Nghiên cứu hệ thống điều khiển dây chuyền sản xuất xi măng - công ty xi măng quang sơn

Nghiên cứu hệ thống điều khiển dây chuyền sản xuất xi măng - công ty xi măng quang sơn

MỤC LỤC

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU -2

PHẦN I MÔ TẢ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ

1.Khái quát chung về hệ thống sản xuất xi măng -3

2.Mô tả dây chuyền công nghệ sản xuất của nhà máy -5

PHẦN II HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DCS

1.Giới thiệu về hệ thống điều khiển DCS -7

2.Hệ thống điều khiển DCS của nhà máy xi măng Quang Sơn 13

PHẦN III BỘ ĐIỀU KHIỂN AC 800M CONTROLLER

1.Giới thiệu AC 800M CONTROLLER -17

2.Đặc tính kỹ thuật AC 800M CONTROLLER -21

PHẦN IV KẾT LUẬN -29

LỜI NÓI ĐẦU

Ximăng là một loại vật liệu kết dính được hình thành bằng cách pha trộn hỗnhợp đá vôi, đá sét, thạch cao…và một số loại phụ gia cần thiết sau đó nung nóng ởnhiệt độ khoảng 14000C Xi măng được sản xuất đầu tiên ở các nước tư bản như ĐanMạch, Anh, Pháp, Mỹ…vào cuối thế kỷ 19 Đến đầu thế kỷ 20, ximăng đã trở thànhmột nhu cầu không thể thiếu trong xây dựng và phát triển kinh tế

Việc áp dụng kỹ thuật tiến tiến vào trong quá trình sản xuất là một việc làm cầnthiết để nâng cao năng suất lao động Một quá trình sản xuất có khả năng tự động cao

sẽ đem lại nhiều lợi ích về kinh tế Tuy nhiên, việc áp dụng tự động hoá vào trong quátrình sản xuất xi măng là một bài toán hết sức khó khăn Yêu cầu đối với hệ thống tựđộng hoá quá trình sản xuất xi măng là không những đảm bảo yêu cầu công nghệ màcòn phải đảm bảo được sự ổn định, chất lượng và sản lượng luôn ở mức tối đa có thể

Do đó, việc nghiên cứu, phân tích, thiết kế hệ thống điều khiển tự động hoá cho nhàmáy ximăng là vô cùng quan trọng Với ý nghĩa đó Bài tâp lớn của em được đặt ra:

Nghiên cứu hệ thống điều khiển dây chuyền sản xuất xi măng – Công ty xi măng Quang Sơn

 Mô tả dây chuyền sản xuất xi măng của công ty

 Nghiên cứu cấu hình hệ thống điều khiển DCS

 Nghiên cứu bộ điều khiển(PLC) chính của dây chuyền sản xuất xi măng.Mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng vì thời gian không nhiều cộng với lượng kiếnthức còn hạn chế nên không thể tránh được sự thiếu sót và nhầm lẫn Rất mong nhậnđược những đóng góp quý báu của các thầy giáo cùng bạn bè để bài tập lớn được hoànthiện hơn

Sau cùng em xin chân thành cám ơn TS.Nguyễn Mạnh Tiến đã nhiệt tìnhhướng dẫn em thực hiện bài tập lớn này

PHẦN I MÔ TẢ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG CỦA

CÔNG TY XI MĂNG QUANG SƠN

1) Khái quát hệ thống sản xuất xi măng

 Mô hình sản xuất xi măng trên quan điểm hệ thống gồm có các yếu tố vào, ra sau :

 Lưu đồ công nghệ của của Công ty xi măng Quang Sơn :

2) Mô tả

a Công đoạn đập và vận chuyển đá vôi.

Đá vôi được khai thác từ núi đá vôi tự nhiên bằng phương pháp nổ mìn, sau đó được vận chuyển đổ vào phễu tiếp liệu, băng tải xích chuyển đá đến máy đập, côngsuất đập 90t/h Sau khi ra khỏi máy đập có kích thước 

15 mm Sau đó được vậnchuyển vào kho, mỗi kho có 2 đống mục đích là đồng thời 1 đống rải thì đống kia được xúc bình thường

b Công đoạn đập và vận chuyển đá sét.

