Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát nhiệt độ áp suất cho hệ thống lò quay nhà máy xi măng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - PHẠM HOÀI ANH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ - ÁP SUẤT CHO HỆ THỐNG LÒ QUAY NHÀ MÁY XI MĂNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội – Năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - PHẠM HOÀI ANH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ - ÁP SUẤT CHO HỆ THỐNG LÒ QUAY NHÀ MÁY XI MĂNG Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS ĐỖ MẠNH CƯỜNG Hà Nội – Năm 2017 LỜI CAM ĐOAN LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan luận văn tốt nghiệp: “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ - ÁP SUẤT CHO HỆ THỐNG LÒ QUAY NHÀ MÁY XI MĂNG” em tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo TS Đỗ Mạnh Cường Các số liệu kết hoàn toàn với thực tế Để hoàn thành đồ án em tìm hiểu thực tế nhà máy xi măng The vissai Hà Nam tìm hiểu cơng nghệ sản xuất xi măng để lấy số liêu thực tế Những số liệu, tài liệu em sử dụng luận văn số liệu thực tế nhà máy xi măng The vissai Hà Nam tài liệu em sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Hà Nội, ngày 24 tháng năm 2017 Sinh viên thực Phạm Hoài Anh I MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .i DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .v DANH MỤC HÌNH VẼ vi LỜI MỞ ĐẦU viii CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MẰNG THE VISSAI NINH BÌNH .1 1.1 Thông tin chung 1.2 Công nghệ sản xuất xi măng .4 1.2.1 Bản vẽ tổng thể 1.2.2 Giới thiệu cơng đoạn dây chuyền sản xuất xi măng .5 CHƯƠNG II: QUY TRÌNH VẬN HÀNH VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LÒ NUNG CLINKER 11 2.1 Quy trình sấy lớp lót chịu lửa 11 2.1.1 Trước đốt lửa 11 2.1.2 Sấy lò 11 2.1.3 Cấp liệu lò 13 2.1.4 Dừng lò chủ động .15 2.2 Một số yếu tố ảnh hưởng đến trình nung luyện Clinker 16 2.2.1 Ảnh hưởng độ đồng nhất: 16 2.2.2 Ảnh hưởng thành phần hóa học: 16 2.2.3 Ảnh hưởng nhiên liệu: chủ yếu dùng than 18 2.3 Một số cố quan trọng thường gặp cách xử lý 19 2.3.1 Tắc cyclone .19 II MỤC LỤC 2.3.2 Bám dính buồng khói .20 2.3.3 Nóng đỏ vỏ lị 20 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN 22 3.1 Mục tiêu thiết kế điều khiển 22 3.1.1 An toàn .22 3.1.2 Ổn định hệ thống 24 3.1.3 Chất lượng 26 3.1.4 Kinh tế 27 3.2 Phân tích đầu vào, đầu ra, yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống 29 3.2.1 Hệ thống điều khiển áp suất .30 3.2.2 Hệ thống điều khiển nhiệt độ 30 3.3 Xây dựng sơ đồ nguyên lý điều khiển P&ID mạch vòng điều khiển áp suất -nhiệt độ 31 3.3.1 Sơ đồ P&ID 31 3.3.2 Mạch vòng điều khiển áp suất 32 3.3.3 Mạch vòng điều khiển nhiệt độ 32 3.4 Xác định đặc tính cấu chấp hành – đo lường 33 3.4.1 Đặc tính van cân băngđịnh lượng 33 3.4.2 Đặc tính thiết bị đo áp suất nhiệt 37 3.5 Mơ hình hóa q trình 39 3.5.1 Các phương trình phản ứng hóa học .39 3.5.2 Quan hệ nhiệt độ - áp suất 41 3.5.3 Phương trình bảo tồn thành phần 43 3.5.4 Phương trình bảo tồn lượng 43 III MỤC LỤC 3.6 Xây dựng mơ hình điều khiển .45 3.7 Xây dựng điều khiển theo phương pháp IMC 52 3.8 Kết mô 56 CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ THIẾT KẾ GIAO DIỆN VẬN HÀNH GIÁM SÁT 65 4.1 Xây dựng chương trình điều khiển PLC S7 400 .65 4.1.1 Giới thiệu chung PLC S7 400 65 4.1.2 