BÀI tập lớn hệ THỐNG tự ĐỘNG hóa BKA NHÀ máy XI MĂNG đề tài NGHIÊN cứu hệ THỐNG điều KHIỂN dây CHUYỀN sản XUẤT XI MĂNG VCM

Quá trình sản xuât clinker thành phẩm: Từ các Bin chứa liệu 7, từng loại nguyên liệu được rút ra và chạy qua hệ thống cân định lượng theo đúng tỷ lệ cấp phối đưa ra từ nhân viên vậnhành

M c L c ục Lục ục Lục

I Mô tả dây chuyền công nghệ sản xuất xi măng VCM 3

1 Quá trình chuẩn bị nguyên liệu 4

2 Quá trình sản xuât clinker thành phẩm: 4

3 Quá trình sản xuất xi măng và đóng bao thành phẩm: 6

II Nghiên cứu cấu hình hệ thống điều khiển DCS của dây chuyền sản xuất xi măng VCM: 7

1 Mô tả cấu hình hệ thống DCS của nhà máy 7

a Cấp trường: 10

b Bộ điều khiển: 10

c Cấp giám sát vận hành: 10

2 Trình bày chức năng của các khâu trong hệ thống 11

a Phòng điều khiển cục bộ (local control room, LCR): 11

b Trạm vận hành (opration station, OS): 14

c Trạm kĩ thuật (Engineering Station): 16

3 Các bus và phương thức truyền thông trong hệ thống 17

a Bus trường 17

b Bus hệ thống 18

III Nghiên cứu bộ điều khiển PLC (S7-400 CPU 416-2DP) chính của dây

chuyền sản xuất 19

1 Giới thiệu chung 19

2 Đặc tính kĩ thuật của phần cứng:CPU, I/O, ghép nối truyền thông 21

a Trung tâm vi xử lý CPU 21

b Vào ra I/O 24

c Ghép nối truyền thông 26

3 Phần mềm lập trình 27

Nghiên cứu hệ thống điều khiển dây chuyền sản xuất xi

măng VCM

I) Mô tả dây chuyền công nghệ sản xuất xi măng VCM.

1 Quá trình chuẩn bị nguyên liệu

2 Quá trình sản xuất clinker thành phẩm

3 Quá trình sản xuất xi măng và đóng bao thành phẩm

II) Nghiên cứu cấu hình hệ thống điều khiển DCS của dây chuyền sản xuất xi măng.

1 Mô tả cấu hình hệ thống DCS của nhà máy

2 Trình bày chức năng của các khâu trong hệ thống

3 Mô tả các bus và phương thức truyền thông.

III) Nghiên cứu bộ điều khiển PLC chính (S7-400) của dây chuyền sản xuất

1 Giới thiệu chung

2 Đặc tính kĩ thuật của phần cứng:CPU, I/O, ghép nối truyền thông

3 Phần mềm lập trình.

I Mô tả dây chuyền công nghệ sản xuất xi măng VCM.

Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất xi măng VCM

Quá trình sản xuất xi măng được mô tả qua 3 giai đoạn cụ thể như sau:

1 Quá trình chuẩn bị nguyên liệu.

Từ mỏ, đá vôi được khai thác (nổ mìn) và được vận chuyển bằng xe tải

về đổ qua máy đập búa (1) đưa về kích thước nhỏ hơn và đưa lên máy rải liệu(2) để rải liệu chất thành đống trong kho (đồng nhất sơ bộ) Tương tự với đấtsét, phụ gia điều chỉnh (quặng sắt, đá silic, quặng bô xít…), than đá vànguyên liệu khác cũng được chất vào kho và đồng nhất theo cách trên

Tại kho chứa, mỗi loại sẽ được máy cào liệu (5) và (6) cào từng lớp(đồng nhất lần hai) đưa lên băng chuyền để nạp vào từng Bin chứa liệu (7)theo từng loại đá vôi, đất sét, quặng sắt…

Than đá thô từ kho chứa sẽ được đưa vào máy nghiền đứng (20) đểnghiền, với những kích thước hạt đạt yêu cầu sẽ được đưa vào Bin chưa(21) , còn những hạt chưa đạt sẽ hồi về máy nghiền nghiền lại đảm bảo hạtthan nhiên liệu cháy hoàn toàn khi cấp cho lò nung và tháp trao đổi nhiệt

