thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cho nhà máy cán thép thái nguyên trên nền simtic s7 - 300 và phần mềm wincc

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP KIM ĐÌNH THÁI THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG CHO NHÀ MÁY CÁN THÉP THÁI NGUYÊN TRÊN NỀN SIMTIC S7-300 VÀ PHẦN MỀM WINCC LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa Thái Nguyên - 2013 i Kim Đình Thái – Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cho nhà máy cán thép Thái Nguyên LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là : Kim Đình Thái Sinh ngày: 08/04/1984. Đơn vị công tác: Khoa CN Tự động hóa – Trường ĐH Công nghệ Thông tin và Truyền thông Thái Nguyên. Hiện tại tôi đang học lớp cao học TĐH02 – CHK14, trường ĐH Kỹ thuật Công Nghiệp Thái Nguyên. Tôi xin cam đoan đề tài luận văn “Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ của nhà máy cán thép Thái Nguyên bằng PLC S7-300 và phần mềm WinCC” là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi. Các tài liệu tham khảo có nguồn gốc rõ ràng. Các giải pháp thiết kế cũng như kết quả thực nghiệm và mô phỏng được thực hiện nghiêm túc dưới sự hướng dẫn của cô giáo GS.TS Phan Xuân Minh. Thái Nguyên, ngày 19 tháng 12 năm 2013 Học viên Kim Đình Thái ii Kim Đình Thái – Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cho nhà máy cán thép Thái Nguyên LỜI CẢM ƠN Sau sáu tháng nghiên cứu và làm việc khẩn trương cuối cùng bản luận văn “Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung trên nền Simatic S7-300 và phần mềm WinCC” đã hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Cô giáo hướng dẫn GS.TS Phan Xuân Minh, Bộ môn Điều khiển Tự động – Viện Điện – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Tập thể cán bộ nhà máy cán thép Thái Nguyên, đặc biệt là các cán bộ thuộc phòng Cơ – Điện của nhà máy. Phòng đào tạo Sau đại học và các thầy cô giáo thuộc Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Toàn thể các bạn bè đồng nghiệp cùng gia đình đã quan tâm, động viên và giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn này. Thái Nguyên, ngày 19 tháng 12 năm 2013 Học viên Kim Đình Thái iii Kim Đình Thái – Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cho nhà máy cán thép Thái Nguyên MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TĂT vi DANH MỤC CÁC BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH viii MỞ ĐẦU 1 NộI DUNG 3 CHƯƠNG 1 3 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ VÀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA TẠI NHÀ MÁY CÁN THÉP THÁI NGUYÊN 3 1.1. Giới thiệu nhà máy 3 1.2. Quy trình công nghệ cán thép 5 1.2.1. Quy trình cán thép dây cuộn 7 1.2.2. Quy trình cán thép thanh tròn trơn vằn. 9 1.3. Hệ thống cung cấp điện 10 1.3.1. Trạm biến áp trung áp 10 1.3.2. Trạm máy phát 110 kVA 12 1.3.3. Trạm lọc sóng hài bậc 5, bậc 7 và bù công suất 