Nghiên cứu ứng dụng PCS7 vào hệ thống điều khiển trong nhà máy xi măng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ****************** LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: TỰ ĐỘNG HỐ XÍ NGHIỆP CƠNG NGHIỆP NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PCS7 VÀO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRONG NHÀ MÁY XI MĂNG LÊ TIẾN SỸ Hà Nội - 2008 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ****************** LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: TỰ ĐỘNG HỐ XÍ NGHIỆP CƠNG NGHIỆP NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PCS7 VÀO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRONG NHÀ MÁY XI MĂNG NGƯỜI THỰC HIỆN: LÊ TIẾN SỸ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN MẠNH TIẾN Hà Nội - 2008 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn tốt nghiệp “ Nghiên cứu ứng dụng PCS7 vào hệ thống điều khiển nhà máy xi măng ” tự thiết kế hướng dẫn Thầy giáo TS Nguyễn Mạnh Tiến Bộ môn Tự động hóa XNCN – Đại học Bách Khoa Hà Nội Các số liệu kết luận văn hoàn toàn trung thực Học viên Lê Tiến Sỹ 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 1.1.3 Các đặc điểm dây chuyền công nghệ sản xuất 13 1.2 Thiết bị truyền động điều khiển chấp hành 14 1.3 Thiết bị đo lường bảo vệ: 15 1.3.1 Đo lường đại lượng không điện 15 1.3.2 Đo lường tham số điện 18 1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng xi măng 18 1.5 Các giải pháp kỹ thuật ổn định chất lượng sản phẩm: 23 1.5.1 Giải pháp thiết bị công nghệ 23 1.5.2 Giải pháp điều khiển tự động: 24 Chương TÌM HIỂU CHUNG VỀ HỆ THỐNG DCS 25 2.1 Mơ hình phân cấp hệ thống 25 2.2 Các vấn đề kỹ thuật truyền thông công nghiệp 29 2.2.1 Cấu trúc mạng 29 2.2.2 Các chuẩn giao tiếp công nghiệp 33 2.2.3 Các loại mạng Bus truyền thông thông dụng 34 2.2.3 Các hệ thống điều khiển công nghiệp 37 2.3 Hệ thống điều khiển phân tán DCS 41 2.3.1 Phân loại hệ thống điều khiển phân tán DCS 41 2.3.2 Mơ hình hệ thống điều khiển phân tán 42 2.3.3 Các vấn đề kĩ thuật hệ thống điều khiển phân tán 48 Chương TÌM HIỂU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PCS7 CỦA SIEMENS 52 3.1 Tổng quan kiến trúc hệ thống 52 3.2 Các thành phần hệ PCS7 53 3.2.1 Trạm kỹ thuật (ES) 53 3.2.2 Trạm vận hành (OS) 55 3.2.3 Truyền thông phần tử hệ thống 56 3.2.4 Dự phòng hệ thống 57 3.2.5 PLC (Programmable Logic Controller) 59 3.2.6 Vào phân tán thiết bị trường 60 3.2.7 Các modul chức năng: 61 3.2.8 Dữ liệu PCS7 63 3.2.9 Xử lý tin PCS 66 3.2.10 Giao tiếp với hệ thống khác 66 3.3 Thư viện Cemat V6.0 68 3.3.1 Unidirection drive (Module điều khiển động không đảo chiều) 69 3.3.2 Module damper 70 3.3.3.Module Valve driver 72 3.3.4 Annuciation Module- Module cảnh báo 74 3.3.5 Measure Module-Khối đo 75 3.3.6 Group Module 77 3.3.7 Route Module 79 3.3.8 Module Controller 81 Chương ỨNG DỤNG PCS7 VÀO CÔNG