ thủy lực được cấp bởi bộ phận bao gồm bể dầu, bơm, chịu nhiệt và bộlọc

- Dịch vụ bôi trơn được cấp bởi bộ phận bao gồm bể dầu, bơm, chịu nhiệt và bộlọc

Nhân viên vận hành buồng điều khiển thông qua trang chuyên dụng và các lệnh cósẵn trên giao diện giám sát để điều khiển các dịch vụ phụ trợ Nhân viên vận hành sànxưởng cũng có thể can thiệp thông qua bàn điều khiển cục bộ đặt bên ngoài

2.2 Phát biểu bài toán điều khiển quá trình nung

Qua phân tích ở trên ta thấy bài toán điều khiển lò nung là một bài toán rất phứctạp Do vậy trong khuôn khổ của luận văn, tác giả chỉ tập trung nghiên cứu về điều khiểnnhiệt độ để từ đó nâng cao chất lượng lò nung Trước hết ta cần làm rõ các yêu cầu vềnhiệt độ đối với từng vùng nung

2.2.1 Yêu cầu nhiệt độ từng vùng nung

2.2.1.1 Vùng sấy

Vùng sấy có nhiệt độ khoảng 700 – 800oC, vùng này có nhiệm vụ làm tăng dầnnhiệt độ phôi lên tránh tình trạng phôi bị nóng lên một cách đột ngột ở nhiệt độ vùng nunggây nứt tế vi phôi làm ảnh hưởng tới chất lượng của sản phẩm

Khi chọn chế độ nhiệt độ cho vùng sấy cần chú ý đến tính dẫn nhiệt của kim loại

và lý hoá tính của nó Hiện nay lò của nhà máy cán Thái Nguyên chuyên dùng để nungcác loại thép cacbon thường, hệ số dẫn nhiệt lớn nên khả năng truyền nhiệt từ mặt phôi

đến tâm phôi nhanh, ứng suất nhiệt sinh ra giữa mặt phôi và tâm phôi lớn, vì vậy tốc độnung có thể cho phép tuỳ ý tức là nhiệt độ vùng sấy có thể tuỳ ý Tuy nhiên nếu tốc độnung có thể cho phép quá thấp thì thời gian nung sẽ kéo dài, ảnh hưởng tới năng suất lò.

Vùng nung

Là vùng chủ yếu tăng nhiệt độ của phôi nung nên nhiệt độ vùng này phải cao, từ

12000÷12500C và nhiệt độ lò lớn hơn nhiệt độ bề mặt phôi khoảng 1000C, sai số nhiệt độcủa phôi chủ yếu do mác thép nung, kích thước phôi nung thay đổi và sản lượng cán thayđổi

Việc tự động hoá lò nung là tự động duy trì nhiệt độ lò ở khoảng 12000C÷12500Cthông qua việc điều chỉnh lưu lượng dầu và không khí vào vùng nung

Vùng đồng nhiệt

Nhiệm vụ khống chế nhiệt độ vùng này là làm cho phôi nung trước khi ra lò có độchênh nhiệt độ giữa bề mặt và tâm phôi nằm trong giới hạn cho phép, khoảng 300C/dmchiều dầy

Tại vùng này nhiệt độ lò được hạ thấp xuống so với vùng nung (11500÷11700C) vàcao hơn nhiệt độ bề mặt phôi một chút Với nhiệt độ lò như vậy nhiệt độ bề mặt phôikhông tăng được nữa trong khi đó nhiệt độ tâm phôi tiếp tục tăng lên cho đồng đều với bềmặt phôi

Để đáp ứng đúng yêu cầu công nghệ cán, việc tự động hoá duy trì nhiệt độ vùngđồng nhiệt là cần thiết bởi vì phôi trước khi ra lò cần có nhiệt độ nhất định để đáp ứngnhu cầu về độ biến dạng dẻo của thép nhằm giảm gây biến dạng, giảm tiêu hao nănglượng khi gia công và tăng tuổi thọ của thiết bị Không đảm bảo được nhiệt độ đồng đềutheo tiết diện phôi sẽ làm xoắn phôi tạo ra vết nứt bên trong và làm hư hỏng các chi tiếtkhác của máy cán trong lúc làm việc