2 Quá trình sản xuât clinker thành phẩm:

Từ các Bin chứa liệu (7), từng loại nguyên liệu được rút ra và chạy qua

hệ thống cân định lượng theo đúng tỷ lệ cấp phối đưa ra từ nhân viên vậnhành điều khiển (tỷ lệ phối liệu được quyết định từ phòng thí nghiệm) Tất cảcác nguyên liệu đó sẽ được gom vào máy nghiền đứng (8) để nghiền về kíchthước yêu cầu, tại đây nguyên liệu đã được đồng nhất một lần nữa Bột liệu

sau khi nghiền được chuyển lên silo đồng nhất (9) chuẩn bị để cấp cho lònung, dưới silo đồng nhất có hệ thống sục khí nén liên tục vào silo để tiếp tụcđồng nhất lần nữa.

Để có một sản phẩm Clinker ổn định chúng ta thấy nguyên liệu phảiqua ít nhất 4 lần đồng nhất

Tháp trao đổi nhiệt (11) và Lò quay nung Clinker(12):

Tháp trao đổi nhiệt (11) là một hệ thống gồm từ 3-5 tầng, mỗi tầng có 1 hoặc

2 Cyclone có cấu tạo để tang thời gian trao đổi nhiệt của bột liệu Bột liệuđược cấp từ trên đỉnh tháp và đi xuống, nhiệt nóng từ than được đốt cháy từCalciner và lò nung đi lên sẽ tạo điều kiện cho phản ứng tạo khoáng bêntrong bột liệu Mặc dù bột liệu đi xuống và khí nóng đi lên nhưng thực chấtquá trình này là trao đổi nhiệt cùng chiều do cấu tạo đặc biệt của các Cyclontrao đổi nhiệt

- Lò nung (12) có dạng hình trụ tròn đường kính từ 3-5 mét và dài từ

30-80 mét tùy thuộc vào công suất của lò Vỏ lò nung được làm bằng thép chịunhiệt, bên trong có lót một lớp vật liệu chịu lửa Góc nghiêng của lò từ 3%-5% để tạo độ nghiêng cho dòng nguyên liệu chảy bên trong Tại đầu ra củaClinker sẽ có một dàn quạt thổi gió tươi làm nguội nhanh Clinker

Than mịn được rút từ Bin chứa trung gian (21) cấp cho các vòi đốt ởtháp trao đổi nhiệt và lò nung để được đốt cháy nung nóng bột liệu

Phối liệu được rút ra từ silo chưa (9) , qua cân định lượng và được đưalên đỉnh tháp trao đổi nhiệt Từ trên đỉnh tháp (11), liệu từ từ đi xuống quacác tầng Cyclone kết hợp với khí nóng từ lò nung đi lên được gia nhiệt dầnlên khỏng 800-9000C trước khi đi vào lò nung (12) Trong lò, ở nhiệt độ

14500C các oxit CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3 có trong nguyên liệu kết hợp vớinhau tạo thành một số khoáng chính quyết định chất lượng của Clinker như:C3S, C2S, C3A và C4AF Viên Clinker ra khỏi lò sẽ rơi xuống dàn làm lạnh(13), hệ thống quạt cao áp đặt bên dưới sẽ thổi gió tươi vào làm nguội nhanhviên Clinker về nhiệt đọ khoảng 50 -900C, sau đó Clinker sẽ được chuyển lênSilo chứa Clinker

3 Quá trình sản xuất xi măng và đóng bao thành phẩm:

Clinker sẽ được rút từ Silo, cấp vào Bin chứa (15) để chuẩn bị nguyênliệu cho quá trình nghiền xi măng Tương tự thạch cao và phụ gia từ khocũng được chuyển vào Bin chứa riêng theo từng loại Dưới mỗi Bin chứa,nguyên liệu được qua cân định lượng theo đúng khối lượng của đơn phốiliệu, xuống băng tải chính đưa vào máy cán (16) để cán sơ bộ, sau đó đượcđưu vào máy nghiền xi măng (17) Bột liệu ra khỏi máy nghiền được đưa lênthiết bị phân li (18), tại đây những hạt chưa đạt yêu cầu sẽ được hồi lưu vềmáy nghiền để nghiền tiếp, còn những hạt đạt kích thước yêu cầu được phân

li tách ra, đi theo dòng quạt hút đưa lên lọc bụi (19) thu hồi toàn bộ và đưavào Silo chứa xi măng (22) Quá trình nghiền sẽ diễn ra theo một chu trìnhkín và liên tục

