Nghiên cứu ứng dụng tự động hoá cho hệ thống thông gió công ty than hà

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT THÁI HẢI ÂU NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TỰ ĐỘNG HĨA CHO HỆ THỐNG THƠNG GIĨ CƠNG TY THAN HÀ LẦM Chuyên ngành: TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: 60.52.60 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS PHAN MINH TẠO HÀ NỘI 2011 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn cao học cơng trình nghiên cứu riêng cá nhân hướng dẫn TS.Phan Minh Tạo Các số liệu tài liệu nêu luận văn trung thực, đảm bảo tính khách quan, khoa học Các tài liệu tham khảo có nguồn gốc xuất xứ rõ ràng Các luận điểm kết nghiên cứu chưa công bố cơng trình khác Hà Nội, ngày 15 tháng năm 2011 Tác giả luận văn Thái Hải Âu LỜI CẢM ƠN Với tình cảm chân thành, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Ban Giám hiệu, Phòng Đại học sau Đại học, thầy Khoa Cơ-Điện, Bộ mơn Tự động hóa Trường Đại học Mỏ Địa chất trực tiếp giảng dạy, hướng dẫn em trình học tập nghiên cứu Em xin chân thành cảm ơn Ban Giám đốc, phịng Thơng gió, phịng Cơ điện Cơng ty cổ phần than Hà Lầm cung cấp số liệu,thông tin tham gia ý kiến giúp đỡ Đặc biệt em xin bày tỏ kính trọng lịng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo TS.Phan Minh Tạo, người tận tình giúp đỡ, hướng dẫn em hồn thành luận văn Kính mong thầy bạn đồng nghiệp dẫn góp ý Em xin chân thành cám ơn! Hà Nội, ngày 15 tháng năm 2011 Tác giả luận văn Thái Hải Âu MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết luận văn Mục đích nghiên cứu luận văn Đối tượng nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn Nội dung đề tài Chương 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THƠNG GIĨ MỎ THAN HÀ LẦM 1.1 Vị trí địa lý, đặc điểm dân cư,kinh tế xã hội 1.1.2 Đặc điểm dân cư, kinh tế xã hội 10 1.2 Điều kiện khí hậu 10 1.3 Lịch sử thăm dò khai thác 10 1.3.1 Công tác nghiên cứu địa chất thăm dò 10 1.3.2 Quá trình thiết kế khai thác mỏ 11 1.4 Nhiệm vụ thơng gió chung mỏ 12 1.5 Đặc điểm chế độ khí mỏ 13 1.6 Hệ thống thơng gió mỏ 13 1.6.1 Các phương pháp thơng gió 13 1.6.2 Sơ đồ thơng gió 16 1.7 Tính tốn lưu lượng gió chung cho mỏ 17 1.7.1 Phương pháp tính lưu lượng gió chung mỏ: 17 1.7.2 Các hộ tiêu thụ gió mỏ 18 1.7.3 Xác định lưu lượng gió chung cho khu mỏ 21 1.8 Tính phân phối gió kiểm tra tốc độ gió 21 1.8.1 Tính phân phối gió sơ đồ: 21 1.8.2 Tính kiểm tra tốc độ gió: 22 1.9 Tính hạ áp chung mỏ 23 1.9.1 Tính hạ áp chung mỏ 23 1.9.2 Tính điều chỉnh lưu lượng gió 26 1.10 Quạt gió 26 1.10.1 Lưu lượng quạt 26 1.10.2 Hạ áp quạt: 27 1.10.3 Kiểm tra thơng số quạt gió 27 1.10.4 Xác định điểm làm việc quạt: 31 Chương 2: ỨNG DỤNG PLC S7-300 ĐIỀU KHIỂN QUẠT GIÓ MỎ HÀ LẦM 33 2.1 Lựa chọn hợp lý sơ đồ tự động hố hệ thống thơng gió mỏ Hà Lầm 33 2.1.1 Những thuận lợi khó khó khăn lựa chọn sơ đồ tự động hố cơng tác thơng gió 33 2.1.2 Lựa chọn phương án tự động hố hệ thống thơng gió cho mỏ Hà Lầm 34 2.2 Lưu đồ thuật tốn điều khiển hệ thống thơng gió mỏ 37 2.2.1 Lưu đồ điều khiển chung 37 2.2.2 Lưu đồ điều khiển tự động hệ thơng gió 38 2.3 Sơ đồ kết nối hệ thống 39 2.3.1 Sơ đồ chung 39 2.3.2 Cảm biến đo dòng lưu lượng khí mỏ SAFDY solid-state 40 2.3.3 Biến tần cao áp CHH-100-0800-06 loại 6KV 41 2.3.4 Sơ đồ nối dây điều khiển số 43 2.3.6 Cài đặt cho biến tần 46 2.4 Chương trình điều khiển S7-300 Step 47 2.4.1 Phần cứng 47 2.4.2 Địa cổng vào chương trình 48 2.4.3 Chương trình 51 2.4.4 Chương trình mơ S7-PLCsim 95 Chương 3: GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG THƠNG GIĨ MỎ BẰNG WINCC 100 3.1 Kết nối winCC PLC S7-300 100 3.2 Giao diện giám sát điều khiển hệ thống thơng gió 101 3.3 Các đồ thị bảng giá trị theo dõi trình điều khiển 102 KẾT LUẬN 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO 105 DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1: Sơ đồ mặt cắt khu mỏ Hà Lầm 12 Hình 1.2 :Sơ đồ thơng gió khu III mỏ than Hà Lầm 17 Hình 1.3 :Giản đồ thơng gió 18 Hình 1.4 : Giản đồ thơng gió mỏ .22 Hình 2.1 : Sơ đồ đặc tính làm việc định mức quạt góc 450 35 Hình 2.2 : Sơ đồ đặc tính quạt quan hệ theo tốc độ 36 Hình 2.3 : Sơ đồ chung kết nối hệ thống 39 Hình 2.4 : Tủ biến tần CHH-100 bên 41 Hình 2.5 : Tủ biến tần CHH-100 bên 41 Hình 2.6 : Sơ đồ nối dây module số 43 Hình 2.7 : Sơ đồ nối dây module số 44 Hình 2.8: Sơ đồ nối dây điều khiển tương tự biến tần 45 Hình 2.9: Cấu hình phần cứng cho chương trình 47 Hình 2.10: Cấu trúc chương trình hàm 50 Hình 2.11.a : Điều khiển tay-số - tốc độ N4 95 Hình 2.11.b : Điều khiển tay-số - tốc độ N2 95 Hình 2.12.a :Điều khiển tay- tương tự - tốc độ N2 96 Hình 2.12.b : Điều khiển tay-tương tự-tốc độ 96 Hình 2.13.a : Điều khiển tự động – tương tự -tốc độ N4 97 Hình 2.13.b: Điều khiển tự động – tương tự - tốc độ N2 97 Hình 2.14a : Điều khiển tự động - số - tốc độ 98 Hình 2.14b : Điều khiển tự động - số - tốc độ 98 Hình 2.15 : Điều khiển tự động quạt dự phòng .99 Hình 3.1 : Tag điều khiển kết nối Wincc S7-300 .100 Hình 3.2 : Giao diện giám sát điều khiển chung hệ thống 101 Hình 3.3 : Đồ thị bảng giá trị áp lực lưu lượng gió mỏ 102 Hình 3.4 : Đồ thị bảng giá trị áp lực lưu lượng gió quạt .103 Hình 3.5 : Đồ thị bảng giá trị tốc độ quạt thay đổi theo giá trị lưu lượng gió mỏ 103 DANH MỤC BẢNG Trang Bảng 1.1 : Bảng tính vận tốc đường lị .23 Bảng 1.2: Bảng tính hạ áp đường lị nhánh gió Vỉa 11 25 Bảng 1.3: Bảng tính hạ áp đường lị nhánh gió Vỉa 10 25 Bảng 1.4: Đặc tính kỹ thuật trạm quạt 2K56-N024 28 Bảng2.1 : Các thông số điều khiển trạm quạt 34 Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật biến tần CHH-100 .41 Bảng 2.3: Bảng cài đặt thông số cho biến tần CHH-100 46 MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết luận văn Các mỏ than hầm lò Việt Nam khai thác lớn qui mơ ngày sâu rộng, mà hệ thống thơng gió cho mỏ than hầm lị ngày phức tạp hơn, nhiều thơng số thay đổi so với tính tốn ban đầu thiết kế Chính u cầu đặt cho hệ thống thơng gió phải điều khiển giám sát liên tục trình khai thác sản xuất Đề tài “ Nghiên cứu ứng dụng tự động hóa cho hệ thống thơng gió cơng ty than Hà Lầm “ bước đầu giải vấn đề