1.3 Bài toán điều khiển nhiệt độ lò nung

Với yêu cầu nhiệt độ từng vùng như trên nên mỗi vùng đều được bố trí các mỏ đốt(đốt bằng dầu với không khí) Tại mỗi mỏ đốt đều có các van điều khiển bằng tay để điềuchỉnh lưu lượng dầu, khí nén hóa mù dầu và điều chỉnh lưu lượng không khí Riêng vớitừng cụm mỏ đốt cho các vùng chỉ có 1 van điều khiển lưu lượng dầu và 1 van điều khiển

lưu lượng không khí Bài toán điều khiển nhiệt độ lò nung chính là điều chỉnh tự động cácvan này sao cho nhiệt độ từng vùng ổn định và duy trì theo yêu cầu đặt ra.

Để điều khiển nhiệt độ cho lò nung ta điều khiển cho nhiệt độ từng vùng với trị sốđặt trước Khi điều khiển nhiệt độ cho từng vùng ta phải điều chỉnh lưu lượng dầu, khínén (để hóa mù dầu) và khí đốt (hay không khí) và tỉ lệ giữa chúng theo một tỉ lệ nhấtđịnh tùy thuộc vào giá trị nhiệt độ cần đặt

Khi đặt nhiệt độ thì tương ứng phải có lưu lượng dầu nhất định để nhiệt độ lò đạtđến nhiệt độ đã đặt Với lưu lượng dầu đó cần điều khiển để cơ cấu chấp hành van mở đếnđúng lưu lượng dầu yêu cầu Vậy điều khiển lưu lượng dầu ở đây cần phải có một vòngđiều khiển nữa

Bài toán điều khiển tỷ lệ lưu lượng dầu/khí là một bài toán điều khiển cực trị (hay cực trị trôi) và đã có nhiều công trình nghiên cứu về vấn đề này Trong luận văn này, ta

xem dầu đã được kết hợp với khí nén có đủ áp lực để mù hóa dầu và vì lượng khí đốtđược đặt theo lượng dầu nên khi đó ta có thể coi việc điều khiển nhiệt độ lò nung có mộttín hiệu vào là lưu lượng dầu và một tín hiệu ra là nhiệt độ Và đồng thời ta coi cơ cấuchấp hành van điều khiển lưu lượng dầu là lý tưởng, nghĩa là ta bỏ qua vòng điều khiểnlưu lượng dầu

Việc đo lường và điều khiển nhiệt độ cho bốn vùng nung là hoàn toàn tương tựnhau Cho nên nghiên cứu tập trung chủ yếu vào vùng 1(vùng sấy), các vùng còn lại làhoàn toàn tương tự

Bài toán điều khiển đặt ra là: Với các vùng lò nung là vùng sấy, vùng nung và 2

vùng đồng nhiệt thì với giá trị nhiệt độ đặt trước (theo yêu cầu công nghệ) ở mỗi vùng cần

điều khiển van cấp dầu (và từ đó điều khiển không khí theo tỷ lệ tối ưu nhất) sao chonhiệt độ vùng ổn định tại nhiệt độ đặt trước đó Nhiệt độ của mỗi vùng được đo bằng haicặp nhiệt loại “S” ở hai bên lò Sở dĩ đo bằng hai cặp nhiệt là để dự phòng, nếu trườnghợp cặp nhiệt này lỗi thì chuyển sang sử dụng cặp nhiệt còn lại Ở chế độ tự động thì tựđộng chọn 1 cặp nhiệt có giá trị nhiệt độ đo cao hơn cặp nhiệt còn lại, trong trường hợp

hư 1 cặp nhiệt thì hệ thống tự động chuyển sang chọn cặp nhiệt còn lại Giá trị nhiệt độ đođược so sánh với giá trị nhiệt độ đặt trước (được người vận hành cài đặt trên giao diện

giám sát) Sai lệch giữa hai giá trị nhiệt độ này được đưa vào bộ điều khiển để có tín hiệuđiều khiển van cấp dầu và từ đó điều khiển nhiệt độ của vùng.

