Hệ thống điều khiển dây chuyền sản xuất Xi măng Công ty Xi măng VCM

Toàn bộ quá trình sản xuất của nhà máy xi măng VCM được thực hiện tự động hóa ở mức độ cao. Phòng điều khiển trung tâm CCR (Central Control Room) 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. Quá trình sản xuất được chia thành 5 công đoạn ứng với 5 trạm trường khác nhau, mỗi công đoạn được điều khiểm và giám sát bởi 1 trạm vận hành đặt tại phòng điều khiển trung tâm (CCR).Các thiết bị trường (thiết bị đo và cơ cấu chấp hành) sử dụng trong dây chuyền sản xuất được đánh số thứ tự và kết nối với các vào ra thông qua Profibus DP hoặc PA trước khi đưa tín hiệu vào bộ điều khiển (PLC). Mỗi công đoạn có thể được điều khiển bởi một hoặc nhiều bộ điều khiển (PLC S7400).PLC S7400 được nối vào các thiết bị vào ra phân tán ET 200M. ET 200M với cấu hình gồm modul giao diện IM153x, các modul tín hiệu SM và modul chức năng FM. Được kết nối mạng Profibus DP.

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DÂY CHUYỀN

SẢN XUẤT XI MĂNG VCM

Nội dung:

1 Mô tả dây chuyền công nghệ sản xuất xi măng của công ty

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

 Mô tả cấu hình hệ thống DCS

 Trình bày chức năng của các khâu trong hệ thống

3 Nghiên cứu bộ điều khiển PLC chính của dây chuyền sản xuất:

 Giới thiệu chung

 Đặc tính kỹ thuật phần cứng: CPU, I/O, ghép nối truyền thông

 Phần mềm lập trình

M C L C ỤC LỤC ỤC LỤC

I MÔ TẢ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT XI MĂNG CỦA CÔNG TY 3

II HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DCS CỦA DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT 7

1 DCS là gì? 7

2 Hệ thống điều khiển DCS của dây chuyền sản xuất xi măng VCM 13

III BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC CHÍNH CỦA DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT 16

1 Giới thiệu chung về PLC S7-400 16

2 Đặc tính kỹ thuật của PLC S7-400 17

2.1 Trung tâm xử lý CPU 17

2.2 Module vào ra I/O 20

2.3 Truyền thông của PLC S7-400 22

a)Giao diện MPI 22

b)Giao diện PROFIBUS-DP 23

c) Profinet 24

I MÔ TẢ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT XI MĂNG CỦA CÔNG TY

Những công đoạn cơ bản của một dây chuyền sản xuất xi măng:

Xi lô chứa clinker

Nghiền xi măng Phụ gia (trợ dung, thạch cao)

Đóng bao

Bột mịn

Clinker

Xi măngLiệu thô

Sơ đồ khối dây chuyền sản xuất xi măng

Hiện nay có 2 phương pháp sản xuất xi măng: sản xuất theo phương pháp ướt và sảnxuất theo phương pháp khô:

Phương pháp ướt:

Phối liệu được nghiền ướt thành dạng bùn past ( độ ẩm tới 45% ) và đưa vào lò quay.Dùng phương pháp ướt khi nguyên liệu xốp mềm, dễ hòa tan vào nước hoặc độ ẩm thiênnhiên lớn

Ưu điểm:

- Dễ nghiền, tốn ít điện năng

- Dễ nhào trộn đồng nhất

- Dễ điều chỉnh các thành phần phối liệu

- Dễ bơm, ít bay bụi sạch sẽ hơn phương pháp khô

Các công đoạn chính trong sản xuất xi măng:

 Chuẩn bị nguyên liệu:

Đá vôi: được khai thác bằng phương pháp khoan nổ, cắt tầng theo đúng quy định vàquy hoạch khái thác, sau đó được xúc và vạn chuyển đến máy đập bằng cát thiết bị vậnchuyển Tại đây đá vôi được đập nhỏ thành đá dăm cỡ 25 x 25

Đá sét: được khai thác bằng phương pháp cày ủi hoặc khoan nổ mìn Sau đó được bốcxúc và vận chuyển bằng các thiết bị vận tải đến máy nghiền Đá sét được đập để kíchthước xuống khoảng 25mm

