Nghiên cứu hệ thống điều khiển DCS nhà máy xi măng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN THỊ KIM BÍCH TRẦN THỊ KIM BÍCH - ` ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIÊU KHIỂN DCS NHÀ MÁY XI MĂNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA KHÓA 2009 - 2010 Hà Nội - 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - TRẦN THỊ KIM BÍCH NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DCS NHÀ MÁY XI MĂNG Chuyên ngành : Điều khiển Tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Nguyễn Mạnh Tiến Hà Nội –2011 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn tốt nghiệp “ Nghiên cứu hệ thống điều khiển DCS nhà máy xi măng” tự thiết kế hướng dẫn Thầy giáo TS Nguyễn Mạnh Tiến Bộ mơn Tự động hóa XNCN – Đại học Bách Khoa Hà Nội Các số liệu kết luận văn hoàn toàn trung thực Học viên Trần Thị Kim Bích Lời nói đầu Ngày nay, nhà máy xi măng ngày có quy mô lớn, yêu cầu điều khiển tự động cao, tin cậy khả xử lý phân tán, điều khiển cấp cao tối ưu Do hệ điều khiển vào tập trung cũ không đáp ứng yêu cầu điều khiển Cùng với phát triển ngành khoa học khác công nghệ thông tin, điện tử thúc đẩy hệ thống điều khiển phân tán đời Đó hệ thống điều khiển tích hợp chọn vẹn phần cứng phần mềm để xây dựng hệ điều khiển tự động Hiện giới có hệ điều khiển phân tán tiếng hãng như: CENTUM Yokogawa, Plantscape Honeywell, IIT ABB, DeltaV Emerson, PCS Siemens Những hệ điều khiển có đặc trưng riêng Tuy nhiên hệ điều khiển PCS7 (Process Control Systems) cung cấp hãng Siemens hệ điều khiển trọn gói giúp ta thiết kế hệ thống điều khiển tự động với quy mô lớn Là hệ điều khiển đại Siemens giới Chiếm thị phần lớn điều khiển tự động Việt Nam Luận văn “Nghiên cứu hệ thống điều khiển DCS nhà máy xi măng” bao gồm chương sau: Chương : Công nghệ sản xuất xi măng Chương : Hệ thống điều khiển phân tán DCS Chương : Hệ thống điều khiển PCS7 SIEMENS Chương : Xây dựng hệ thống điều khiển – giám sát cho công đoạn nghiền liệu nhà máy xi măng Thái Nguyên Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy giáo T.s Nguyễn Mạnh Tiến toàn thể thầy giáo mơn Tự Động Hóa hướng dẫn giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn Sau thời gian nghiên cứu tìm hiểu tác giả hoàn thành việc thiết kế hệ điều khiển PCS7 công đoạn vận chuyển nghiền liệu Kết hệ thống điều khiển phù hợp với u cầu tốn cơng nghệ đặt ra.Tuy nhiên hạn chế mặt kiến thức thời gian cố gắng khơng tránh khỏi thiếu xót Tác giả xin trân trọng cảm ơn ý kiến đóng góp Thầy Cô bạn bè đồng nghiệp để đề tài nghiên cứu hoàn thiện Hà nội, ngày 26 tháng năm 2011 Học viên Trần Thị Kim Bích   MỤC LỤC CHƯƠNG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG 1.1 Đặc điểm thiết bị công nghệ 1.1.1 Phân loại công nghệ sản xuất xi măng 1.1.2 Mô tả sơ lược dây chuyền công nghệ 10 1.1.3 Các đặc điểm dây chuyền công nghệ sản xuất .11 1.2 Thiết bị truyền động điều khiển chấp hành 13 