Đá sét có kích thước < 800 mm được máy xúc để đổ vào phễu tiếp liệu, nhờbăng tải xích đá sét qua búa đập, đập xuống < 75mm, công suất 90t/h Sau đó đá sétđược băng tải cao su vận chuyển tới máy cán còn < 25 mm Sau khi cán, đá sét được

hệ thống băng tải cao su chuyển về kho đồng nhất

c Hệ thống cân băng định lượng.

Đá vôi và đá sét qua hệ thống cân băng định lượng tự động định đúng khốilượng cần thiết theo tỉ lệ cân, từ băng tải chung chuyển đá đến cổ tiếp liệu cho máynghiền Đồng thời với quá trình sau định lượng thì xỉ và cát thạch anh cũng được tháo

ra từ các két qua cân định lượng đổ vào băng tải chung và cùng đổ vào cổ tiếp liệu củamáy nghiền

d Công đoạn nghiền.

Liệu sau khi được đồng nhất sơ bộ được đưa vào máy nghiền liệu Máy sấynghiền có năng suất rất lớn, vật liệu vào máy phải có kích thước < 40 mm Độ ẩm tối

phương pháp phân ly khí động, trong quá trình này hạt qua sàng có độ mịn đảm bảo được thổi lên cyclone, còn hạt thô được hồi lưu trở lại máy nghiền

e Công đoạn đồng nhất liệu.

Phối liệu ở cyclone lắng được tháo vào cyclone sấy theo kiểu tháo chéo Từtháp đồng nhất, phối liệu được sấy sơ bộ đến gần 1000 0 trước khi đi vào lò nung

lò bởi hệ phun dầu

g Công đoạn nung Clinker.

Lò nung Clinker là loại lò quay bao gồm các hệ thống chính: Hệ thống sấy 5tầng, lò nung, hệ thống làm mát Nhiên liệu để nung là bột than được phun ở áp suấtcao dưới dạng mù Dòng khí nóng đi ngược từ đáy lò lên đến đỉnh lò Liệu từcyclonee lắng qua hệ thống sấy 5 tầng được sấy sơ bộ từ 75 0 1000 0 trước khi đưavào lò Phối liệu đi vào lò nhiệt độ tăng dần lên phản ứng các pha rắn xảy ra và đượckết khối ở 1300 0 1450 0 tạo thành Clinker

h Công đoạn vận chuyển Clinker.

Clinker ra khỏi lò có nhiệt độ khá cao được làm nguội qua hệ thống làm mátđến nhiệt độ khoảng 120 0 C Hệ thống làm mát có 2 kiểu: Kiểu lò hành tinh và giànghi

Clinker được máy đập búa đập nhỏ có kích thước  25 mm và được đổ vào

băng cào xích rồi được chuyển lên băng gầu xiên Từ băng gầu xiên Clinker được đổ vào cyclone chứa Ơ đây Clinker được ủ từ 7 đến 15 ngày

i Công đoạn nghiền Clinker.

Clinker, thạch cao và phụ gia được cho vào máy nghiền để nghiền thành ximăng Thành phần Clinker, thạch cao và phụ gia được điều chỉnh theo tỉ lệ phù hợp đểđạt được chất lượng xi măng theo yêu cầu Xi măng ra khỏi máy nghiền : Hạt to đượchồi lưu lại nhờ hệ thống phân ly, hạt quá nhỏ được thu hồi lại bởi hệ thống lọc bụi

j Đóng bao.

Xi măng từ si lô chứa được vận chuyển bằng vít tải, gầu xúc và băng tải tớiphân xưởng đóng bao Tại đây có 5 si lô chứa, ở các si lô chứa này xi măng được sụcliên tục nhờ các máy nén khí để đồng nhất lần cuối trước khi đưa đến cầu cảng để xuất

xi măng rời

PHẦN II NGHIÊN CỨU CẤU HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DCS 1.Giới thiệu hệ thống điều khiển DCS