Cả đá vôi và đá sét sau khi được đập thô được vận chuyển bằng băng tải về kho đồngnhất sơ bộ, rải thành những đống riêng biệt Để đảm bảo thành phần hóa học cũng như

chất lượng của xi măng, các loại nguyên liệu cần thiết khác như phụ gia, quặng sắt, thạchcao cũng được nghiền và rải thành đốnng riêng biệt trong kho đồng nhất sơ bộ

 Nghiền nguyên liệu

Đá vôi, đá sét và phụ gia được cấp vào máy nghiền qua hệ thống cân DOSIMAT vàcân băng điện tử Các bộ điều khiển tự động khống chế tỷ lệ của đá vôi, đá sét, bô xít vàquặng sắt cấp vào máy nghiền được điều khiển bằng máy tính thông qua các số liệu phântích của hệ thống QCX, đảm bảo khống chế các hệ số theo yêu cầu Bột liệu sau khinghiền được đưa đến các xilo đồng nhất bằng hệ thống gầu nâng, máy khí động

 Lò nung

Nguyên liệu từ xilô đồng nhất được đưa lên tháp trao đổi nhiệt (tháp 4 hoặc 5 tầng) có

hệ thống tiền nung (canxiner) Ở tháp trao đổi nhiệt, nguyên liệu được sấy khô bằng giónóng đưa lên từ khâu làm lạnh (gió 3) Trước khi đưa vào lò nung, nguyên liệu được đưađến vùng canxiner Tại đây xảy ra các quá trình sinh hóa, canxi hóa 90 đến 95% nguyênliệu trước khi vào lò quay Đầu ra của lò quay là clinker ở nhiệt độ cao (khoảng 1400 độC) Clinker được đưa đến khâu làm nguội để giảm nhiệt độ xuống khoảng 80 đến 100 độ

C trước khi cho vào các xi lô chứa Hiện nay có 3 công nghệ làm nguội là: làm nguộikiểu hành tinh, kiểu roto và kiểu ghi Clinker sản xuất ra có thể được sử dụng để nghiền

xi măng hoặc có thể được bán luôn

 Nghiền xi măng

Clinker từ các xi lô, thạch cao và phụ gia từ kho chứa tổng hợp được vận chuyển lênkét máy nghiền bằng hệ thống băng tải và gầu nâng Clinker, thạch cao, phụ gia cấp vàomáy nghiền được định lượng bằng hệ thống cân DOSIMAT để bảm bảo chất lượng ximăng theo yêu cầu

 Đóng bao xi măng

Từ đáy các xi lô chứa, qua hệ thống tháo liệu, xi măng được vận chuyển tới các kétchứa của máy đóng bao hoặc các bộ phận xuất xi măng rời đường bộ

II HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DCS CỦA DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT

1 DCS là gì?

DCS là viết tắt của Hệ thống điều khiển phân tán (Distributed Control System),thường được sử dụng trong các quá trình, hệ thống sản xuất và các hệ thống động(dynamic system), trong đó các phần tử điều khiển không được đặt ở vị trí trung tâm,nhưng mỗi một hệ thống con được điều khiển bằng một hoặc nhiều bộ điều khiển trongtoàn bộ hệ thống Toàn bộ hệ thống điều khiển được nối mạng để giao tiếp, điều khiển vàgiám sát Một hệ thống DCS tiêu biểu gồm có bộ vi xử lý được thiết kế tùy biến như các

bộ điều khiển, kết nối vật lý và giao thức giao tiếp riêng Module đầu vào và đầu ra tạonên các thành phần của DCS Bộ vi xử lý nhận thông tin từ module đầu vào và gửi thôngtin đến module đầu ra Hệ thống điều khiển phân tán DCS là hệ thống chuyên dụng đượcdùng để điều khiển các quá trình sản xuất liên tục hoặc theo mẻ (Batch- oriented) nhưtrong lọc dầu, hóa dầu, trạm phát điện trung tâm, dược phẩm, sản xuất thức ăn, nướcuống, sản xuất xi măng, sản xuất thép và sản xuất giấy

Sơ đồ phân cấp của hệ thống tự động hóa:

Trên sơ đồ phân cấp chức năng ta thấy, một hệ thống điều khiển giám sát gồm có 5 cấp