Từ Silo chứa (22) xi măng sẽ được cấp theo 2 cách khác nhau:

1 Rút xi măng cấp trực tiếp cho xe bồn nhận hàng dạng xá/rời

2 Và cấp qua máy đóng bao (23), để đóng thành từng bao 50kg giaođến từng phương tiện nhận hàng

II Nghiên cứu cấu hình hệ thống điều khiển DCS của dây

chuyền sản xuất xi măng VCM:

Cấu hình DCS nhà máy xi măng VCM

1 Mô tả cấu hình hệ thống DCS của nhà máy.

Toàn bộ quá trình sản xuất của nhà máy xi măng VCM được thực hiện

tự động hóa ở mức độ caoo và điều khiển tập trung CCR (Central ControlRoom) để kiểm soát toàn bộ hoạt động của nhà máy đồng thời cho phép điều

chỉnh kịp thời các thông số khi chất lượng của sản phẩm thay đổi hoặc khi có

sự cố bất thường xảy ra

Hệ DCS là hệ điều khiển chia sẻ, tại một thời điểm đảm nhận mộtlượng lớn các tác vụ Để thực hiện được điều này toàn bộ nhà máy đượctrang bị 2 server được chia thành nhiều nhóm

Tầng trên cùng là 6 trạm vận hành OS1, OS2, OS3, OS4, OS5, OS6(Operator Station) để điều khiển và giám sát các công đoạn như: chứa và vậnchuyển nguyên liệu, đồng nhất bột liệu và cấp cho lò nung, làm nguộiclanker, kho chứa xuất clanker và các bộ phận dịch vụ, nghiền xi măng,nghiền than, các trạm đập đá vôi, vận chuyển và chứa phụ gia, đóng bao, xuất

xi măng bao và xi măng rời, cảng nhà máy, các trạm điện của toàn nhà máy

Hệ thống thiết kế sao cho mỗi trạm vận hành OS có thể kiểm tra và giám sát

từ 2 công đoạn trở lên

Nhìn trên sơ đồ DCS nhà máy ta thấy toàn bộ nhà máy được chia thành

5 trạm trường (Field Station)

Field

Station

Name

FieldStation 1

FieldStation2

FieldStation3

FieldStation4

FieldStation5

Field

Station

Location

Limstonecrushing

&

Rawmaterialcrushing

Rawmaterialgrinding/

ClinkerCoolingand

CoalGrinding(805)

conveyingE.R (801)

&

conveyingE.R(802)and

Limestonepre-

blending

& storageE.R(803)

Waste gastreatment(804)

Conveyin

g ElectricRoom(805)

Mỗi thiết bị vào ra phân tán ET200M được đặt tên trên sơ đồ là FCS01,FCS02…để phân biệt chúng ở trong từng trạm trường khác nhau

Các thiết bị vào ra phân tán ET 200M này được đưa tới các trạm điện,điều khiển các nhiệm vụ khác nhau của từng công đoạn trong nhà máy

Cấu hình hệ thống DCS của nhà máy gồm:

-Các phòng điều khiển cục bộ (local control room, LCR), trạm cục bộ (localstation, LS)

-Các trạm vận hành (operator station,OS)

-Trạm kỹ thuật (Engineering Station)

-Hệ thống truyền thông: Bus hệ thống, Bus trường

Hệ thống điều khiển DCS của dây chuyền sản xuất xi măng được chiathành 3 cấp: cấp trường, bộ điều khiển và cấp giám sát vận hành

Bộ điều khiển thực hiện việc điều khiển quá trình công nghệ, thiết bịđiều khiển có thể là: máy tính công nghiệp, DCS, PLC Bộ điều khiển điềukhiển cục bộ các công đoạn của cả dây chuyền sản xuất và toàn nhà máy

c Cấp giám sát vận hành:

Hỗ trợ người dùng trong việc cài đặt ứng dụng, thao tác theo dõi, giámsát, vận hành và xử lý các tình huống bất thường Ngoài ra, cấp này còn thựchiện các bài toán điều khiển cao cấp như điều khiển phối hợp, điều khiểntrình tự và điều khiển theo công thức Khác với các cấp dưới Việc thực hiệnchức năng ở cấp vận hành thường không đòi hỏi phương tiện, thiết bị phầncứng đặc biệt ngoài các máy tính thông thường.