ĐOẠN VẬN CHUYỂN VÀ NGHIỀN XI MĂNG 85 4.1 Khái quát công đoạn vận chuyển nghiền xi măng 85 4.2 Các mạch vòng điều chỉnh cấp liệu máy nghiền 86 4.3 Liên động hoạt động công đoạn vận chuyển nghiền xi măng 87 4.4 Cấu hình hệ thống 95 4.4.1 Cấu hình trạm vận hành 96 4.4.2 Bộ điều khiển trung tâm S7-400 96 4.4.3 Mạng truyền thông 97 4.4.4 Các thiết bị vào 98 Chương LẬP TRÌNH VÀ THIẾT KẾ GIAO DIỆN VẬN HÀNH 102 5.1 Lập trình CFC 102 5.1.1 Khởi động hoạt động động từ Group 102 5.1.2 Lựa chọn lọc bụi 103 5.1.3 Lựa chọn hướng vận chuyển liệu 104 5.1.4 Định lượng nghiền xi măng 105 5.2 Thiết kế giao diện vận hành : 116 KẾT LUẬN 119 TÀI LIỆU THAM KHẢO 120 PHỤ LỤC 121 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BIỂU ĐỒ Hình 1.1: Sơ đồ ngun lý dây chuyền sản xuất xi măng 11 Bảng 1.1: Các công đoạn sản xuất dây chuyền xi măng lò quay 12 Bảng 1.2: Các loại truyền động điện thiết bị điều khiển chấp hành 15 Bảng 1.3: Các thiết bị đo lường công nghiệp 18 Hình 1.2: Quan hệ hàm lượng vơi tự clinker với nhiệt độ zôn nung 22 Hình 2.1: Mơ hình phân cấp chức hệ thống điều khiển giám sát 26 Hình 2.3: Cấu trúc BUS 30 Hình 2.4: Cấu trúc mạch vịng 32 Hình 2.5: Cấu trúc hình 33 Hình 2.6: Cấu trúc điều khiển tập trung với vào tập trung 37 Hình 2.7: Cấu trúc điều khiển tập trung với vào phân tán 39 Hình 2.8: Cấu trúc điều khiển phân tán với vào tập trung 40 Hình 2.9: Cấu trúc điều khiển phân tán với vào phân tán 41 Hình 2.10: Cấu hình hệ điều khiển phân tán 43 Hình 2.11:Các phương pháp bố trí trạm vận hành 46 Hình3.1: Sơ đồ tổng quan kiến trúc hệ thống PCS7 52 Hình 3.2: Các cơng cụ kỹ thuật hệ PCS7 54 Hình 3.3: Bus hệ thống PCS kết nối ES, OS PLC 57 Hình 3.4:Cấu hình dự phòng PLC 58 Hình 3.5: Dự phịng với mạng cáp quang 59 Bảng 3.1: Các loại liệu PCS7 66 Hình 3.6: Giao tiếp WinCC với Hệ Tự Động Hoá 67 Hình 3.7: Module Unidirection Driver 69 Bảng 3.2: Bảng Function C_DRV_1D 70 Hình 3.8: Module Damper 71 Bảng 3.3: Bảng Function C_DAMPER 72 Hình 3.9: Module Valve driver 73 Bảng 3.4:Bảng Function C_VALVE 74 Hình 3.10 Annuciation Module 74 Bảng 3.5: Bảng Function C_ANNUNC 75 Hình 3.11: Measure Module 76 Bảng 3.6: Bảng Function C_MEASUR 77 Hình 3.12: Group Module 77 Bảng 3.8 Bảng Function C_GROUP 79 Hình 3.13: Route Module 80 Bảng 3.8: Bảng Function C_ROUTE 81 Hình 3.14:Module Controller 82 Bảng 3.9:Bảng Function TE_CTRL 83 Bảng 3.10: Bảng đầu TE_CTRL 84 Hình 4.1 : Mạch vịng điều chỉnh cấp liệu cho máy nghiền 87 Hình 4.2 : Liên động Group_01 88 Hình 4.3 : Liên động Group_02 89 Hình 4.4 : Liên động Group_03 90 Hình 4.5 : Liên động Group_04 91 Hình 4.5 : Liên động Group_05 92 Hình 4.7 : Liên động Group_06 93 Hình 4.8 : Liên động Group_07 93 Hình 4.8 : Liên động Group_08 94 Hình 4.10: Liên động Group_09 95 Hình 4.11: Liên động Group_10 95 Hình 4.12: Cấu hình trạm vận hành 96 Hình 4.13: Cấu hình CPU 416-2DP 97 Hình 4.14: Cấu hình mạng 98 Hình 4.15: Kết nối ET200M S7-400 99 Bảng 4.1: Bảng thiết bị phần cứng sử dụng hệ thống 99 Hình 4.16: Cấu hình phần cứng trạm nghiền xi măng 100 Bảng 4.2: Thiết bị phần cứng trạm nghiền 101 Hình 5.1 : Tín hiệu điều khiển Group_05 103 Hình 5.2 : Băng tải 171BC230 171BC210 103 Hình 5.3 : Lựa chọn lọc bụi 171.BF220 104 Hình 5.4 : Lựa chọn van hai ngả 331DG195 105 Hình 5.5 : Các điều khiển 106 Hình 5.6 : Ổn định lượng liệu vào máy nghiền 106 Hình 5.7:Khối Setpoit_ Cement_mill PV_in_Cement 107 Hình 5.8 : Khối PID_Cement_mill 108 Hình 5.9 : Khối Me_Cement_mill 108 Hình 5.10 : Định lượng Clinker 109 Hình 5.11 : PV_IN clinker Setpoit Clinker 110 Hình 5.12 : Khối PID_Clinker 110 Hình 5.13 : Khối hiển thị lượng Cliker băng tải 411FW010 111 Hình 5.14: Định lượng Gypsum 111 Hình 5.15: PV_IN Gypsum Setpoit Gypsum 112 Hình 5.16: Khối PID_Gypsum 113 Hình 5.17: Khối hiển thị lượng Gypsum băng tải 411FW030 113 Hình 5.18 : Định lượng Additives 114 Hình 5.19: PV_IN Additives Setpoit Additives 115 Hình 5.20: Khối PID_Additives 115 Hình 5.21: Khối hiển thị lượng Additives băng tải 411FW050 116 Hình 5.22 : Giao diện công đoạn vận chuyển liệu 117 Hình 5.23 : Giao diện cơng đoạn nghiền xi măng 118 106 Hình 5.5 : Các điều khiển • Ổn định lượng liệu vào máy nghiền Hình 5.6 : Ổn định lượng liệu vào máy nghiền 107 Control_grinding để ổn định lượng liệu vào máy nghiền ( ổn định tốc độ động máy nghiền ) Lựa chọn suất máy nghiền thông qua khối TE_VSLCT (SP_CEMENT_MILL) Đặt giá trị Setpoit thực từ giao diện Khi có giá trị đặt suất máy nghiền thông qua hệ thống tính tốn tỉ lệ tương ứng Clinker, Gypsum, Additives cần thiết để đưa vào máy nghiền phù hợp với sản phẩm xi măng cần sản xuất Tín hiệu Setpoit từ ( SP_CEMENT_MILL) đưa tới kênh vào điều khiển PID ( PID_CEMENT_MILL ) Tín hiệu điều khiển Q_MV đưa tới khối đo lường hiển thị Measuring ( ME_CEMENT_MILL ) Giá trị đầu MV khối ME_CEMENT_MILL làm sở để định lượng Clinker, Gypsum, Additives vào máy nghiền Xem ( Hình 5.7, Hình 5.8, Hình 5.9 ) Hình 5.7:Khối Setpoit_ Cement_mill PV_in_Cement 108 Hình 5.8 : Khối PID_Cement_mill Hình 5.9 : Khối Me_Cement_mill 109 • Định lượng Clinker Hình 5.10 : Định lượng Clinker Để ổn định lượng Clinker vào máy nghiền Ta sử dụng điều khiển PID (PID_Clinker ) Giá trị Setpoit tính tốn thơng qua QCX hay % dựa suất máy nghiền sản phẩm xi măng loại Giá trị PV_IN sử dụng khối C_MEASUE Setpoit sử dụng khối TE_VSLCT (SP_Clinker ) Bộ điều khiển PID sử dụng khối TE_CTRL ( PID_Clinker ) Xem (Hình 5.11, Hình 5.12 Hình 5.13) 110 Hình 5.11 : PV_IN clinker Setpoit Clinker Hình 5.12 : Khối PID_Clinker 111 Hình 5.13 : Khối hiển thị lượng Cliker băng tải 411FW010 • Định lượng Gypsum Hình 5.14: Định lượng Gypsum 112 Để ổn định lượng Gypsum vào máy nghiền Ta sử dụng điều khiển PID (PID_Gypsum ) Giá trị Setpoit tính tốn thơng qua QCX hay % dựa