12 1.3.4. Hệ thống tủ điện 12 1.4. Hệ thống tự động hóa 14 1.4.1. Các tủ điều khiển 14 1.4.2. Hệ thống điều khiển phân tán 18 1.5. Kết luận chương 1 20 CHƯƠNG 2 21 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG 21 2.1. Cấu tạo và hoạt động của lò nung nhà máy cán thép Thái Nguyên 21 iv Kim Đình Thái – Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cho nhà máy cán thép Thái Nguyên 2.1.1. Cấu tạo lò nung 21 2.1.2. Các yêu cầu điều khiển lò nung 25 2.2. Phát biểu bài toán điều khiển quá trình nung 29 2.2.1. Yêu cầu nhiệt độ từng vùng nung 29 2.2.1.1. Vùng sấy 29 2.2.1.2. Vùng nung 30 2.2.1.3. Vùng đồng nhiệt 30 2.2.2. Bài toán điều khiển nhiệt độ lò nung 31 2.3. Mô hình toán học của từng vùng nung 32 2.3.1. Mô hình toán học vùng 1 32 2.3.1.1. Hàm truyền thiết bị đo 33 2.3.1.2. Hàm truyền thiết bị chấp hành 33 2.3.1.3. Hàm truyền vùng 1 34 2.3.2. Mô hình toán học các vùng khác 36 2.4. Thiết kế bộ điều khiển cho từng vùng 37 2.4.1. Thiết kế bộ điều khiển PID cho vùng 1. 37 2.4.1.1. Bộ điều khiển PID 37 2.4.1.2. Ứng dụng PID tune để thiết kế bộ điều khiển 38 2.4.2. Tổng hợp bộ điều khiển PID cho các vùng khác 44 2.5. Kết luận chương 2 46 CHƯƠNG 3. 47 TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG TRÊN NỀN SIMATIC S7-300 VÀ PHẦN MỀM WINCC 47 3.1. Cấu hình hệ thống điều khiển 47 3.1.1. Cấu hình phần cứng 47 3.1.2. Bảng địa chỉ các đầu vào-ra 49 3.1.2.1. Các đầu vào tương tự 49 3.1.2.2. Các đầu ra tương tự 51 3.2. Thiết bị và phần mềm hỗ trợ lập trình 52 v Kim Đình Thái – Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cho nhà máy cán thép Thái Nguyên 3.2.1. Thiết bị lập trình 52 3.2.2. Thiết bị ghép nối truyền thông 52 3.3. Thiết kế phần mềm điều khiển 52 3.3.1. Cấu trúc điều khiển nhiệt độ của lò nung. 52 3.3.2. Một số module của STEP 7 54 3.3.2.1. Module FC105 54 3.3.2.2. Module FC106. 55 3.3.2.3. Module mềm PID (FB41) 55 3.3.3. Thiết kế chương trình điều khiển trên nền STEP 7. 59 3.4. Thiết kế phần mềm giám sát 65 3.4.1. Yêu cầu thiết kế 65 3.4.2. Thiết kế giao diện HMI 65 3.4.2.1. Giao diện HMI tổng quan khu vực lò nung 65 3.4.2.2. Giao diện HMI điều khiển và giám sát nhiệt độ các vùng lò nung 67 3.4.2.3. Giao diện HMI giám sát nhiệt độ các vùng lò nung 68 3.4.2.4. Giao diện cài đặt tham số PID điều khiển nhiệt độ các vùng lò nung 69 3.5. Cài đặt phần mềm, lắp đặt hệ thống và đánh giá kết quả 70 3.6. Kết luận chương 3 73 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 PHỤ LỤC 78 vi Kim Đình Thái – Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cho nhà máy cán thép Thái Nguyên DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 1 AI Analog Input Module đầu vào tương tự 2 AO Analog Output Module đầu ra tương tự 3 CB Cảm biến 4 CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm 5 DB Data Block Khối dữ liệu 6 DIN Deutsches Institut für Normung Tiêu chuẩn Đức 7 ĐTĐK Đối