Thiết kế điều khiển dây chuyền cán nguội ở nhà máy cán thép tấm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT LÊ CHÍ HỒI PHƯƠNG THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN DÂY CHUYỀN CÁN NGUỘI Ở NHÀ MÁY CÁN THÉP TẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2010 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT LÊ CHÍ HỒI PHƯƠNG THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN DÂY CHUYỀN CÁN NGUỘI Ở NHÀ MÁY CÁN THÉP TẤM Chuyên ngành: Tự Động Hóa Mã số : 60.52.60 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS.NGUYỄN ĐỨC KHOÁT HÀ NỘI – 2010 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận văn cơng trình nghiên cứu riêng cá nhân Nội dung luận văn hoàn toàn phù hợp với đề tài đăng ký phê duyệt theo định số /QĐ – MĐC hiệu trưởng trường Đại Học Mỏ - Địa Chất 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 rang Các luận điểm kết nghiên cứu chưa công bố cơng trình Hà nội, ngày 05 tháng 12 năm 2010 Tác giả luận văn Lê Chí Hồi Phương LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Ban Giám Hiệu, Phịng Đại Học Sau Đại học, q thầy Bộ mơn Tự Động Hóa trường Đại Học Mỏ - Địa Chất trực tiếp giảng dạy, hướng dẫn tác giả trình học tập nghiên cứu Đặc biệt tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy TS_Nguyễn Đức Khoát, người tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tác giả hồn thành luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục từ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị Mở đầu 11 Chương Tổng quan nhà máy cán thép Posco Việt Nam 13 1.1 Giới thiệu tổng quan nhà máy thép Posco 13 1.2 Giới thiệu dây chuyền sản xuất thép Posco 14 1.2.1 Các thiết bị khu vực đầu vào 14 1.2.2 Các thiết bị khu vực trung tâm 17 1.2.3 Các thiết bị khu vực đầu 19 1.3 Hệ thống cung cấp điện nhà máy Posco 21 Chương Nghiên cứu điều khiển giá cán 26 2.1 Giới thiệu thiết bị giá cán 26 2.1.1 Thiết bị đo lực căng băng thép 26 2.1.2 Thiết bị đỡ chống lại uốn cong băng thép 27 2.1.3 Máy đo độ dày băng thép 28 2.1.4 Kẹp giữ xe thay trục 28 2.1.5 Trục đỡ cân 29 2.1.6 Thiết bị tạo ứng suất uốn cho trục cán 30 2.1.7 Nêm điều chỉnh đường băng thép 31 2.1.8 Xi lanh giá cán 32 2.19 Động điều khiển 36 2.2 Các loại cảm biến lắp đặt giá cán 36 2.2.1 Cảm biến tiệm cận loại cảm ứng 36 2.2.2 Cảm biến quang 38 2.2.3 Van Servo dùng giá cán 40 2.2.4 Van Solenoid 40 2.2.5 Van điều khiển 41 2.2.6 Cảm biến tốc độ 42 2.3 Sơ đồ khối điều khiển lực cán 44 2.3.1 Tính tốn vị trí trục cán chạm băng thép 45 2.3.2 tính tốn độ chênh lệch độ dày băng thép 46 2.3.3 Xác định lực nén yêu cầu 46 2.4 Xây dựng sơ đồ điều khiển giá cán 48 2.4.1 Điều chỉnh giá trị ban đầu 48 2.4.2 Điều khiển đóng trục cán 49 2.4.3 Điều khiển mở trục cán 50 2.4.4 Điều khiển mở trục cán khẩn cấp 51 Chương Nghiên cứu ứng dụng điều khiển khả lập trình biến