suất máy nghiền sản phẩm xi măng loại Giá trị PV_IN sử dụng khối C_MEASUE Setpoit sử dụng khối TE_VSLCT (SP_Gypsum ) Bộ điều khiển PID sử dụng khối TE_CTRL ( PID_Gypsum) Xem (Hình 5.15, Hình 5.16, Hình 5.17) Hình 5.15: PV_IN Gypsum Setpoit Gypsum 113 Hình 5.16: Khối PID_Gypsum Hình 5.17: Khối hiển thị lượng Gypsum băng tải 411FW030 114 • Định lượng Additives Hình 5.18 : Định lượng Additives Để ổn định lượng Additives vào máy nghiền Ta sử dụng điều khiển PID (PID_Additives ) Giá trị Setpoit tính tốn thơng qua QCX hay % dựa suất máy nghiền sản phẩm xi măng loại Giá trị PV_IN sử dụng khối C_MEASUE Setpoit sử dụng khối TE_VSLCT (SP_Additives ) Bộ điều khiển PID sử dụng khối TE_CTRL ( PID_Additives) Xem (Hình 5.19, Hình 5.20, Hình 5.21) 115 Hình 5.19: PV_IN Additives Setpoit Additives Hình 5.20: Khối PID_Additives 116 Hình 5.21: Khối hiển thị lượng Additives băng tải 411FW050 5.2 Thiết kế giao diện vận hành : Giao diện vận hành thiết kế WinCC gói phần mềm PCS7 Đây phần mềm chuyên dụng để thiết kế giao diện, thư viện WinCC hỗ trợ nhiều đối tượng đồ hoạ phù hợp với ứng dụng Các đối tượng sau thiết kế gắn với biến trình (Process tag) để trao đổi liệu với PLC Trong WinCC có hai loại tag - Internal tag loại tag tạo WinCC - External tag loại tag sử dụng để trao đổi WinCC với đối tượng khác Sử dụng tag đối tượng người lập trình mơ q trình cơng nghệ diễn giao diện vận hành giám sát tồn q trình cơng nghệ trạng thái thiết bị q trình cơng nghệ 117 Hình 5.22 : Giao diện cơng đoạn vận chuyển liệu 118 Hình 5.23 : Giao diện công đoạn nghiền xi măng 119 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 truyền thông công nghiệp ( DCS ) - Tìm hiểu khai thác ứng dụng phần mềm PCS7 thư viện Cemat V6.0 - Ứng dụng PCS7 vào công đoạn vận chuyển nghiền xi măng Trong thời gian tới, tác giả luận văn tiếp tục hoàn thiện phần mềm để mơ tồn công đoạn nhà máy xi măng nhờ sử dụng phần mềm PCS7 Siemens 120 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Hoàng Minh Sơn, Mạng truyền thông công nghiệp, NXB khoa học kĩ thuật 2004 Phan Xn Minh - Nguyễn Dỗn Phước,Tự động hố với SIMATIC S7 300 ,NXB khoa học kĩ thuật 2004 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 Cemat v6.0 software Cemat document v6.0 – Siemens AG 2003 Flowsheet of Ha Tien 2.2 Cement Master Piece 200 ... of PCS7 BẢN TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn ? ?Nghiên cứu ứng dụng PCS7 vào hệ thống điều khiển nhà máy xi măng? ?? có tổng cộng chương Trong chương đầu tiên, luận văn tìm hiểu cơng nghệ sản xuất xi măng. .. 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 ứng dụng PCS7 vào hệ thống điều khiển nhà máy xi măng ” bao gồm chương... Chương : Công nghệ sản xuất xi măng Chương : Tìm hiểu hệ thống DCS Chương : Tìm hiểu hệ thống điều khiển PCS7 SIEMENS Chương : Ứng dụng PCS7 vào hệ thống vận chuyển nghiền xi măng Chương : Lập