nâng cao chất lượng hệ thống thơng gió mỏ đảm bảo điều kiên khai thác mỏ than, đáp ứng ứng dụng cho hệ thống tự động hóa mỏ đại Mục đích nghiên cứu luận văn Ứng dụng biến tần PLC s7300 để đưa phương pháp điều khiển hợp lý cho hệ thống thơng gió mỏ nhằm đem lại lợi ích kinh tế giảm thiểu tiêu tốn lượng cho hệ thống xây dựng hệ thống tự động hóa dễ dàng tích hợp cho ứng dụng tự động hóa thơng gió mỏ đại Hệ thống giám sát qua phần mềm Wincc để liên tục kiểm tra đánh giá chất lượng hệ thống Đối tượng nghiên cứu Mạng thông gió mỏ trạm quạt thơng gió cơng ty than Hà Lầm từ đưa biện pháp điều khiển tự động Phương pháp nghiên cứu Thu thập số liệu mạng thơng gió mỏ than Hà Lầm Tính tốn kiểm tra thơng số phương pháp tính tốn ứng dụng thơng gió mỏ Kiểm tra đánh giá trạm quạt thơng gió sử dụng để tận dụng cải tiến tự động Từ lựa chọn nghiên cứu loại biến tần phù hợp điều khiển tốc độ động Xây dựng kết nối hệ truyền động điện tự động PLC-Biến tần-Động Sử dụng ngơn ngữ lập trình PLC S7-300 để viết chương trình tính tốn điều khiển tự động cho quạt gió kết nối biến tần cao áp Mơ hệ thơng gió mỏ trạm quạt phần mềm giao diện winCC để giám sát vận hành Ý nghĩa khoa học thực tiễn Luận văn đưa thiết kế chương trình điều khiển quạt gió mỏ Hà Lầm PLC S7-300 Tìm hiểu lựa chọn PLC S7-300 có nhiều ưu việt so với hệ cũ khả tính tốn lập trình cho hệ thống thơng gió mỏ phức tạp từ điều khiển hệ thống cách đồng hóa Thiết kế hệ truyền động điện Biến tần – Động quạt cao áp điều chỉnh tốc độ động chủ động linh hoạt thay hệ truyền động cũ điều khiển lưu lượng gió cách thay đổi góc nghiêng cánh quạt, đáp ứng kết nối ứng dụng hệ thống điều khiển tự động Hệ thống giám sát winCC giúp cho người vận hành có khả điều khiển dễ dàng đạt hiệu cao hệ thống thơng gió mỏ phức tạp Luận văn tiền đề sở kiến trúc hạ tầng để ứng dụng tự động hóa tiếp tục nâng cấp lắp đặt thêm tích hợp cho hệ thống tự động hồn chỉnh Chính đề tài xem sở khoa học để ứng dụng tự động hóa cho hệ thống thơng gió mỏ giai đoạn cần nâng cấp ứng dụng công nghệ đại Việt Nam Nội dung đề tài - Chương Tổng quan hệ thống thơng gió mỏ than Hà Lầm - Chương Ứng dụng PLC S7-300 điều khiển quạt gió mỏ Hà Lầm - Chương Điều khiển giám sát hệ thống thông gió mỏ Hà Lầm Wincc Chương TỔNG QUAN HỆ THỐNG THƠNG GIĨ MỎ THAN HÀ LẦM 1.1 Vị trí địa lý, đặc điểm dân cư,kinh tế xã hội 1.1.1 Vị trí địa lý Mỏ than Hà Lầm nằm khoáng sàng Hà Tu- Hà Lầm, cách thành phố Hạ Long km phía Đơng - Đơng Bắc - Phía Đơng : Giáp mỏ Hà Tu - Phía Tây: Giáp phường Cao Thắng- thành phố Hạ Long - Phía Nam: Giáp đường 18A - Phía Bắc: Giáp mỏ Bình Minh Mỏ giao cho Cơng ty than Hà Lầm quản lý, bảo vệ, thăm dò tổ chức khai thác than ranh giới toạ độ địa lý: X = 18.200÷ 21.500 Y = 407.500÷410.250 Khu mỏ Hà Lầm thuộc vùng đồi núi, thấp dần từ phía Bắc xuống phía Nam, độ dốc sườn đồi từ 150 đến 400,và tồn dạng địa hình: - Địa hình ngun thuỷ: Nằm phía Nam Tây Nam khu mỏ, đôi chỗ bị đào bới khai thác than đầu lộ vỉa - Địa hình nhân tạo: Bao gồm khai trường lộ thiên bãi thải trung tâm khu mỏ, phát triển dần phía