tượng điều khiển 8 FB Function Block Miền chứa chương trình con 9 FC Function Miền chứa chương trình con 10 FO Fuel Oil Nhiên liệu đốt lò 11 HMI Human - Machine Interface Giao diện người máy 12 JIS Japanese Industrial Standards-JIS Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản 13 KCS Kiểm tra chất lượng sản phẩm 14 KK Không khí 15 LMN Manipulated Value Giá trị đầu ra module mềm 16 MATLAB MATrix LABoratory Phần mềm tính toán và mô phỏng 17 MBA Máy biến áp 18 MCC Motor Control Center Trung tâm điều khiển Motor 19 MPI Message Passing Interface Giao thức kết nối với máy tính 20 OB Organization Block Miền chứa chương trình tổ chức 21 PC Personal Computer Máy tính cá nhân 22 PID Proportional Integral Derivative Thuật toán điều khiển vi tích phân tỷ lệ 23 PLC Programmable Logic Controller Thiết bị logic khả trình 24 PS Power Supply Module nguồn nuôi 25 QTB Quenching Hệ thống xử lý nhiệt 26 STL Statement list Ngôn ngữ liệt kê lệnh 27 TCGT Tiêu chuẩn cơ sở của công ty cổ phần gang thép 28 TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam 29 TĐN Trao đổi nhiệt 30 TT Bộ tập trung khí thải 31 WinCC Windows Control Center Trung tâm điều khiển chạy trên nền Window vii Kim Đình Thái – Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cho nhà máy cán thép Thái Nguyên DANH MỤC CÁC BẢNG Trang 1 Bảng 1.1. Bảng thời gian sản xuất và cơ cấu sản phẩm 4 2 Bảng 1.2. Bảng thông số máy biến áp của nhà máy 11 3 Bảng 2.1. Bảng tổng hợp mô hình toán học các vùng nung 36 4 Bảng 2.2. Tổng hợp thông số bộ điều khiển PID cho 4 vùng nung 45 5 Bảng 3.1. Bảng địa chỉ đầu vào tương tự 50 6 Bảng 3.2. Bảng địa chỉ đầu ra tương tự 51 viii Kim Đình Thái – Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cho nhà máy cán thép Thái Nguyên DANH MỤC CÁC HÌNH Trang 1 Hình 1.1. Sơ đồ quy trình công nghệ cán thép 6 2 Hình 1.2. Hệ thống điều khiển phân tán nhà máy 19 3 Hình 2.1. Lò nung phôi cán thép 22 4 Hình 2.2. Cấu tạo mỏ đốt lò nung phôi cán 23 5 Hình 2.3. Hệ thống nước làm mát 25 6 Hình 2.4. Đối tượng điều khiển vùng 1 32 7 Hình 2.5. Sơ đồ đối tượng điều khiển vùng 1 36 8 Hình 2.6. Sơ đồ tổng quát điều khiển nhiệt độ vùng nung 37 9 Hình 2.7. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ vùng sấy 38 10 Hình 2.8. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ vùng sấy trên Simulink 39 11 Hình 2.9. Bảng thiết lập thông số bộ điều khiển PID trên Simulink 40 12 Hình 2.10. PID tuner của Matlab/Simulink 41 13 Hình 2.11. Đánh dấu các điểm đặc biệt trên đồ thị đáp ứng của PID tuner 42 14 Hình 2.12. Tinh chỉnh thông số bộ điều khiển trên PID tuner 43 15 Hình 2.13. Nhiệt độ vùng sấy khi nhiệt độ đặt 800 0 C 44 16 Hình 2.10. Mô phỏng vùng nung khi nhiệt độ đặt 1200 0 C. 45 17 Hình 2.11. Mô phỏng vùng đồng nhiệt 3, 4 khi nhiệt độ đặt 1150 0 C 46 18 Hình 3.1. Cấu trúc trạm PLC của hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung 48 19 Hình 3.2. Cấu hình cứng của trạm PLC điều khiển nhiệt độ lò nung 49 ix Kim Đình Thái – Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cho nhà máy cán thép Thái Nguyên 20 Hình 3.3. Kết nối PLC với PC 52 21 Hình 3.4. Cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung 53 22 Hình 3.5. Cấu trúc module mềm FB41 “CONT_C”. 