tần 53 vào điều khiển dây chuyền cán thép 3.1 Nghiên cứu ứng dụng PLC 53 3.1.1 Phân tích ưu nhược điểm độ tiện dụng PLC hãng để 53 lựa chọn thiết bị 3.1.2 Nghiên cứu ứng dụng hàm tốn học Module 55 tích hợp cho ứng dụng đặc biệt 3.1.2 Ứng dụng hàm Scale để đọc liệu Analog PLC 55 3.1.2.2 Ứng dụng Module PID PLC Siemens S7 – 300 cho việc 59 điều khiển tốc độ dây chuyền 3.2 Nghiên cứu ứng dụng biến tần Siemens điều khiển tốc độ 64 dây chuyền 3.3 Nghiên cứu ứng dụng Module T400 kết hợp với Simovert 64 MasterDrives đồng tốc hệ động Master/Slave 3.3.1 Giới thiệu Module T400 64 3.3.2 Lưu đồ thuất toán đồng tốc sử dụng Module T400 69 3.4 Xây dựng thuật toán điều khiển tốc độ dây chuyền ứng dụng hệ 72 điều khiển PLC Siemens S7 – Biến tần Simovert MasterDrives 3.4.1 Xây dựng thuật toán điều khiển đồng tốc độ 72 3.4.2 Viết chương trình điều khiển tốc độ PLC Siemens S7 73 3.5 Kết nối PLC S7 – 300 với biến tần Simovert MasterDrives 84 3.6 Xây dựng phần mềm giao diện để điều khiển giám sát dây 85 chuyền cán thép phần mềm WinCC Kết luận 88 Tài liệu tham khảo 89 Phụ lục 90 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT PC (Personal Computer): Máy tính cá nhân HMI (Human Machine Interface): Giao diện người máy AC (Alternating Current): Xoay chiều DC (Direct Current): Một chiều PLC (Programmable Logic Controller): Bộ điều khiển Logic khả lập trình VSD (Variable Speed Drive): Biến tần (dùng cho động thay đổi tốc độ) PID (Proportional Intergral Derivative): Bộ điều khiển tỉ lệ-tích phân-vi phân VC (Vector Control): Điều khiển véc tơ WinCC (Windows Control Center): Trung tâm điều khiển chạy Windows SCADA (Supervisory Control And Data Aquisition): Điều khiển giám sát thu nhận liệu Mpm (metre per minute): Mét/phút Rpm (Round per minute): Vòng/phút DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 2.1: Thông số hoạt động khoảng nhịp tốc độ 27 Bảng 2.2: Thông số hoạt động khoảng nhịp tốc độ nêm 31 Bảng 2.3: Thơng số đường kính trục vị trí nêm 31 Bảng 2.4: Thông số giới hạn tốc độ động dựa vào thông số 35 đường kính trục Bảng 2.5: Đặc tính kỹ thuật chức cảm biến quang 39 Bảng 3.1: Các tín hiệu đầu vào số cho Module T400 Bảng 3.2: Các tín hiệu đầu số cho Module T400 65 66 Bảng 3.3: Các giá trị đầu vào Analog cho Module T400 66 Bảng 3.4: Các tham số đầu Analog cho Module T400 66 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1: Tổng quan nhà máy thép Posco Việt Nam 13 Hình 1.2: Sơ đồ tổng quan dây chuyền 14 Hình 1.3: Các thiết bị khu vực đầu vào 14 Hình 1.4: Máy xả cuộn thép đầu vào 15 Hình 1.5: Máy hàn băng thép đầu vào 16 Hình 1.6: Bồn tẩy rửa 16 Hình 1.7: Bộ phận dự trữ thép đầu vào 17 Hình 1.8: Các thiết bị khu vực trung tâm 18 Hình 1.9: Giá cán thép 18 Hình 1.10: Các thiết bị khu vực đầu 19 Hình 1.11: Máy cuộn băng thép đầu 20 Hình 1.12: Xe chở cuộn thép đầu 20 Hình 1.13: Trạm cân cuộn thép đầu 21 Hình 1.14: Sơ đồ cung cấp điện cho khu vực sản xuất nhà máy 22 Hình 1.15: Sơ đồ cung cấp điện cho giá cán 23 Hình 1.16: Sơ đồ cung cấp điện cho động giá cán 24 Hình 2.1: Thiết bị đo độ lực căng băng thép giá cán 26 Hình 2.2: Thiết bị đo độ dày băng thép 28 Hình 2.3: Nêm điều chỉnh đường băng thép 31 HÌnh 2.4: Sơ đồ thuật tốn điều chỉnh trục cán trục đỡ vào vị trí cán 33 Hình 2.5: Sơ đồ bố trí trục cán trục đỡ 34 Hình 2.6: Sơ đồ bố trí động dẫn động trục cán 35 Hình 2.7: Cảm biến tiệm cận loại cảm ứng 36 Hình 2.8: Cấu tạo cảm biến tiệm cận loại cảm ứng 37 Hình 2.9: Cảm biến quang cấu tạo 38 Hình 2.10: Van Servo thủy lực SV10 40 Hình 2.11: Van Solenoid 40 Hình 2.12: Cấu tạo van điều khiển 41 87 Hình 3.10: Giao diện điều khiển giám sát khu vực đầu vào Hình 3.11: Giao diện điều khiển giám sát hệ thống cán Hình 3.12: Giao diện điều khiển giám sát khu vực đầu 88 KẾT LUẬN Từ việc tìm hiểu công nghệ sản xuất nhà máy cán thép, vấn đề quan trọng điều khiển tốc độ dây chuyền cán thép đạt yêu cầu đặt đồng tốc độ đảm bảo lực căng cho băng thép nhằm tạo sản phẩm đạt yêu cầu mong muốn Để giải toán cần tìm hiểu sâu sắc quy trình công nghệ sản xuất dây chuyền cán thép, xác định đối tượng điều khiển yêu cầu điều khiển, sở nghiên cứu tính chọn thiết bị đưa vào trình điều khiển để trình sản xuất hiệu cao Ngày trình độ khoa học công nghệ phát triển mạnh mẽ, vấn đề tự động hóa q trình sản xuất ngày đa dạng Việc lựa chọn hệ thống điều khiển hợp lý mang lại tính ổn định hiệu cao đóng góp cho ngành sản xuất thép ngành sản xuất khác phát triển mạnh mẽ Luận văn “Thiết kế điều khiển dây chuyền cán thép nhà máy cán thép tấm” giải vấn đề sau - Tìm hiểu dây chuyền cán thép nhà máy cán thép Posco yêu cầu công nghệ sản xuất thép - Đánh giá tầm quan trọng việc điều khiển giá cán tốc độ dây chuyền cán thép - Nghiên cứu thiết bị điều khiển ứng dụng để tìm hệ điều khiển tối ưu đáp ứng yêu cầu công nghệ - Trong trình nghiên cứu tìm hiểu ứng dụng phần mềm PLC Siemens S7 300 kết hợp với Biến tần Simover MasterDrives Siemens để phục vụ cho q trình tính tốn điều khiển tốc độ dây chuyền cán thép - Sử dụng Phần mềm WinCC xây dựng giao diện để mô phỏng, giám sát dây chuyền cán thép Việc ứng dụng hệ điều khiển PLC Siemens S7 300 – Biến Tần Simovert MasterDrives với giao diện mô giám sát WinCC không ứng dụng ngành sản xuất thép mà ứng dụng nhiều ngành sản xuất khác Ứng dụng hệ điều khiển với độ tin cậy tính ổn định cao, an tồn cho người, tiết kiệm lượng, giảm chi phí sản xuất, góp phần vào q trình cơng nghiệp hóa đại hóa đất nước 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO Trần Thu Hà, Phạm Quang Huy (2008), Tự động hóa cơng nghiệp lập trình với S7 & WinCC, NXB Hồng Đức Trần Thu Hà, Phạm Quang Huy (2008), Tự động hóa cơng nghiệp với WinCC, NXB Hồng Đức Phùng Thị Nguyệt, Phạm