Đơng phía Bắc Trong khu mỏ có suối suối Hà Lầm hệ thống suối nhỏ, tất suối nhỏ chảy vào suối Hà Lầm chảy phía Tây đổ biển, suối có nước trận mưa, cịn bình thường chúng suối cạn Suối Hà Lầm có lịng tương đối phẳng, rộng từ đến mét, suối có nước quanh năm Lưu lượng nhỏ vào mùa khô (Qmin = 0,1 l/s), lưu lượng lớn vào mùa mưa (Qmax = 114,5 l/s) Những ngày mưa lớn nước chảy mạnh 91 92 93 94 95 2.4.4 Chương trình mơ S7-PLCsim Hình 2.11.a : Điều khiển tay-số - tốc độ N4 Hình 2.11.b : Điều khiển tay-số - tốc độ N2 96 Hình 2.12.a : Điều khiển tay- tương tự - tốc độ N2 Hình 2.12.b : Điều khiển tay-tương tự-tốc độ 97 Hình 2.13.a : Điều khiển tự động – tương tự -tốc độ N4 Hình 2.13.b: Điều khiển tự động – tương tự - tốc độ N2 98 Hình 2.14a : Điều khiển tự động - số - tốc độ Hình 2.14b : Điều khiển tự động - số - tốc độ 99 Hình 2.15 : Điều khiển tự động quạt dự phòng 100 Chương GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG THƠNG GIĨ MỎ BẰNG WINCC 3.1 Kết nối winCC PLC S7-300 Wincc kết nối với S7-300 sử dụng tag ngoại qua MPI giao thức SIMATIC S7 Protocol suite Trong hình 4.1 biểu diễn q trình tag điều khiển gồm có 67 tag ngoại với địa tương ứng PLC – S7 300 Hình 3.1 : Tag điều khiển kết nối Wincc S7-300 101 3.2 Giao diện giám sát điều khiển hệ thống thơng gió Hình 3.2 : Giao diện giám sát điều khiển chung hệ thống Nội dung giám sát điều khiển: + Start : Nút khởi động + Stop: Dừng hệ thống + Chọn chế độ điều khiển : Auto : chế độ tự động Manual : chế độ tay + Chọn chế độ điều khiển tốc độ động biến tần : 102 Analog : chế độ điều khiển tương tự module mở rộng tương tự Digital : chế độ điều khiển số thông qua mức tốc độ cài đặt + Chế độ hiển thị giám sát : - Hiển thị giám sát giá trị lưu lượng gió quạt - Hiển thị giám sát giá trị cột áp lực quạt - Hiển thị giám sát giá trị lưu lượng gió mỏ - Hiển thị giám sát giá trị áp lực mỏ - Hiển thị giám sát tốc độ gió mỏ - Hiển thị giám sát tốc độ động + Giám sát cảnh báo cố xảy hệ thống 3.3 Các đồ thị bảng giá trị theo dõi trình điều khiển Hình 3.3 : Đồ thị bảng giá trị áp lực lưu lượng gió mỏ 103 Hình 3.4 : Đồ thị bảng giá trị áp lực lưu lượng gió quạt Hình 3.5 : Đồ thị bảng giá trị tốc độ quạt thay đổi theo giá trị lưu lượng gió mỏ 104 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Luận văn “ Nghiên cứu ứng dụng tự động hóa cho hệ thống thơng gió cơng ty than Hà Lầm “ giải vấn đề sau: - Đánh giá tình hình nghiên cứu ứng dụng tự động hóa trạm thơng gió khu vực mỏ Hà Lầm - Xây dựng mô hình điều khiển kết hợp mơ hình mạng cho trạm thơng gió chính, từ chọn chế độ làm việc quạt thỏa mãn u cầu thơng gió đặt ra, tiết kiệm lượng so với hệ thống không điều khiển tốc độ - Ứng dụng PLC-Biến tần Giám sát hình WinCC + Những đóng góp luận văn là: - Ở Công ty cổ phần than Hà Lầm nay, việc tăng sản lượng mỏ gắn liền với việc tăng số lượng lò chợ khơng tăng cơng suất lị chợ, dẫn đến việc áp dụng PLC-Biến tần điều khiển trạm quạt mang lại lợi ích kinh tế phù hợp với tình hình Mỏ Việt Nam - Đã lập trình điều khiển PLC với cấp tốc độ chọn, cài đặt biến tần