Cơ cấu chấp hành và cảm biến

Điều khiểnĐiều khiển giám sátGiám sát và tư vấnQuản lý công ty

Cơ cấu chấp hành và cảm biến: Chức năng chính của cấp này là đo lường, truyền

động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết Trong thực tế các thiết bị cảmbiến và cơ cấu chấp hành cũng có phần điều khiển riêng cho việc thực hiện đo lường,truyền động chính xác và nhanh nhạy Các thiết bị đo thông minh cũng có thể xử lýthông tin trước khi đưa lên câp trên

Cấp điều khiển: Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin từ cảm biến, xử

lý các thông tin theo một thuật toán nhất định và truyền đạt lại kết quả xuống cơ cấu chấphành Cấp điều khiển thực hiện việc điều khiển quá trình công nghệ, thiết bị điều khiển

có thể là bộ điều khiển PLC, máy tính PC công nghiệp

Cấp điều khiển giám sát: Cấp điều khiển giám sát có chức năng giám sát và vận hành

một quá trình kỹ thuật Nhiệm vụ của cấp điều khiển giám sát là hỗ trợ người sử dụngtrong cài đặt ứng dụng, thao tác, theo dõi, giám sát vận hành và xử lý những tình huốngbất thường

Cấu hình cơ bản của một hệ thống điều khiển phân tán (DCS) gồm:

- Trạm điều khiển cục bộ (Local Control Station, LCS) còn có thể gọi là khối điềukhiển cục bộ (Local Control Unit) hay trạm quá trình (Process Station)

- Trạm vận hành (Operator Station, OS)

- Trạm kỹ thuật (Engineering Station, ES)

- Hệ thống truyền thông (field bus, system bus)

Trạm điều khiển cục bộ LCS

Trạm điều khiển cục bộ thuộc cấp điều khiển, là thực hiện mọi chức năng điều khiểncho một công đoạn Các trạm điều khiển cục bộ thường được đặt trong phòng điều khiểnhoặc phòng điện ở bên cạnh phòng điều khiển trung tâm hoặc rải rác gần khu vực hiệntrường

Các chức năng do trạm điều khiển cục bộ bao gồm:

 Điều khiển quá trình (process control): Điều khiển các mạch vòng kín Hầuhết các mạch vòng đơn được được điều khiển trên cơ sở luật PID, giảiquyết bài toán điều khiển điều chỉnh, điều khiển tỉ lệ, điều khiển tầng Các

hệ thống hiện đại cho phép điều khiển mờ, điều khiển dựa mô hình, điềukhiển thích nghi

 Điều khiển trình tự ( sequential control, sequence control )

 Điều khiển logic

 Thực hiện các công thức

 Đặt các tín hiệu đầu ra về trạng thái an toàn trong trường hợp có sự cố.

 Lưu trữ tạm thời các tín hiệu quá trình trong trường hợp mất liên lạc vớitrạm vận hành

 Nhận biết các trường hợp vượt ngưỡng giá trị và tạo các thông báo báođộng

Bất kỳ chủng loại thiết bị nào được sử dụng, các yêu cầu quan trọng nhất về mặt kỹthuật cho một trạm điều khiển cục bộ là:

 Tính năng thời thực

 Độ tin cậy và tính sẵn sàng

 Lập trình thuận tiện, cho phép sử dụng và cài đặt các thuật toán cao cấp

 Khả năng điều khiển lai (liên tục, trình tự và logic)

Trạm vận hành OS

Trạm vận hành và trạm kỹ thuật thuộc cấp điều khiển giám sát, các trạm này được đặttại phòng điều khiển trung tâm

Các trạm vận hành có thể hoạt động song song, độc lập với nhau

Để tiện cho việc vận hành hệ thống, người ta thường sắp xếp mỗi trạm vận hànhtương ứng với một phân đoạn hoặc một phân xưởng Tuy nhiên phần mềm chạy trên cáctrạm đều giống nhau nên trong trường hợp cần thiết các trạm có thể thay thế chức năngcủa nhau

Các chức năng tiêu biểu 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

 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

 Hỗ trợ lập báo cáo tự động

Trạm kỹ thuật ES

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

Bus trường

Khi sử dụng cấu trúc vào/ra phân tán, các trạm điều khiển cục bộ sẽ được bổ sung cácmodule giao diện bus để nối với các trạm vào/ ra từ xa (remote I/O station ) và một sốthiết bị trường thông minh