56 23 Hình 3.6. Thuật điều khiển PID 58 24 Hình 3.7. Cấu trúc điều khiển van không khí 63 25 Hình 3.8. Giao diện tổng quan khu vực lò nung 66 26 Hình 3.9. Màn hình điều khiển nhiệt độ vùng 1 67 27 Hình 3.10. Màn hình theo dõi nhiệt độ vùng 1 theo dạng bảng và dạng đồ thị 69 28 Hình 3.11. Màn hình cài đặt tham số PID để điều khiển nhiệt độ vùng 1 69 29 Hình 3.12. Thực nghiệm mô phỏng hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung 70 30 Hình 3.13. Giao diện tổng quan khu vực lò nung (thực nghiệm) 71 31 Hình 3.14. Giao diện điều khiển và giám sát nhiệt độ vùng 1(thực nghiệm) 72 32 Hình 3.15. Giao diện theo dõi nhiệt độ vùng 1 (thực nghiệm) 73 [...]... lũ nung cho nh mỏy cỏn thộp Thỏi Nguyờn 15 + Cỏc t -A1;-A2;-A3;-A3;-A4;-A5 cho ng c con ln bn nõng phụi v np phụi trong lũ + T -A6 cho hnh trỡnh 9 ng c con ln ra phụi u ra lũ nung + T -A10 cho mỏy bm, b sy du + T -A7 cho sy ng phõn phi khớ phun mự + T -A8;-A9;-A11;-A12;-A15 cho ng c mỏy bm 1; 2; 3; 4 trờn ng phõn phi du + T -A16 cho ng c úng m c cu dn ng thu lc van khớ thi v ỏp lc lũ nung + T -A17;-A18... nung + T -A17;-A18 cho ng c qut khớ t lũ nung + T -A19 cho ng c bm m bụi trn + T -A20;-A21;-A22;-A23 cho mỏy bm s 1; 2; 3; 4 trm thu lc lũ + u cp cho h thng TVCC + T -A29 (30BB L05) bng in PLC cho lũ nung * 30BB E10: Rolling mill MCC + Loi t: Techgel - Nhim v: + T -A1 cho ng c nõng h bn di chuyn lm mỏt + T -A2;-A3 cho ng c bm thu lc mỏy cỏn + T -A4 cho ng c bm tun hon mỏy cỏn + T -A5 cho b sy h thng thu... lũ nung cho nh mỏy cỏn thộp Thỏi Nguyờn 17 * 30BB F50: Bar finishing auxiliary drives + Loi t: DANIELI - Nhim v: + T -A1 cho b bin i AC/DC + T -A5;-A6;-A7 cho con ln u ra mỏy ct ngui + T -A5;-A6 vn chuyn xớch tng bc 1; 2 sn ngui + T -A16 cho di chuyn lt vi con ln ng * 30BB E50: Bar finishing area MCC + Loi t: Techgel - Nhim v: + T -A1;-A2;-A3;-A6-A17 cho cỏc ng c bn con ln sn ngui khu 1-8 + T -A1;-A19-A21... cỏn + T -A32(30BB L10) t PLC iu khin tc mỏy cỏn + T -A33(30BB L20) t PLC cho cỏc ph tr mỏy cỏn + T -A13;-A14 cho ng c bm s 1;2 ca b phn phanh uụi v mỏy ct chia + T -A15 cho b sy tec du b phn bụi trn phanh uụi + T -A16;-A17;-A18;-A19 cho ng c bm s 1; 2; 3; 14 ca b phn bụi trn Block + T -A20;-A21 cho b sy tec du cho b phn bụi trn Block + T -A37 (30BB E90) T khn cp bỏo ng chung + T -A24;-A25 cho ng c... cun v mỏy y tip + A26; -A27 cho ng c bm khớ 1; 2 mỏy to cun v mỏy y tip + T -A28 cho b sy du mỏy to cun v mỏy y tip + T -A10;-A11 cho ng c bm 1; 2 mỏy cỏn tinh + T -A39 cho b phn bm m mỏy ct s 1 + T -A39 