2 Trình bày chức năng của các khâu trong hệ thống.

a Phòng điều khiển cục bộ (local control room, LCR):

lưu trữ

c Phòng ĐK công đoạn nghiền và xử lí khí thải d Phòng điều khiển công

đoạn làm mát clinker

e Phòng ĐK công đoạn nghiền than .

Phòng điều khiển cục bộ thuộc cấp điều khiển, là nơi thực hiện mọichức năng điều khiển cho một công đoạn Các phòng điều khiển được đặtcạnh phòng điều khiển trung tâm và các khu vực hiện trường

Chức năng của phòng điều khiển cục bộ:

+ Điều khiển quá trình (process control): Điều khiển các mạch vòng kín(nhiệt độ, áp suất, lưu lượng) Hầu hết các mạch vòng đơn được điều khiểntrên cơ sở luật PID, giải quyết bài toán điều chỉnh, điều khiển tỉ lệ, điều khiểntầng

+ Điều khiển trình tự, điều khiển logic, thực hiện các công thức

+ Đặt trạng thái đầu ra về trạng thái an toàn trong trường hợp có sự cố hệthống.

+ Lưu trữ tạm thời các tín hiệu quá trình trong trường hợp mất liên lạc vớitrạm vận hành hoặc bus hệ thống gặp sự cố

Yêu cầu kĩ thuật của trạm điều khiển cục bộ là:

+ Tính năng thời gian thực

Tại nhà máy xi măng VCM, để tiện cho việc vận hành hệ thống người

ta thường xắp xếp mỗi trạm vân hành tương ứng với một phân đoạn hoặc mộtphân xưởng như: trạm vận hành nghiền liệu (OS Raw Mil), trạm vận hành lònung (OS kiln), trạm vận hành làm mát clinker (OS clinker cooler), trạm vậnhành nghiền xi măng, trạm vận hành nghiền than đá (OS coal mil) Bên cạnh

đó còn có các trạm kỹ thuật (engineering station), trạm quản lý (managementstation) nối với máy in, tối ưu hóa lò nung (kiln optimization)

Tuy nhiên các phần mềm chạy trên các trạm là giống nhau nên trongtrường hợp cần thiết mỗi trạm có thể thay thế chức năng cho nhau

Chức năng của trạm vận hành:

+ Hiển thị các hình ảnh chuẩn (hình ảnh tổng quan, hình ảnh nhóm, hình ảnhtừng mạch vòng, hình ảnh điều khiển trình tự, các đồ thị thời gian thực và đồthị quá khứ)

+ Hiển thị các hình ảnh đồ họa tự do (lưu đồ công nghệ, các phím điềukhiển)

+ Hỗ trợ vận hành hệ thống qua các công cụ thao tác tiêu biểu, các hệ thốnghướng dẫn chỉ đạo và hướng dẫn trợ giúp

+ Tạo và quản lý các công thức điều khiển

+ Xử lý các sự kiện, sự cố

+ Xử lý, lưu trữ và quản lý dữ liệu

+ Chuẩn đoán hệ thống, hỗ trợ người vận hành và bảo trì hệ thống.

Hầu hết các hệ thống DCS hiện đại đều sử dụng các máy tính cá nhân,hoặc máy tính trạm Một trạm vận hành bố trí theo kiểu một người sử dụng(một hoặc nhiều màn hình), hoặc nhiều người sử dụng

c Trạm kĩ thuật (Engineering Station):

Trạm kĩ thuật (Engineering Station) nhà máy xi măng VCM

Trạm kỹ thuật là nơi cài đặt các công cụ phát triển, cho phép cài đặt cấuhình cho hệ thống, tạo và theo dõi các chương trình ứng dụng điều khiển vàgiao diện người máy, đặt cấu hình và tham số hóa các thiết bị trường

Ở trạm kĩ thuật có máy chủ để lưu chương trình, dữ liệu toàn nhà máy

Để đảm bảo clanker đúng yêu cầu thì nhà máy còn có hệ thống điềukhiển chất lượng QCS Hệ thống này là một hệ thống kiểm tra chất lượngbằng tia X Máy phân tích sẽ được cung cấp 10 kênh đo có định cho 10nguyên tố (Ca,Si,Al,Fe,Na,K,S,Mg,Cl,P) điều khiển bằng bộ vi xử lý đượctrang bị chương trình đo kiểm tra hệ thống Máy tính xử lí dữ liệu của máy

qua các tuyến cáp truyền dữ liệu Dựa trên đó hệ thống sẽ quyết định thay đổilượng đặt để đảm bảo chất lượng xi măng theo yêu cầu.