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU PLC VÀ PHẦN MỀM LẬP TRÌNH

2.1 Giới thiệu PLC

2.1.1 Khái niệm PLC

PLC được viết tắt từ cụm từ (Programmable Logic Control) nghĩa là điều khiển logic khả trình Đây là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các phép toán điều khiển

số thông qua một ngôn ngữ lập trình, thay cho việc phải thực hiện các phép toán bằng các

mạch số Do đó PLC trở thành bộ điều khiển nhỏ gọn, dễ dàng thay đổi thuật toán và đặcbiệt dễ dàng trao đổi thộng tin với môi trường xung quanh (với các loại PLC khác hoặcvới máy tính) Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt các sự kiện Các sựkiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua cáchoạt động có trễ như thời gian định kỳ hay các sự kiện được đếm

Thông thường, một PLC được cấu tạo bởi 7 module phần cứng sau: Modulenguồn, module đơn vị xử lý trung tâm, module bộ nhớ chương trình và dữ liệu, moduleđầu vào, module đầu ra, modul phối ghép, module chức năng

2.1.2 Khái quát về họ PLC S7-1200 của Siemens.

PLC S7-200 là thiết bị điều khiển logic khả trình của hãng Siemens (CHLB Đức ),

có cấu trúc kiểu module và có các module mở rộng Các module này được sử dụng vớinhững mục đích khác nhau Toàn bộ nội dung chương trình được lưu trong bộ nhớ củaPLC, trong trường hợp dung lượng bộ nhớ không đủ ta có thể sử dụng bộ nhớ ngoài đểlưu chường trình và dữ liệu (Catridge)

Các module CPU khác nhau có hình dạng, chức năng, tốc độ xử lý lệnh, bộ nhớchương trình khác nhau,…

S7-1200 có 3 dòng là CPU 1211C, CPU 1212C và 1214C.

Hình 2.1: CPU PLC

Các đặc tính của CPU S7-1200 được thể hiện trong bảng sau:

- Đầu vào nguồn: 24VDC/220VAC ( tùy theo loại CPU)

Đèn trạng thái: Đèn RUN (màu xanh): Chỉ báo PLC đang ở chế độ làm việc và

thực hiện chương trình đã được nạp vào bộ nhớ chương trình

Đèn STOP (màu vàng): Chỉ báo PLC đang ở chế độ dừng và không thực hiện

chương trình, các đầu ra đều ở trạng thái “OFF”

Đèn SF/DIAG: Chỉ báo hệ thống bị hỏng tức do lỗi phần cứng hoặc hệ điều hành.

Đèn Ix.x(màu xanh): Chỉ báo trạng thái của đầu vào số(ON/OFF).

Đèn Qx.x(màu xanh): Chỉ báo trạng thái của đầu ra số(ON/OFF).

Port truyền thông nối tiếp RS485: Giao tiếp với PC, PG, TD200, OP, mạng biến

tần…

Port cho module mở rộng: Kết nối với module mở rộng.