Các yêu cầu chung đặt ra với bus trường là tính năng thời gian thực, mức độ đơn giản

Bus trường và các trạm vào ra từ xa Bus hệ thống

Bus hệ thống có chức năng nối mạng các trạm điều khiển cục bộ với nhau và với cáctrạm vận hành và trạm kỹ thuật Trong đa số các hệ thống ứng dụng, người ta lựa chọncấu hình có dự phòng cho bus hệ thống

Các hệ thống mạng được sử dụng nhiều nhất là: Ethernet, Profibus – FMS vàControlNet

Bus hệ thống

Đặc điểm trao đổi thông tin trong bus hệ thống là lưu lượng thông tin lớn, vì vậy tốc

độ đường truyền phải cao Tính năng thời gian thực cũng là yêu cầu đặt ra nhưng khôngnghiêm ngặt như bus trường

2 Hệ thống điều khiển DCS của dây chuyền sản xuất xi măng VCM

Toàn bộ quá trình sản xuất của nhà máy xi măng VCM được thực hiện tự động hóa ởmức độ cao Phòng điều khiển trung tâm CCR (Central Control Room) kiểm soát toàn bộhoạt động của nhà máy đồng thời cho phép điều chỉnh kịp thời các thông số khi chấtlượng của sản phẩm thay đổi hoặc khi có sự cố bất thường xảy ra

Nhìn từ cấp trường ta thấy, quá trình sản xuất được chia thành 5 công đoạn ứng với 5trạm trường khác nhau, mỗi công đoạn được điều khiểm và giám sát bởi 1 trạm vận hànhđặt tại phòng điều khiển trung tâm (CCR)

Các trạm trường của nhà máy xi măng VCM:

 Limestone crushing & conveying

 Raw material crushing & conveying and Limestone pre-blending & storage

 Raw material grinding/Waste gas treatment

 Clinker Cooling and Conveying Electric Room

 Coal grinding

Các thiết bị trường (thiết bị đo và cơ cấu chấp hành) sử dụng trong dây chuyền sảnxuất được đánh số thứ tự và kết nối với các vào ra thông qua Profibus DP hoặc PA trướckhi đưa tín hiệu vào bộ điều khiển (PLC) Mỗi công đoạn có thể được điều khiển bởi mộthoặc nhiều bộ điều khiển (PLC S7-400).

PLC S7-400 được nối vào các thiết bị vào ra phân tán ET 200M ET 200M với cấuhình gồm modul giao diện IM-153x, các modul tín hiệu SM và modul chức năng FM.Được kết nối mạng Profibus DP

Các thiết bị vào ra phân tán ET200M được đặt tên trên sơ đồ là FCS01, FCS02…đểphân 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 cácnhiệm vụ khác nhau của từng công đoạn trong nhà máy

Ở cấp điều khiển và giám sát của hệ thống có 6 trạm vận hành được nối đến một bộswitch chung Mỗi trạm có chức năng điều khiển, giám sát một công đoạn Các trạm cóthể làm việc song song, độc lập với nhau Trong trường hợp sảy ra sự cố, các trạm có thểlàm nhiệm vụ thay nhay vì phần mềm của các trạm đều như nhau Trạm kỹ thuật với 2server, mục đích của việc sử dụng 2 server là để dự phòng khi có sự cố xảy ra với servercòn lại

III BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC CHÍNH CỦA DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT

Nhà máy xi măng VCM sử dụng bộ điều khiển PLC chính cho dây chuyền sản xuất làPLC S7-400 của hãng Siemens

1 Giới thiệu chung về PLC S7-400

S7-400 là thiết bị điều khiển logic khả trình tiếp sau S7-300 được Siemens phát triển,được dùng trong các ứng dụng và lĩnh vực lớn Hầu hết các nhiệm vụ tự động hóa có thểthực hiện với các thành phần được lựa chọn phù hợp

PLC S7-400 có các ưu điểm vượt trội so với các bộ điều khiên logic khả trình trước

nó vầ cả phần cứng và phần mềm

 CPU được phân loại chuyên biệt và rõ ràng

 Tốc độ xử lý của CPU cao

 Module nhỏ gọn

 Có nhiều loại module phù hợp cho cấu hình trung tâm và cấu hình phân tán

 Các module tín hiệu có thể tháo lắp khi hệ thống đang có điện Thuận tiện khithay thế các module