cao áp để tự động hóa trạm quạt mỏ hầm lị Kết hệ thống phù hợp với kết thực tế - Ứng dụng tự động hóa bước đầu giúp người quản lý hệ thống vận hành điều khiển đồng bộ,chính xác, dễ dàng đạt hiệu cao công việc, sở áp dụng cho hệ thơng gió Mỏ Việt Nam tương lai Kiến nghị - Ứng dụng hệ thống tự động hóa mơi trường dễ cháy nổ môi trường mỏ Việt Nam nhiều bất cập hệ số an tồn lắp đặt Đây khâu cịn hạn chế việc ứng dụng thiết bị đại phục vụ khơng cho khâu thơng gió mà cịn nhiều khâu đo nồng độ khí độc, nhiệt độ, cảnh báo an tồn khác Chính thiết bị lắp đặt cần phải kiểm định theo qui định nghiêm ngặt phòng chống cháy nổ mỏ đưa trước thực - Hệ thống thơng gió mỏ hầm lị mạng lưới phức tạp để hồn tồn tự động hóa gặp nhiều khó khăn Trong đề tài số khâu phải điều khiển tay đóng mở cửa sổ gió hay phối hợp điều khiển cửa gió khu vực khai thác 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Minh Tạo (2006), Nghiên cứu động lực học hệ truyền động điện biến tần-động ứng dụng thiết bị nâng mỏ-Việt Nam, Luận án tiến sĩ kỹ thuật, Trường ĐH Mỏ Địa Chất,Hà Nội [2] Đào Văn Tân, Nguyễn Chí Tình (2000), Tự động hố q trình sản xuất mỏ [3] dầu khí, NXB GTVT, Hà Nội Thái Duy Thức (2000) Cơ sở truyền động điện tự động NXB GTVT,Hà Nội [4] Nguyễn Chí Tình, Nguyễn Đức Khốt (2003), “Ứng dụng vi điều khiển [5] đo độ sâu mỏ than Khe Chàm”, Tuyển tập báo cáo khoa học Mỏ, Hà Nội Nguyễn Chí Tình (2003), “Mơ mạng thơng gió hầm lị”, Tuyển tập [6] [7] [8] báo cáo hội nghị khoa học kỹ thuật Mỏ toàn quốc lần thứ XV, Hà Nội Nguyễn Chí Tình, Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật vi điều khiển để tự động hóa hệ thống thơng gió mỏ than hầm lị vùng Quảng Ninh Luận án Tiến sỹ kỹ thuật, ĐH Mỏ Địa Chất, Hà Nội Nguyễn Chí Tình (8/2004), Tạp chí tự động hóa ngày ,“Ứng dụng Simulink - Matlab để mơ hình hóa hệ thống mạng thơng gió mỏ than hầm lị”, Hà Nội Cơng ty than Hà Lầm (2003), Tài liệu chung mỏ than Hà Lầm Công ty than Hà Lầm (2007), Tài liệu thông gió mỏ từ +28 xuống -125 mỏ than Hà Lầm [10] Trần Xuân Hà (2000), Bài giảng kỹ thuật thông gió mỏ hầm lị, ĐH Mỏ Địa Chất, Hà Nội [11] Trần Ngọc Chân (1998), Kỹ thuật thơng gió, NXB Xây Dựng,Hà Nội [9] [12] Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước (2006), Tự động hóa với Simatic S7300, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [13] Trần Thu Hà, Phạm Quang Huy, Tự động hóa cơng nghiệp với Wincc NXB Hồng Đức [14] Senzhen Invt Electric Co LTD, CHH100 user manual ... lý cho hệ thống thông gió mỏ nhằm đem lại lợi ích kinh tế giảm thiểu tiêu tốn lượng cho hệ thống xây dựng hệ thống tự động hóa dễ dàng tích hợp cho ứng dụng tự động hóa thơng gió mỏ đại Hệ thống. .. dựng hệ thống tự động hố hệ thống thơng gió mỏ than hầm lị - Hệ thống thơng gió khơng đồng tự động hóa tình trạng lạc hậu hỏng hóc nặng nề - Cơng nghệ khai thác chưa cho phép tự động hố hồn tồn hệ. .. đồ tự động hố hệ thống thơng gió mỏ Hà Lầm - Khi công nghệ khai thác chưa cho phép lắp đặt hệ thống tự động hoá trọn nước ngồi, lấy xu hướng cải tạo nên ngun tắc tự xây dựng sơ đồ tự động hoá