1.3 Thiết bị đo lường bảo vệ 13 1.3.1 Đo lường đại lượng không điện 13 1.3.2 Đo lường tham số điện 17 1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng xi măng 17 1.5 Các giải pháp kỹ thuật ổn định chất lượng sản phẩm 21 1.5.1 Giải pháp thiết bị công nghệ 22 1.5.2 Giải pháp điều khiển tự động .22 CHƯƠNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN DCS .24 2.1 Mơ hình phân cấp hệ thống 24 2.2 Mạng truyền thông công nghiệp 26 2.2.1 Cấu trúc mạng 26 2.2.2 Các chuẩn giao tiếp công nghiệp 31 2.2.3 Các loại mạng Bus truyền thông thông dụng 32 2.2.4 Các hệ thống điều khiển công nghiệp 34 2.3 Hệ thống điều khiển phân tán DCS 38 2.3.1 Phân loại hệ thống điều khiển phân tán DCS 38 2.3.2 Mơ hình hệ thống điều khiển phân tán .39 1    CHƯƠNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PCS7 CỦA SIEMENS .47 3.1 Tổng quan kiến trúc hệ thống 47 3.2 Các thành phần hệ PCS7 48 3.2.1 Trạm kỹ thuật (ES) .48 3.2.2 Trạm vận hành (OS) 50 3.2.3 Truyền thông phần tử hệ thống 51 3.2.4 Dự phòng hệ thống .52 3.2.5 Bộ điều khiển khả trình PLC 54 3.2.6 Vào phân tán thiết bị trường .54 3.2.7 Các modul chức 55 3.2.8 Dữ liệu PCS7 57 3.2.9 Xử lý tin PCS7 .59 3.2.10 Giao tiếp với hệ thống khác .60 CHƯƠNG XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN – GIÁM SÁT CHO CÔNG ĐOẠN NGHIỀN LIỆU NHÀ MÁY XI MĂNG THÁI NGUYÊN BẰNG PCS7 62 4.1 Mô tả chung công đoạn nghiền liệu đầu vào 62 4.2 Công đoạn nghiền liệu nhà máy xi măng Thái Nguyên 63 4.3 Bảng kê phân công đầu vào 68 4.3.1 Khởi động/dừng nhóm 311-S01 68 4.3.2 Cấp đá vôi, khoáng quặng sắt tới két chứa (311.S03) 69 4.3.3 Vận chuyển liệu sau nghiền tới Silo chứa (312.S04) 71 4.3.4 Hệ thống lọc bụi tĩnh điện hồi liệu (312.S05) .72 4.3.5 Hệ thống dẫn khí (312.S06) .72 4.3.6 Cấp dầu cho hộp số 73 2    4.3.7 Cụm máy nghiền đứng .73 4.4 Lưu đồ điều khiển công đoạn 74 4.4.1 Lưu đồ điều khiển công đoạn cấp liệu két chứa đá sét (311-S01) .74 4.4.2 Lưu đồ điều khiển nhóm cấp liệu cho két chứa quặng sắt, đá vôi Quartzite .75 4.4.3 Lưu đồ điều khiển công đoạn vận chuyển liệu sau nghiền tới silo chứa (312.S04) 77 4.4.4 Lưu đồ điều khiển hệ thống thu hồi bụi qua lọc bụi tĩnh điện (312 S05) .77 4.4.5 Lưu đồ điều khiển hệ thống dẫn khí sấy liệu (312-S06) 78 4.4.6 Lưu đồ điều khiển công đoạn cấp dầu cho hộp số động nghiền (312.S07) 81 4.4.7 Lưu đồ điều khiển nhóm động máy nghiền 81 4.5 Xây dựng hệ điều khiển – giám sát PCS7 83 4.5.1 Cấu hình trạm vận hành 83 4.5.2 Bộ điều khiển trung tâm S7-400 83 4.5.3 Các thiết bị vào 84 4.6 Lập trình cho PLC tiến hành mơ 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO 93 PHỤ LỤC 95  3    DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU Hình 1.1: Quy trình sản xuất xi măng theo cơng nghệ khơ Hình 1.2 Quy trình sản xuất xi măng theo cơng nghệ bán khơ Hình 1.3 Quy trình sản xuất xi măng theo cơng nghệ ướt Hình 1.4 Quy trình sản xuất xi măng theo cơng nghệ khơ điển hình 11 Bảng 1.1 Một số loại cảm biến thường dung công nghiệp xi măng .16 Hình 1.5 Quan hệ hàm lượng vơi tự clinker với nhiệt độ vùng nung 20 Hình 2.1: Mơ hình phân cấp chức hệ thống điều khiển giám sát 24 Hình 2.2: Cấu trúc hình 28 Hình 2.3: Cấu trúc BUS 29 Hình 2.4: Cấu trúc mạch vòng 30 Hình 2.5: Cấu trúc hình 31 Hình 2.6: Cấu trúc điều khiển tập trung với vào tập trung 35 Hình 2.7: Cấu trúc điều khiển tập trung với vào phân tán 36 Hình 2.8: Cấu trúc điều khiển phân tán với vào tập trung 37 Hình 2.9: Cấu trúc điều khiển phân tán với vào phân tán 38 Hình 2.10: Cấu hình hệ điều khiển phân tán 40 Hình3.1: Sơ đồ tổng quan kiến trúc hệ thống PCS7 47 Hình 3.2: Các công cụ kỹ thuật hệ PCS7 49 Hình 3.3: Bus hệ thống PCS kết nối ES, OS PLC 52 Hình 3.4:Cấu hình dự phịng PLC .53 4    Hình 3.5: Dự phịng với mạng cáp quang 53 Bảng 3.1 Các loại liệu PCS7 sử dụng 58 Hình 3.6: Giao tiếp WinCC với Hệ Tự Động Hoá 61 Hình 4.1 Sơ đồ cơng nghệ cơng đoạn nghiền liệu theo chu trình khép kín 63 Hình 4.2 Cơng đoạn vận chuyển liệu tới két chứa cân băng định lượng .64 Hình 4.3 Các điểm đo mạch vòng điều khiển hệ thống cân băng phối liệu .65 Hình 4.4 Cơng đoạn nghiền liệu 66 Hình 4.5 Các điểm đo mạch vịng điều khiển công đoạn nghiền 67 Bảng 4.1 Các thiết bị điện nhóm 311-S01 68 Bảng 4.2 Tín hiệu số 311-S01 .69 Bảng 4.3 Tín hiệu Analog 311-S01 69 Bảng 4.4 Liên động .69 Bảng 4.5 Danh sách thiết bị nhóm 311-S03 69 Bảng 4.6 Tín hiệu đo Analog 70 Bảng 4.7 Tín hiệu Digital 70 Bảng 4.8 Liên động .71 Bảng 4.9 Danh sách thiết bị nhóm 312-S04 71 Bàng 4.10 Danh sách thiết bị nhóm 312.S05 72 Bảng 4.11 Danh sách thiết bị nhóm 312-S06 72 Bảng 4.12 Danh sách thiết bị 73 Bảng 4.13 Danh sách thiết bị 73 Hình 4.6 Lưu đồ điều khiển cơng đoạn 311-S01 75 Hình 4.7 Lưu đồ điều khiển cơng đoạn 311-S03 77 Hình 4.8 Lưu đồ điều khiển công đoạn 312-S04 77 5    4.4.6 Lưu đồ điều khiển công đoạn cấp dầu cho hộp số động nghiền (312.S07) Hình 4.12 Trình tự khởi động/dừng cơng đoạn 312-S07 4.4.7 Lưu đồ điều khiển nhóm động máy nghiền Vật liệu từ băng tải 311-BC2.M01 qua van hai hướng 311-MW2.S01 tới cửa nạp liệu máy nghiền Hệ thống lọc bụi 312-BF1.C01 có nhiệm vụ thu hồi bụi 81    trình vận chuyển liệu băng tải 311-BC2.M01 Trong trình nghiền liệu, hạt liệu mịn hút lên qua máy phân ly chuyển tới Cyclone lắng Phần liệu thô xả qua cửa xả tới băng tải xích 312-CV2.M01 băng tải gầu 312-BE1.M01 312-BE1.M02 đổ trở lại băng tải 312-BC2.M01 để nghiền lại Trình tự khởi động/dừng nhóm thiết bị mơ tả hình (4.13) Hình 4.13 Trình tự khởi động/dừng công đoạn 312.S08 82    4.5 Xây dựng hệ điều khiển – giám sát PCS7 4.5.1 Cấu hình trạm vận hành Thơng thường trạm kỹ thuật đồng thời trạm vận hành Trạm vận hành có sử dụng giao diện người máy HMI để tiện cho trình vận hành Để chạy thực tế PLC HMI truyền thơng qua mạng Ethernet ta sử dụng card IE General Do chương trình mơ sử dụng PLC Sim nên cần CP5611 