Chương trình điều khiển 68 KẾT LUẬN 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 PHỤ LỤC 81 IV DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT PID: Bộ điều khiển tỉ lệ tích phân vi phân (Proportional Integral Derivative) P&ID: Sơ đồ trình thiết bị (Process and Instrumentation Diagram) IMC: Phương pháp điều khiển mơ hình nội (Internal Model Control) PLC: Bộ điều khiển logic khả trình (Programmable Logic Controller) WCC: Phần mềm WinCC PC: điều khiển áp suất (Pressure Controller) TT: khối đo lường chuyển đổi nhiệt độ (Temperature Transmitter) PT: khối đo lường chuyển đổi áp suất (Pressure Transmitter) LSF: Hệ số bão hịa vơi (Lime Saturation Factor) SR: Tỉ lệ silicat (Silica Ratio) A/F: Tỉ lệ oxit nhôm/sắt (Alumina-Iron Ratio) P: Ký hiệu áp suất (Pa) T: Ký hiệu nhiệt độ (K) V: Ký hiệu thể tích (m3) F: Ký hiệu lưu lượng chất khí (m3/s) W: Ký hiệu lưu lượng chất rắn (kg/s) M: Khối lượng mol phân tử (g/mol) m: Độ mở van (%) g: Khối lượng riêng (kg/m3) VHTT: Vận hành trung tâm V DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC HÌNH VẼ Bảng 1.1 Các tiêu chất lượng clanker xi măng poóclăng thương phẩm quy định tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7024:2002 Hình 1.2 Tổng quan dây chuyền công nghệ xi măng VISSAI Hà Nam Bảng 1.3: Liệu cấp lò tiêu chuẩn .6 Bảng 1.4: Liệu sau nghiền tiêu chuẩn Hình 3.1: Sơ đồ P&ID cho hệ thống Calciner 31 Hình 3.2: Mạch vịng điều khiển áp suất 32 Hình 3.3: Mạch vịng điều khiển nhiệt độ .33 Hình 3.4: Vị trí van điều khiển hệ thống điều khiển q trình 33 Hình 3.5: Mơ hình van điều khiển 35 Hình 3.6: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh lưu lượng chất rắn 37 Hình 3.7 Mơ hình cặp nhiệt điện 38 Hình 3.8 Mơ hình đo lưu lượng .38 Hình 3.9 Sơ đồ khối mơ hình điều khiển 51 Hình 3.10 Sơ đồ khối điều khiển IMC .52 Bảng 3.1: Thông số vận hành ổn định nhà máy 57 Hình 3.10: Sơ đồ mô Matlab Simulink 58 Hình 3.11: Đồ thị thay đổi nhiệt độ Calciner liệu cấp tăng 58 Hình 3.12: Đồ thị thay đổi lượng cấp than liệu cấp tăng 59 Hình 3.13: Đồ thị thay đổi nhiệt độ Calciner áp suất đặt giảm 60 Hình 3.14: Đồ thị áp suất thay đổi áp suất đặt giảm 60 Hình 3.15: Đồ thị than cấp thay đổi áp suất giảm .61 Hình 3.16: Đồ thị độ mở van thay đổi áp suất giảm 61 Hình 3.17: Nhiệt độ thay đổi nhiệt độ đặt thay đổi 62 Hình 3.18: Than cấp thay đổi nhiệt độ đặt thay đổi 62 Hình 3.19: Liệu thay đổi ngẫu nhiên .63 Hình 3.20: Nhiệt độ thay đổi liệu thay đổi ngẫu nhiên .63 VI DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 3.21: Than cấp thay đổi liệu thay đổi ngẫu nhiên 64 Hình 4.1 PLC S7 - 400 68 Hình 4.2 Giao diện mơ PLC SIM 74 Hình 4.3 Giao diện hình vận hành thiết kế phần mềm WCC 75 Hình 4.4 Áp suất đặt mong muốn đầu canciner -1700Pa 75 Hình 4.5 Tự động tăng độ mở van quạt ID 76 Hình 4.6 Tự động giảm độ mở van quạt ID .77 Hình 4.7 Tự động tăng giá trị than cấp cho calciner 77 Hình 4.8 Tự động giảm giá trị than cấp cho calciner .78 VII LỜI MỞ ĐẦU LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay, với định hướng xây dựng đất nước cơng nghiệp hóa, đại hóa Nhiều cơng trình cần sửa chữa, xây Để đáp ứng nhu cầu nhiều nhà máy xi măng đời với cơng xuất từ đến vài triệu năm với công nghệ sản xuất tiên tiến, dây chuyền thiết bị sản xuất đại Việc nghiên cứu công nghệ sản xuất điều khiển vận hành nhà máy nhằm