3 Các bus và phương thức truyền thông trong hệ thống.

Các bus gồm bus hệ thống và bus trường.

a Bus trường.

Là các hệ thống bus nối tiếp, sử dụng kĩ thuật truyền tin số để kết nốicác thiết bị thuộc cấp điều khiển (PC, PLC) với nhau và với các thiết bị ở cấptrường

Các thiết bị cấp trường có khả năng nối mạng và nối vào các vào raphân tán (distributed I/O), các thiết bị đo lường (sensor, transmitter) hoặc cơcấu chấp hành (actuator,valve) có tích hợp khả năng xử lý truyền thông

Bus trường có nhiệm vụ chuyển dữ liệu quá trình lên cấp điều khiển để

xử lý và chuyển quyết định điều khiển xuống các cơ cấu chấp hành, vì vậytính năng điều khiển thời gian thực được đặt lên hàng đầu

Đặc điểm của việc trao đổi thông tin qua bus trường là:

+ Tốc độ truyền phải nhanh.

+ Lượng thông tin vừa phải

Bus hệ thống nhà máy xi măng VCM

Bus hệ thống có chức năng nối các trạm điều khiển cục bộ với nhau vàvới các trạm vận hành và trạm kỹ thuật (các hệ thống mạng công nghiệpđược dùng để kết nối các máy tính điều khiển và các máy tính trên cấp điềukhiển giám sát với nhau)

Đặc điểm của việc trao đổi thông tin qua bus hệ thống là:

+ Lượng thông tin xử lý nhiều (toàn nhà máy)

+ Tốc độ xử lý không cần nhanh

+ Đường truyền có thể là cáp đồng trục hoặc cáp quang

III Nghiên cứu bộ điều khiển PLC (S7-400 CPU 416-2DP) chính của dây chuyền sản xuất.

1 Giới thiệu chung.

Các modul của PLC S7-400

PLC S7-400 là một sản phẩm PLC mạnh, tốc độ xử lý cao, quản lý bộnhớ tốt, kết nối mạng công nghiệp Về tính năng S7-400 có nhiều tính năng

so với S7-300 Đặc biệt về tính năng truyền thông

-Tốc độ xử lý: Tốc độ nhanh, tốc độ xử lý lệnh nhanh lên tớn 0.1 tới0.2us, chu kì vòng quét nhỏ Tập lệnh mạnh và hoàn chỉnh đáp ứng cácnhiệm vụ phức tạp Có thẻ nhớ để mở rộng bộ nhớ hoặc back up dữ liệu

-Truyền thông: S7-400 sử dụng các mạng truyền thông INDUSTRIALERTHERNET cho cấp giám sát, PROFIBUS cho cấp trường, AS-I cảm biếnthiết bị chấp hành, MPI nối giữa các thiết bị CPU, PG/PC, TD/TO Sử dụngcác loại hình mạng điểm điểm hoặc bus truyền thông qua giao diện tích hợptrên bus trường sử dụng CPU hoặc IM (modul giao diện hoặc FM,CP)

-Giao diện MPI: MPI là giao diện để tích hợp các hệ thống PG/PC,HMI với các hệ thống SIMATIC S7/C7/WinAC, có thể nối tối đa tới 125điểm MPI với tốc độ truyền tới 187.5Kbit/s Thông qua MPI mà ta có thểtruyền dữ liệu giữa các bộ điều khiển với nhau, có nghĩa là một CPU có thểtruy cập tới nhiều các đầu vào ra khác nhau của các bộ điều khiển khác.Ngoài ra HM còn được tích hợp trong hệ điều hành S7-400 và truyền dữ liệutới các trạm vận hành mà không cần lập trình giúp điều khiển vận hành giaodiện

-Giao diện PROFIBUS-DP: S7-400 có thể nối vào bus trườngPROFIBUS có thể dễ dàng tạo ra chương trình phân tán giúp truyền thông