Công tắc chuyển chế độ:

RUN: Cho phép PLC thực hiện chương trình, khi chương trình lỗi hoặc gặp lệnh

STOP thì PLC tự động chuyển sang chế độ STOP mặc dù công tắc vẫn ở vị trí RUN(quan sát đèn trạng thái)

STOP: Dừng cưỡng bức chương trình đang chạy, các đầu ra chuyển về OFF TERM: Cho phép người dùng chọn một trong hai chế độ RUN/STOP từ xa, ngoài ra còn

được dùng để download chương trình người dùng

Cấu trúc phần cứng PLC

Đơn vị xử lý trung tâm (CPU Central Processing Unit):

CPU dùng để xử lý, thực hiện những chức năng điều khiển phức tạp quan trọngcủa PLC Mỗi PLC thường có từ một đến hai đơn vị xử lý trung tâm

CPU thường được chia làm hai loại: đơn vị xử lý “một bit” và đơn vị xử lý “từngữ”:

Đơn vị xử lý “một bit”: Chỉ áp dụng cho những ứng dụng nhỏ, đơn giản, chỉ đơn

thuần xử lý ON/OFF nên kết cấu đơn giản, thời gian xử lý dài

Đơn vị xử lý “từ ngữ”: Có khả năng xử lý nhanh các thông tin số, văn bản, phép

toán, đo lường, đánh giá, kiểm tra nên cấu trúc phần cứng phức tạp hơn nhiều tuy nhiênthời gian xử lý được cải thiện nhanh hơn

Bộ nhớ:

Bao gồm các loại bộ nhớ RAM, ROM, EEFROM, là nơi lưu trữ các thông tin cần

xử lý trong chương trình của PLC

Bộ nhớ được thiết kế thành dạng module để cho phép dễ dàng thích nghi với cácchức năng điều khiển với các kích cỡ khác nhau Muốn mở rộng bộ nhớ chỉ cần cắm thẻnhớ vào rãnh cắm chờ sẵn trên module CPU

Bộ nhớ có một tụ dùng để duy trì dữ liệu chương trình khi mất điện

Khối vào/ra:

Khối vào ra dùng để giao tiếp giữa mạch vi điện tử của PLC (điện áp 5/15VDC)với mạch công suất bên ngoài (điện áp 24VDC/220VAC).

Khối ngõ vào thực hiện việc chuyển mức điện áp từ cao xuống mức tín hiệu tiêuchuẩn để đưa vào bộ xử lý

Khối ngõ ra thực hiện việc chuyển mức tín hiệu từ tiêu chuẩn sang tín hiệu ngõ ra

và cách ly quang

Bộ nguồn:

Biến đổi từ nguồn cấp bên ngoài vào để cung cấp cho sự hoạt động của PLC

Khối quản lý ghép nối:

Dùng để phối ghép giữa PLC với các thiết bị bên ngoài như máy tính, thiết bị lậptrình, bảng vận hành, mạng truyền thông công nghiệp

Cấu trúc bộ nhớ

Phân chia bộ nhớ:

Bộ nhớ của PLC S7-1200 được chia thành bốn vùng cơ bản và hầu hết có thể đọcghi được chỉ trừ vùng nhớ đặc biệt (SM) chỉ có thể truy cập để đọc

Vùng nhớ chương trình: Là miền nhớ được dùng để lưu trữ các lệnh được dùng

trong chương trình.Vùng này thuộc kiểu non-volatile có thể đọc và ghi được

Vùng nhớ tham số: Dùng để lưu giữ các tham số như từ khóa, địa chỉ trạm…

Vùng này thuộc kiểu non-volatile có thể đọc và ghi được

Vùng dữ liệu: Dùng để cất giữ các dữ liệu của chương trình bao gồm kết quả các

phép tính, các hằng số được định nghĩa trong chương trình, bộ đệm truyền thông…

Vùng đối tượng: Bao gồm các bộ đếm, bộ định thì, các cổng vào ra tương tự.