để truyền thơng máy tính PLC sim qua đường MPI Hình 4.14 Cấu hình trạm vận hành 4.5.2 Bộ điều khiển trung tâm S7-400 Với số lượng vào lớn địi hỏi cấu hình nhớ chương trình nhớ điều khiển cho điều khiển trung tâm lớn Do ta chọn điều khiển trung tâm CPU 416-2DP có cấu hình phù hợp Một điều khiển trung tâm S7-416 có chứa phần tử sau: - Modul CPU S7-416 - Tích hợp giao diện DP module DP - pin lưu giữ số liệu - Modul nguồn chuẩn: PS 405 10A cho nguồn DC 24V - Bộ nhớ làm việc: 0.8 MB Code 0.8 MB liệu - Tốc độ xử ly 0.08ms 1000 lệnh 83    - 16 KB DI/O, 64 đầu nối, 2*DP/MPI - Module truyền thông CP433-1 kết nối điều khiển trung tâm với hệ thống (đường truyền Ethernet) - Các đầu vào/ra số sử dụng cho mục đích thao tác trạm Hình 4.15 Cấu hình CPU 416-2DP 4.5.3 Các thiết bị vào Do thực tế thiết bị hệ thống nghiền liệu lắp đặt phân tán diện tích rộng theo nhóm cơng nghệ nên giải pháp thường dùng vào phân tán Các thiết bị vào phân tán thông thường sử dụng hệ thống PCS7 ET-200M Thiết bị vào phân tán ET-200M có chứa thành phần sau: - Standard rail : đường nối tín hiệu board mạch - Một modul IM 153 84    - Một board mạch dùng cho việc thêm xoá modul, bao gồm đường nối modul - Có tối đa modul - Một nguồn cấp ET-200M thiết bị vào kiểu module, kết nối tới CPU trung tâm qua mạng PROFIBUS-DP, coi trạm đường bus Do hệ thống nghiền liệu nhà máy xi măng Thái Nguyên có tổng số 57 đầu vào logic, 96 đầu logic 105 điểm đo Analog, mạch vòng PID nên module ET-200M cần có số lượng đầu vào/ra tương ứng Việc cấu hình chi tiếp cho hệ thống thực qua công cụ HW-Config Hình 4.16 Cấu hình module ET-200M cho cơng đoạn cân băng định lượng 85    Hình 4.17 Cấu hình ET-200M cho cơng đoạn nghiền liệu Như phần cứng sử dụng hệ thống điều khiển bao gồm: Bảng 4.18 Bảng thiết bị phần cứng sử dụng hệ thống Trạm điều khiển trung tâm – PLC – S7-400 Module CPU CPU-416-2 MPI – Interface On board DP – Interface On board CP – Industrial Ethernet CP 443-1 Trạm vận hành – SIMATIC PC Station CP – MPI CP-5611 CP - Industrial Ethernet IE General WinCC Application Hệ thống Bus Bus hệ thống Industrial Ethernet + MPI 86    Bus trường Các vào phân tán Profibus-DP ET 200M Hình 4.18 Cấu hình mạng truyền thơng hệ thống nghiền liệu công cụ NetPro 4.6 Xây dựng giao diện giám sát WINCC WinCC (Windows Control Center) cơng cụ phần mềm PCS7, có chức tạo giao diện người/máy (HMI-Human Machine Interface) kết nối với q trình tự động hóa qua đường truyền thông, phục vụ cho điều khiển giám sát q trình cơng nghệ Phần mềm khơng cho phép giao tiếp với PLC Siemens mà hãng khác Mitshubisi, Allen Bradley … thông qua truyền thông kiểu OPC-Server Mối liên hệ liệu WinCC với PLC thực thông qua Tag q trình, cịn gọi Process Tag hay External Tag Mỗi Tag q trình có kiểu liệu địa cụ thể PLC tương ứng Các Tag nội – Internal Tag lưu giữ máy tính, có vai trị biến trung gian, tính tốn sửa đổi WinCC Tất tag lưu trữ quản lý