Thế mạnh của DCS là khả năng xử lý các tín hiệu tương tự và thực hiện cácchuỗi quá trình phức tạp, khả năng tích hợp dễ dàng Các hệ thống DCS thương phẩmngày nay thường bao gồm các bộ điều khiển ( controller ), hệ thống mạng truyềnthông và phần mềm điều hành hệ thống tích hợp Các hệ DCS có thể quản lý được từvài nghìn điểm đến hàng chục nghìn điểm vào/ra Nhờ cấu trúc phần cứng và phầnmềm, hệ điều khiển có thể thực hiện đồng thời nhiều vòng điều chỉnh, điều khiểnnhiều tầng, hay theo các thuật toán điều khiển hiện đại: Nhận dạng hệ thống, điềukhiển thích nghi, tối ưu, bền vững, điều khiển theo mô hình dự báo (MPC), fuzzy,neutral, điều khiển chất lượng ( QCS)

Để phục vụ cho việc trao đổi thông tin, các hệ DCS thương phẩm ngày nay hỗtrợ nhiều giao thức truyền thông từ cấp trường đến cấp quản lý Hiện nay các giaothức này đã được chuẩn hoá ( Profibus, Foudation FieldBus, Ethernet )

Các hệ DCS thương phẩm ngày nay có độ tin cậy rất cao : nhờ có khả năng dựphòng kép ở tất cả các thành phần trong hệ ( controller, mođun I/O, bus truyền thông), khả năng thay đổi chương trình ( sửa chữa và download ), thay đổi cấu trúc của hệ,thêm bớt các thành phần mà không cần làm gián đoạn, không cần khởi động lại quátrình ( thay đổi online )

Cơ sở dữ liệu quá trình trong các hệ DCS thương phẩm cũng được thiết kế sẵn

và là cơ sở dữ liệu lớn có tính toàn cục và thống nhất Các nhà sản xuất DCS cũngcam kết thời gian hỗ trợ với các sản phẩm DCS lớn, từ 15 đến 20 năm để đảm bảothời gian hoạt động và khai thác của các hệ thống lớn

Tất cả những đặc điểm trên cho thấy các hệ DCS hoàn toàn đáp ứng yêu cầu vềmột giải pháp tự động hoá tích hợp tổng thể Các chuyên gia cho tới ngày nay, DCSvẫn là không thể thay thế được trong các ứng dụng lớn

b Chức năng

 Chức năng điều khiển

Chức năng chính và là chức năng quan trọng nhất của DCS là điều khiển toàn bộ cácquá trình công nghệ trong nhà máy.Chức năng điều khiển do các bộ điều khiển đảmnhận, được đặt tại phòng điều khiển trung tâm hoặc trong các trạm điều khiển

 Chức năng điều khiển cơ bản

DCS thực hiện tất cả các chức năng điều khiển cơ bản của một nhà máy Các thànhphần thực hiện các chức năng điều khiển cơ bản trong DCS gọi là các “ khối hàm “( Function Block) Mỗi khối hàm đại diện cho một bộ phận nhỏ nhất tong bài toánđiều khiển Việc thực hiện thiết kế chức năng điều khiển thực chất là cách kết hợp cáccác khối hàm lại với nhau cho phù hợp

 Chức năng thực hiện các thuật toán điều chỉnh tự động: Chức năng điềuchỉnh tự động thực hiện cho các vòng điều chỉnh phản hồi của các quá trìnhliên tục Thành phần chính tham gia vào chức năng điều chỉnh tự động làcác khối PID, các khối hàm chuyển đổi định dạng dữ liệu vào/ra và các khốihàm toán học

 Chức năng thực hiện thuật toán điều khiển tuần tự: Thuật toán điều khiểntuần tự đươc thực hiện cho một số công đoạn làm việc theo chuỗi sự kiệnnối tiếp trong nhà máy Chức năng này vừa điều khiển từng công đoạn độclập đồng thời quản lý toàn bộ chuỗi sự kiện xảy ra trong hệ thống Có thể sửdụng chức năng này cho các bài toán liên động hoặc kết hợp thực hiện cáccông đoạn liên tục trong nhà máy

 Chức năng thực hiện các thuật toán phức tạp: DCS là hệ điều khiển ứngdụng cho các nhà máy có quy mô lớn, công nghệ liên tục và phức tạp, đòihỏi phải sử dụng nhiều thuật toán tiên tiến để giải quyết các bài toán tối ưu

và tiết kiệm nhiên nguyên liệu Các thuật toán cấp cao thường được ứngdụng cho các nhà máy bao gồm : thuật toán điều khiển nối tầng ( casade ),thuật toán điều khiển tiền định ( feedfoward ), các thuật toán phân ly hệ đabiến, thuật toán điều khiển mờ, nôron …