Thành phần cấu tạo quan trọng của S7-400 gồm:

2.1 Trung tâm xử lý CPU

CPU là khối vi xử lý, là thành phần cơ bản của S7-400, là nơi xử lý mọi thông tin của

hệ thống, nhận thông tin đưa về sử dụng các thuật toán điều khiển để đưa ra tín hiệu phùhợp CPU là modul có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ thời gian, bộ đếm

và các cổng truyền thông Trong số các trị số của bộ đếm được chứa trong bộ nhớ ứngdụng, tùy theo yêu cầu của người sử dụng mà có thể chọn các bộ nhớ sau

 Bộ nhớ ROM là bộ nhớ không thể thay thế được, bộ nhớ này chỉ được nạp vào

1 lần nên nó ít được sử dụng hơn các bộ nhớ khác

 Bộ nhớ RAM là loại bộ nhớ có thể thay đổi được và được dùng để chứachương trình ứng dụng cũng như dữ liệu, dữ liệu này sẽ bị mất khi mất điện.Nhưng có thể khắc phục bằng cách lắp pin dự phòng

 Bộ nhớ EPROM cũng như bộ nhớ ROM, nguồn nuôi cho EPROM không cầnpin, tuy nhiên chỉ có thể xóa nội dung chứa trong EPROM bằng cách chiếu tiacực tím vào 1 ô cửa sổ nhỏ trên EPROM và nạp lại bằng máy chuyên dụng

 Bộ nhớ EEPROM là bộ nhớ thích hợp cho cả hai ưu điểm của ROM vàEPROM, bộ nhớ này có thể nạp xóa bằng tín hiệu điện Tuy nhiên số lần nạpxóa có giới hạn

Cấu trúc cơ bản của CPU bao gồm các thành phần sau:

 Khối LED hiển thị trạng thái và lỗi

 Công tắc chọn chế độ

 Khe cắm thẻ nhớ mở rộng

 Cổng truyền thông

 Khối nguồn và pin dự phòng

CPU của PLC Siemens S7-400 được chia thành nhiều loại, phù hớp với từng ứngdụng rõ ràng Một số loại CPU của PLC S7-400:

Người sử dụng có thể chọn chế độ hoạt động cho PLC bằng cách thay đổi công tắc 3

vị trí trên CPU ứng với 3 chế độ RUN, STOP, MRES

Trên CPU còn có chỗ để người sử dụng cắm thẻ nhớ Có 2 loại thẻ nhớ:

 RAM CARD: Ta có thể mở rộng cho bộ nhớ của CPU bằng RAM CARD,RAM là bộ nhớ ngoài của PLC có thể đọc ghi hỗ trợ cho việc xử lý thông tincủa CPU

 FLASH CARD

Ngoài ra, trên CPU còn có vị trí cho các module giao tiếp

Giao diện MPI/DP: Ta có thể dùng nó để kết nối với các thiết bị khác nhau như:

 Thiết bị chương trình

 Công cụ điều khiển và thiết bị giám sát

 Một số bộ điều khiển S7-400 và S7-300 khác

Cổng truyền thông PROFIBUS DP: Chức năng dùng để kết nối với các thiết bị vào ra

phân tán, thiết bị chương trình và một số các trạm chủ

Giao diện PROFINET: Ta có thể kết nối với PROFINET IO bằng giao diện

PROFINET, cổng PROFINET có thể kết nối với mạng ETHENET công nghiệp

Khối nguồn và pin dự phòng: Trong PLC S7-400 ta có thể cài pin dự phòng, số lượngpin tùy thuộc vào từng loại modul Hiệu quả của việc sử dụng pin dự phòng đem lại:

 Chương trình ứng dụng được lưu lại trong RAM

 Lưu giữ được các giá trị bộ đếm thời gian, bộ đếm counter, dữ liệu hệ thống

 Làm nguồn dự phòng cho đồng hồ bên trong

2.2 Module vào ra I/O

Modul vào ra số:

Các modul số biến đổi các tín hiệu dạng nhị phân CPU nhận các thông tin về hoạtđộng của quá trình thông quá các modul đầu vào số và can thiệp vào quá trình thông qua