theo nhóm cơng cụ tag Managerment Sử dụng tag đối tượng người lập trình mơ q trình cơng nghệ diễn giao diện vận hành giám sát 87    tồn q trình cơng nghệ trạng thái thiết bị q trình cơng nghệ Để xây dựng giao diện đồ họa, WinCC có cơng cụ Graphic Designer với thư viện hình ảnh q trình phong phú Ngồi ra, WinCC cịn hỗ trợ công cụ sử dụng cho việc lưu trữ liệu (Tag Logging), đưa thông báo lỗi, cảnh báo (Alarm Logging) … Hình 4.19 Cửa sổ giao diện Graphic Designer WinCC 88    Hình 4.20 Cấu trúc quản lý Tag WinCC Căn vào sơ đồ công nghệ, tác giả tiến hành xây dựng giao diện giám sát công đoạn cân băng định lượng (Hình 4.13) cơng đoạn nghiền (Hình 4.14) Mỗi thiết bị điện giao diện có trạng thái hiển thị, tham số theo dõi gắn với địa PLC Việc giao tiếp WinCC PLC thực qua OPC Server Siemens – S7 Protocol Suite 89    Hình 4.21 Giao diện điều khiển – giám sát hệ thống cân băng phối liệu 90    Hình 4.22 Giao diện điều khiển – giám sát công đoạn nghiền liệu 91    4.5 Lập trình cho PLC tiến hành mô Phần mềm PCS7 hỗ trợ nhiều hình thức lập trình cho PLC Ngồi ngơn ngữ truyền thống STL, LAD, SBD, cịn có ngơn ngữ cấp cao SFC, CFC Trong luận văn này, tác giả lựa chọn ngơn ngữ lập trình truyền thống PLC LAD Do tính logic phức tạp cơng đoạn nghiền, tác giả lập trình mơ quy trình khởi động, dừng nhóm cơng nghệ Kết mơ cơng cụ S7-PLCSIM WinCC Chương trình cụ thể đưa phần phụ lục Hình 4.23 Giao diện lập trình LAD mơ dùng S7-PLCSIM 92    KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu, luận văn giải vấn đề sau: - Tìm hiểu cơng nghệ sản xuất xi măng - Tìm hiểu hệ thống điều khiển phân tán ( DCS ) - Tìm hiểu khai thác ứng dụng phần mềm PCS7 - Ứng dụng PCS7 vào công đoạn nghiền liệu đầu vào Trong thời gian tới, tác giả luận văn tiếp tục hồn thiện phần mềm để mơ tồn cơng đoạn nhà máy xi măng nhờ sử dụng phần mềm PCS7 Siemens 93    TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Hoàng Minh Sơn, Mạng truyền thông công nghiệp, NXB khoa học kĩ thuật 2004 Phan Xuân Minh - Nguyễn Dỗn Phước,Tự động hố với SIMATIC S7 300 ,NXB khoa học kĩ thuật 2004 Tài liệu kỹ thuật nhà máy xi măng Thái nguyên Tiếng Anh Siemens PCS7 v6.1 software PCS Document – Siemens AG 2005 Siemens NET software SIMATIC NET 2005 – Siemens AG 2005 www.Siemens.com SIMENS Catalog 2001 – Siemens AG 2001 94    PHỤ LỤC 95  ... trúc điều khiển phân tán với vào phân tán 2.3 Hệ thống điều khiển phân tán DCS 2.3.1 Phân loại hệ thống điều khiển phân tán DCS • Các hệ DCS truyền thống Các hệ DCS truyền thống thường sử dụng điều. .. xuất xi măng Chương : Hệ thống điều khiển phân tán DCS Chương : Hệ thống điều khiển PCS7 SIEMENS Chương : Xây dựng hệ thống điều khiển – giám sát cho công đoạn nghiền liệu nhà máy xi măng Thái... 2.2.4 Các hệ thống điều khiển công nghiệp 34 2.3 Hệ thống điều khiển phân tán DCS 38 2.3.1 Phân loại hệ thống điều khiển phân tán DCS 38 2.3.2 Mơ hình hệ thống điều khiển phân