mục đích làm cộng nghệ thiết bị lĩnh vực sản xuất xi măng quan trọng Chính em chọn đề tài “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ - ÁP SUẤT CHO HỆ THỐNG LÒ QUAY NHÀ MÁY XI MĂNG” làm đề tài luận văn tốt nghiệp Nội dung đề tài luận văn “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ - ÁP SUẤT CHO HỆ THỐNG LÒ QUAY NHÀ MÁY XI MĂNG” tập trung nghiên cứu công nghệ sản xuất Clinker đặc biệt cơng đoạn lị nung Clinker công đoạn quan trọng định đến chất lượng xi măng Trong đề tài em nghiên cứu xây dựng mơ hình điều khiển, giám sát tự động nhiệt độ, áp xuất cho buồng đốt Calciner, vị trí trung tâm hệ thống cơng đoạn lò nung clinker Trong đề tài em xây dựng mơ hình điều khiển kiểm chứng thông số xây dựng phần mềm matlab, xây dựng chương trình điều khiển giám sát vận hành thực tế tự động thay đổi thông số điều khiển (là độ mở van điều khiển áp xuất, lượng nhiên liệu cung cấp điều khiển nhiệt độ) cách tự động nhằm làm tăng độ ổn định hệ thống lò nung, tăng chất lượng Clinker Để hồn thành đồ án này, em nhân hướng dẫn, bảo tận tình thầy TS Đỗ Mạnh Cường với giúp đỡ thầy giáo mơn tự động hóa, khoa điện đại học Bách Khoa Hà Nội suốt thời gian học tập thực đồ án VIII CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ THIẾT KẾ GIAO DIỆN VẬN HÀNH GIÁM SÁT 70 CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ THIẾT KẾ GIAO DIỆN VẬN HÀNH GIÁM SÁT 71 CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ THIẾT KẾ GIAO DIỆN VẬN HÀNH GIÁM SÁT 72 CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ THIẾT KẾ GIAO DIỆN VẬN HÀNH GIÁM SÁT 73 CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ THIẾT KẾ GIAO DIỆN VẬN HÀNH GIÁM SÁT Giao diện điều khiển, vận hành, giám sát 29 Hình 4.2 Giao diện mô PLC SIM 74 CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ THIẾT KẾ GIAO DIỆN VẬN HÀNH GIÁM SÁT 30Hình 4.3 Giao diện hình vận hành thiết kế phần mềm WCC Sử dụng thuật toán PID điều khiển ổn định áp xuất đầu canciner 31Hình 4.4 Áp suất đặt mong muốn đầu calciner -1700Pa 75 CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ THIẾT KẾ GIAO DIỆN VẬN HÀNH GIÁM SÁT Chương trình điều khiển dựa thuật tốn PID tơi xây dựng tự động điều chỉnh độ mở van trước quạt ID để áp suất đầu calciner -1700Pa áp suất điểm lớn giá trị -1700Pa van trước quạt ID tự động mở làm tăng sức hút hệ thống tốc độ mở van phụ thuộc vào hệ số KP Hệ số nhỏ thời gian đáp ứng chậm 32Hình 4.5 Tự động tăng độ mở van quạt ID Nếu áp suất đầu calciner nhỏ giá trị đặt mong muốn thuật tốn điều khiển tác động đóng van trước quạt ID lại: 76 CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ THIẾT KẾ GIAO DIỆN VẬN HÀNH GIÁM SÁT 33Hình 4.6 Tự động giảm độ mở van quạt ID Điều khiển nhiệt độ đầu Calciner chủ yếu dựa vào lượng than cấp cho Calciner, thuật toán xây dựng tăng giảm lượng than cấp cho calciner theo nhiệt độ đặt đầu Calciner nhiệt độ thông thường đặt dựa chất lượng bột liệu cấp cho lò dao động khoảng 850-880 độ C phần mô đặt 870 độ C: 34Hình 4.7 Tự động tăng giá trị than cấp cho calciner 77 CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ THIẾT KẾ GIAO DIỆN VẬN HÀNH GIÁM SÁT 35Hình 4.8 Tự động giảm giá trị than cấp cho calciner 78 KẾT LUẬN KẾT LUẬN Luận văn đưa sơ đồ mô trình điều khiển nhiệt độ áp suất buồng đốt Calciner hệ thống lò quay sản xuất xi măng “hình 3.10: Sơ đồ mơ Matlab Simulink” kịch mô đưa trường hợp thông số vận hành bị thay đổi phù hợp với trường hợp xảy vận hành hệ thống lò nung trình ổn định nhiệt độ áp suất Tác giả tiếp tục nghiên cứu để đưa thêm nhiều tín hiệu nhiễu vào thuật tốn mà tác giả xây dựng để việc mô sát với thực tế Trong chương IV tác giá xây dựng chương trình điều khiển giám sát thực tế để điều chỉnh ổn định nhiệt độ, áp suất Calciner Tác giả sử thiết bị đo nhiệt độ, áp suất vị trí đầu Calciner để lấy giá trị để điều khiển độ mở van quạt hút trung tâm (quạt ID) điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp cho Calciner thông qua cân cấp liệu nhằm mục đích giữ ổn định nhiệt độ, áp suất buồng đốt Calciner đồng thời giữ ổn định nhiệt độ, áp suất tồn hệ thống lị nung Trong điều kiện vận hành nhà máy thực tế hai thơng số nhiệt độ áp suất đầu Calciner ý điều chỉnh nhiều cần chương trình điều khiển tự động hai thơng số chương trình mà tác giả xây dựng tác giả mong muốn chương trình xây dựng áp dụng vào thực tế thời gian tới tác giả tiếp tục nghiên cứu xây dựng chương trình tốt đồng thời xin ý khiến ban lãnh đạo nhà máy xi măng The vissai để chương trình áp dụng sản xuất nhằm giảm thao tác người vận hành nhà máy, giữ ổn định thông số vận hành điều khiển hệ thống, nâng cao chất lượng Clinker sản xuất 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Quốc Khánh, “Điều khiển trình”, Nhà xuất khoa học kĩ thuật, 2014 [2] Hoàng Minh Sơn, “Cơ sở hệ thống điều khiển trình”, Nhà xuất Bách khoa Hà Nội, Hà Nội, 2006 [3] Nguyễn Doãn Phước, “Lý thuyết điều khiển tuyến tính”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2009 [4] Nguyễn Phùng Quang, “Matlab & Simulink cho kỹ sư điều khiển tự động”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2004 [5] William L Luyben, “Process Modelling, simulation and control for chemical engineers”, International Edition 1996 [6] Brian Roffel, Ben Betlem, “Process Dynamics and Control”, 2006 [7] I Halikia, L Zoumpoulakis, E Christodoulou, D Prattis, “Kinetic study of the thermal decomposition of calcium carbonate by isothermal methods of analysis”, The European Journal of Mineral Processing and Environmental Protection Vol.1, No 2, 1303-0868, 2001, pp 89-102 [8] T Rajeswara Rao, “Kinetic Parameters for Decomposition of Calcium Carbonate”, the Canadian Journal of Chemical Engineering, Volume 71, June, 1993 80 PHỤ LỤC PHỤ LỤC Bản vẽ sơ đồ silo đồng bột liệu (Tài liệu nhà máy xi măng The Vissai) Bản vẽ tháp trao đổi nhiệt (Tài liệu nhà máy xi măng The Vissai) 81 PHỤ LỤC Bản vẽ lò nung clinker (Tài liệu nhà máy xi măng The Vissai) 82 PHỤ LỤC Bản vẽ ghi làm lạnh vận chuyển Clinker (Tài liệu nhà máy xi măng The Vissai) 83 PHỤ LỤC Bản vẽ silo Clinker xuất Clinker khỏi silo (Tài liệu nhà máy xi măng The Vissai) 84 ... NHÀ MÁY XI MĂNG” làm đề tài luận văn tốt nghiệp Nội dung đề tài luận văn “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ - ÁP SUẤT CHO HỆ THỐNG LÒ QUAY NHÀ MÁY XI MĂNG” tập trung nghiên. .. ANH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ - ÁP SUẤT CHO HỆ THỐNG LÒ QUAY NHÀ MÁY XI MĂNG Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỀU... hành nhà máy nhằm mục đích làm cộng nghệ thiết bị lĩnh vực sản xuất xi măng quan trọng Chính em chọn đề tài “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ - ÁP SUẤT CHO HỆ THỐNG LÒ QUAY