 Chức năng truyền thông, trao đổi thông tin với các hệ thống phụ – Subsystem

Trong các nhà máy lớn, bên cạnh hệ DCS, luôn có các hệ PLC đảm nhận các côngviệc điều khiển cho tầng công đoạn nhỏ như trạm bơm cấp nước, nước thải, … và tất

cả các tham số này cũng cần phải được đưa vào hệ thống DCS chung của toàn nhàmáy để tập trung cơ sở dữ liệu phục vụ giám sát và quản lý

Hầu hết các hệ DCS đều không thích hợp sẵn các chương trình điều khiển truyềnthông cũng như các module truyền thông với các PLC vì hệ thống PLC trên thị trường

là rất phong phú và đa dạng Mà thay vào đó, các nhà cung cấp DCS cung cấp các tuỳchọn để liên kết với các hệ PLC, tuy nhiên không phải là có thể kết nối được với tất cảcác PLC Ơ điểm này thì các nhà làm thiết kế hệ thống điều khiển phải nắm được đểchọn thiết bị cho phù hợp và đỡ tốn kém nhất

Các nhà cung cấp DCS cung cấp các tuỳ chọn này dưới dạng các gói phần mềm vàcác module phần cứng Ví dụ để liên kết với PLC của AB SLC5, ta có các gói phầnmềm điều khiển truyền thông với SLC5, hay để kết nối với PLC của Siemens, ta cócác gói phần mềm truyền thông với các thiết bị của Siemens Tuy nhiên việc cấu hình

và truyền thông với các hệ thống phụ không phải bao giờ cũng diễn ra thuận lợi, mànếu lựa chọn không khéo, nó sẽ làm cho người làm Engineering tốn mất nhiều thờigian và công sức

Khi chúng ta định kết nối DCS của mình với một PLC của hãng nào, ta phải muachương trình phần mềm và môđun phần cứng của nhà cung cấp DCS để kết nối Vì

khi chúng ta cài đặt chương trình phần mềm này vào hệ thống, nó sẽ dành một phần

bộ nhớ và định dạng lại phần bộ nhớ này cho phù hợp với loại PLC ta cần giao tiếp

 Chức năng vận hành và giám sát hệ thống.

 Hiển thị trạng thái hoạt động của toàn bộ nhà máy

Bằng các thư viện hình ảnh và các công cụ xây dựng đồ hoạ, DCS cho phép chúng tabiểu diễn toàn bộ các quá trình, thiết bị trong nhà máy lên màn hình một cách trựcquan và sinh động, cung cấp các giao diện vận hành và giám sát

Từ đó ta có thể nhận biết được trạng thái hoạt động của nhà máy thông qua các đốitượng đồ hoạ và các giao diện điều khiển – Instrument Faceplate

 Chức năng hiển thị các biến quá trình dưới dạng đồ thị

Để vận hành và giám sát được toàn bộ nhà máy với nhiều thiết bị, tham số và trạngthái, DCS đã phân chia, sắp xếp và biểu diễn các tham số, trạng thái dưới nhiều hìnhthức khác nhau nhằm tạo thuận lợi tối đa cho người vận hành

Các biến quá trình ngoài việc ta có thể xem trực tiếp thông qua các Tagname của nó,

ta còn có thể giám sát thông qua các đồ thị, cho phép ta so sánh, đánh giá chất lượngđiều khiển và ra quyết định điều khiển

Các tham số quá trình được hiển thị dưới dạng các đường cong gọi là Trend Trendhiển thị dữ liệu dưới dạng các chuỗi biểu đồ theo thời gian.Cho phép hiển thị nhiềuđường cong, nhiều màu sắc khác nhau.Ngoài ra còn cho phép ta thống kê dưới dạngcác bảng biểu, phục vụ cho việc ưu trữ lâu dài Thông qua các Faceplate, người vậnhành sẽ giao tiếp với quá trình: giám sát trạng thái, tham số, thay đổi tham số bộ điềukhiển, thực hiện việc chỉnh định tham số…

 Chức năng cảnh báo quá tình

Bên cạnh các chức năng điều khiển, giám sát trạng thái, việc đưa ra các cảnh báo chongười vận hành và các gợi ý xử lý cũng là một yêu cầu không thể thiếu đối với bất cứmột hệ DCS nào.