cho b phn bm m cho ng c chớnh mỏy ct s 1 + T -A31;-A32 cho b phn nõng; h np bo v Block + T -A35;-A36 t PLC cho u di cun PLC cho mỏy ct chia v kờnh ụi + T -A38 (30BB L209) t PLC cho ngun nuụi MCC v phõn... mỏy cỏn + T -A6 cho ng c bm thu lc cho QRT + T -A34 (30BB L42) PLC cho cỏc dch v ph tr FFB Kim ỡnh Thỏi Thit k h thng iu khin nhit lũ nung cho nh mỏy cỏn thộp Thỏi Nguyờn 16 + T -A7;-A8 cho ng c bm s 1 cho b phn bụi trn mỏy cỏn thụ s 1; 2 + T -A9 cho b sy tec du cho b phn bụi trn mỏy cỏn thụ + T -A12 cho b sy tec du cho b phn bụi trn mỏy cỏn tinh + T -A22 cho b tỏch nc du li tõm + T -A29 cho b phn... Kim ỡnh Thỏi Thit k h thng iu khin nhit lũ nung cho nh mỏy cỏn thộp Thỏi Nguyờn 18 + T -A4 cho bin tn mỏy ct s 1 + T -A6;-A7;-A8;-A17 cho con ln bng truyn cỏn dõy + T -A20 cho bin tn mỏy ct s 2 + T -A22 cho bin tn mỏy nõng phụi * 30BB F20: Auxiliary dc drivers + Loi t: DANIELI - Nhim v : + T -A1;-A2: B bin i mỏy ct s 1; 2 + T -A7 B bin i kờnh ụi 2 + T -A8 B bin i chuyn sn ngui 1.4.2 H thng iu khin... -A1;-A19-A21 cho cỏc ng c bm thu lc s 1; 2; 3; 4 + T -A4;-A5 cho khu vc bú v di chuyn ca mỏy bú ph s 3; 4 + T -A23 cho b sy du khu vc thnh phm thộp thanh + T -A24 cho Trm bụi trn khu vc thnh phm thộp thanh + T -A26 t ng khu vc thộp thanh + T -A27 ng c m nc giỏn tip 1; 2 * 30BB F10: Rolling mill auxiliary driver + Loi t: DANIELI - Nhim v: + T -A1 B bin i AC/DC + T -A2 cho bin tn bn con ln ra lũ + T -A3 cho. .. khin phõn tỏn nh mỏy Khu vc lũ nung (ký hiu L05) cú cỏc bn iu khin v t iu khin sau: - Bn iu khin P505 iu khin lũ nung - T L051 iu khin thit b u vo lũ nung - T L052 iu khin lũ nung - Bn P507 iu khin lũ ỏy bc lũ nung - T L053 iu khin thit b u ra lũ nung Kim ỡnh Thỏi Thit k h thng iu khin nhit lũ nung cho nh mỏy cỏn thộp Thỏi Nguyờn 20 - Bng iu khin P058 iu khin trm thy lc lũ nung Cỏc t iu khin v bn iu... thng iu khin nhit lũ nung cho nh mỏy cỏn thộp Thỏi Nguyờn trờn nn Simatic S 7- 300 v phn mm WinCC 2 Mc ớch nghiờn cu Mc ớch ca nghiờn cu nhm khai thỏc cụng ngh t ng húa hin i nõng cp v ci thin hiu qu nung phụi thộp trong lũ Trờn c s ú, mc tiờu ca nghiờn cu l: Phõn tớch v lm rừ c bi toỏn iu khin nhit lũ nung, lm rừ c cỏc yờu cu cụng ngh t ra t ú thit k b iu khin nhit cho bn vựng nung, tng hp h thng . của đề tài là hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung của nhà máy cán thép Thái Nguyên. 2 Kim Đình Thái – Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cho nhà máy cán thép Thái Nguyên Phạm. và hệ thống tự động hóa nhà máy cán thép Thái Nguyên. Chương 2: Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ cho lò nung của nhà máy. Chương 3: Tổng hợp hệ thống tự động hóa trên nền Simatic S 7- 300. tạo và hoạt động của lò nung nhà máy cán thép Thái Nguyên 21 iv Kim Đình Thái – Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cho nhà máy cán thép Thái Nguyên 2.1.1. Cấu tạo lò nung 21 2.1.2.