Vùng này không thuộc kiểu non-volatile nhưng có thể đọc và ghi được

Hai vùng nhớ cuối có ý nghĩa quan trọng trong việc thực hiện một chương trình

Vùng nhớ chương trình:

Vùng nhớ chình trình gồm ba khối chính: OB1, SUBROUTIN và INTERRUPT

OB1: Chứa chương trình chính, các lệnh trong khối này luôn được quét trong mỗi

vòng quét

SUBROUTIN: Chứa chương trình con, được tổ chức thành hàm và có biến hình

thức để trao đổi dữ liệu, chương trình con sẽ được thực hiện khi có lệnh gọi từ chươngtrình chính

INTERRUPT: Miền chứa chương trình ngắt, được tổ chức thành hàm và có khả

năng trao đổi dữ liệu với bất kỳ một khối chương trình nào khác Chương trình này sẽđược thực hiện khi có sự kiện ngắt xảy ra

Vùng nhớ dữ liệu:

Vùng dữ liệu là một vùng nhớ động Nó có thể được truy cập theo từng bit, từngbyte, từng từ đơn (word) hay từ kép (double word) và được sử dụng làm miền lưu trữ dữliệu cho các thuật toán, các hàm truyền thông, lập bảng, các hàm dịch chuyển, xoay vòngthanh ghi, con trỏ địa chỉ… Vùng dữ liệu được chia thành những vùng nhớ nhỏ để phục

vụ cho những mục đích và công dụng khác nhau, bao gồm các vùng sau:

V (Variable memory): Vùng nhớ biến

I (Input image register): Vùng đệm đầu vào o Q (Output image register): Vùngđệm đầu ra

M (Internal memory bits): Vùng nhớ các bit nội

SM (Special memory): Vùng nhớ đặc biệt

Truy cập trực tiếp:

Truy cập theo bit: Tên miền nhớ + địa chỉ byte + • + chỉ số bit.Ví dụ:V10.4 chỉ bit

4 của byte 10 thuộc miền nhớ V

Truy cập theo byte: Tên miền nhớ + B + địa chỉ byte Ví dụ VB15 chỉ byte 15trong miền nhớ V

Truy cập theo từ: Tên miền nhớ + W + địa chỉ byte cao của từ Ví dụ VW183 chỉ

từ đơn gồm hai byte là VB183 và VB184 trong đó VB183 là byte cao trong từ

VB183 ( byte cao ) VB 184 ( byte thấp )

Truy cập theo từ kép: Tên miền + D + địa chỉ byte cao trong miền.Ví dụ VD345

chỉ từ kép gồm 4 byte 345, 346, 347, 348 trong miền nhớ V trong đó 345 là byte cao trong

từ kép

VB186(bytethấp)VD183

Truy cập gián tiếp:

Truy cập địa chỉ gián tiếp thông qua con trỏ (pointer) Con trỏ là một miền nhớ từkép chứa địa chỉ của vùng nhớ khác Các vùng nhớ V, L và thanh ghi chỉ mục( AC1,AC2,AC3 ) có thể được sử dụng như là con trỏ Để sử dụng con trỏ phải sử dụnglệnh MOVE_D để chuyển địa chỉ của vùng nhớ được định địa chỉ gián tiếp vào vùng contrỏ Con trỏ cũng có thể được chuyển tới chương trình con như là một tham số

S7-1200 cho phép con trỏ truy cập các vùng nhớ I,B,W,M theo giá trị hiện hành vàkhông cho phép truy cập theo từng bit và các vùng nhớ AI,AQ,HC,SM,L

Để truy cập gián tiếp dữ liệu địa chỉ của một vùng nhớ, phải tạo một con trỏ chovùng đó bằng cách sử dụng ký tự & cùng với vùng nhớ có địa chỉ cần lấy Toán hạng đầuvào của lệnh phải bắt đầu với ký tự & để chỉ rằng địa chỉ vùng nhớ, thay cho nội dung của

nó được chuyển vào vùng định nghĩa toán hạng đầu ra của lệnh

Vùng đối tượng:

Vùng đối tượng được sử dụng để lưu giữ dữ liệu cho các đối tượng lập trình nhưcác giá trị tức thời, giá trị đặt trước của bộ đếm, hay timer Dữ liệu kiểu đối tượng bao