Các cảnh báo trong hệ thống được chia thành nhiều cấp độ :

 Cảnh báo nguy cơ ( Warning ): Với các cảnh báo loại này, chỉ ra cho ngườivận hành biết rằng họ cần phải quan tâm đến tham số quá trình tương ứng

và chưa cần phải can thiệp vào hệ thống Thông thường với các cảnh báoloại này, hệ thống thoát ra được

 Báo động (Alarm ): Với các cảnh báo loại này, người vận hành phải thựchiện một vài gợi ý hoặc can thiệp nhỏ nhằm đưa hệ thống ra khỏi khu vựcnguy hiểm Khi ở mức báo động hệ thống vẫn có thể tiếp tục làm việc đượctrong một thời gian ngắn

 Báo lỗi ( Failure ): Đây là tình trạng nguy hiểm, phải thực hiện ngay các tácđộng để ngăn các rủi ro và tổn thất cho hệ thống Thông thường khi xảy ralỗi, hệ thống cũng đã được thực hiện trước một số action để ngăn chặn hiểmhoạ có thể xảy ra

 Chức năng lập báo cáo

Để hỗ trợ cho công tác giám sát và quản lý, DCS cung cấp các báo cáo cho tầng biếnquá trình, các khu vực quan trọng theo định kỳ hoặc theo yêu cầu

Ngoài ra luôn có các báo cáo thực hiện thường xuyên nhằm :

Thu thập, hiển thị và in ra các thông tin về trạng thái hoạt động của hệ thống

Báo cáo về các cảnh báo, thông điệp liên quan đến thiết bị, tín hiệu vào/ra và cả trạngthái của các function block Báo cáo về lịch sử làm việc, các lỗi, sự kiện xảy ra trong

hệ thống

 Chức năng an toàn hệ thống

Để ngăn chặn các lỗi trong vận hành và đảm bảo an toàn cho hệ thống DCS cungcấp khả năng phân chia quyền truy nhập hệ thống cụ thể đến từng thiết bị và tầngfunctionblock Mỗi người vận hành chỉ có quyền hạn và trách nhiệm trong một khuvực nhất định Có thể đặt nhiều mức độ bảo mật an toàn khác nhau từ cấp các khuvực, đến từng thiết bị trong nhà máy.

Mỗi người vận hành sẽ có một tên và mật khẩu riêng và chỉ có quyền truy nhập hệthống trong một khu vực đã được định nghĩa trước và phải chịu trách nhiệm hoàn toànvới khu vực đó

Điều này một mặt tránh các nguy cơ, ngăn chặn lỗi vận hành mặt khác cũng để làthuận lợi cho các nhà quản lý trong việc tìm ra người có trách nhiệm cho mỗi một sựkiện và kiểm soát tốt hơn tình trạng hoạt động của toàn nhà máy

2 Hệ thống điều khiển phân tán DCS của nhà máy xi măng Quang Sơn

Toàn bộ quá trình sản xuất của nhà máy được thực hiện tự động hóa ở mức độcao và được điều khiển tập trung CCR( Central Control Room) để kiểm soát toàn bộhoạt động của nhà áy, đồng thời cho phép điều chỉnh kịp thời các thông số khi chất lượng của sản phẩm thay đôi hoặc khi có sự cố bất bình thường xảy ra.

Tầng trên cùng là bốn trạm vận hành OS1, OS2, OS3, OS4 ( Operator Station)

để điêu khiển và giám sát các công đoạn: Chứa và vận chuyển nguyên liệu; đồng nhấtbột liệu và cung cấp cho lò nung; làm nguội clanhke, kho chưa chất clanhke và các bộphận dịch vụ; nghiền xi măng; nghiền than; các trạm đập đá vôi, đập đá shake; vận chuyển và chứa phụ gia; đóng gói bao, sản xuất bao và xi măng rời; cảng nhà máy; các trạm điện của nhà máy Hệ thống thiết kế sao cho mỗi trạm vận hành OS có thể kiểm ta và giám sát từ 2 công đoạn trở nên

- Các máy in báo động, cảnh báo, báo cháy, máy hardcopy màu

- Trạm kỹ thuật ES( Engineer Station) sử dụng cho việc biên soạn, lưu chươngtrình và đào tạo kỹ thuật