Quang Hiển, Truyền động điện trang bị điện với Simatic S7, NXB Giao Thông Vận Tải Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước, (2006), Tự động hóa với Simatic S7-300 , NXB Khoa Học Kỹ Thuật Hồng Minh Sơn (1996), Mạng truyền thơng cơng nghiệp, NXB Khoa Học Kỹ Thuật Hoàng Minh Sơn (2002), Cơ sở lý thuyết điều khiển tự động trình, NXB Khoa Học Kỹ Thuật Đào Văn Tân tác giả (2002), Cảm biến công nghiệp Mỏ Dầu khí, NXB Khoa Học Kỹ Thuật cơng ty cơng nghệ tự động Tân Tiến AIT, Giáo trình lập trình PLC S7 – 300 Catalog hãng PLC, Biến tần Siemens, Mitsubishi, Omron, Allen Bredley 10 Công ty Posco Việt Nam, Các tài liệu kĩ thuật, tài liệu vận hành nhà máy 11 Website// www.automation.siemens.com 12 Website// www.thietbidien.vn // www.thongtincongnghe.com 90 PHỤ LỤC 91 Phụ lục 1: Giới thiệu đặc điểm Biến Tần SIEMENS Simovert Masterdrive SIMOVERT MASTERDRIVES loại biến tần xoay chiều giúp điều chỉnh tốc độ động SIMOVERT MASTERDRIVES có tính hệ thống, thiết bị có kết cấu Module, phù hợp với ứng dụng sử dụng tất ngành công nghiệp Và thiết bị điều khiển trực tiếp cho tất yêu cầu: điều khiển tần số, tốc độ, mô men điều khiển vectơ động Servo cho đặc tính động học cao Biến tần Simovert MasterDrives 92 Đặc điểm: Biến tần Simovert MasterDrives làm việc với dải điện áp 510VDC – 650VDC Biến tần dùng cho hệ thống điều khiển động ba pha, với tần số đầu từ 0Hz đến 500Hz Thiết bị điều khiển nhờ mạch điều khiển điện tử bên trong, bao gồm hệ thống vi xử lý Các chức cung cấp phần mềm điều khiển Bộ biến tần phải cung cấp nguồn điện 24VDC khác để trì mạch điện tử điều khiển Mạch điện tổng quát biến tần  Module mở rộng: panel điều khiển hoạt động, thiết bị đầu cuối mở rộng, Module hãm, lọc vào  Điều chỉnh xác tốc độ mơmen  Đặc tính động học tốt  Ổn định tốc độ thấp  Khả chịu tải lớn  Mật độ công suất lớn  Ưu điểm lớn giá thành hoạt động  Đơn giản dễ dàng thực công cụ lập kế hoạch PATH 93 Mạch điều khiển biến tần: - Nguồn cấp cho mạch điều khiển: 24VDC - Bus kết nối - Giao tiếp với máy tính PC OP1S : USS Mạch điều khiển biến tần Simovert MasterDrives 94 Cách đấu nối hình vẽ X100 dùng để kết nối tín hiệu nguồn - 24VDC cung cấp cho mạch điều khiển, chân dùng cho giao tiếp USS (RS485P 485N) X101 dùng để kết nối tín hiệu: - chân để đấu nối đầu vào/ra số - chân để mở rộng đầu vào số - chân đầu vào tương tự - chân đầu tương tự - chân cung cấp nguồn 24VDC (max.60mA) X102 dùng để kết nối tín hiệu sau: - 10VDC (max.5 mA) cung cấp cho đồng hồ đo điện - Analog output, tương ứng cho việc dùng dòng điện áp đầu - Analog output, tương ứng cho việc dùng dòng điện áp đầu vào - đầu vào số mở rộng - tiếp điểm thường mở (Normal Open) X103 dùng cho giao tiếp nối tiếp: Có thể kết nối với OP1S với máy tính PC với giao thức nối tiếp RS232 RS485 X104 dùng để kết nối với Encoder thiết bị đo nhiệt động 95 X533 dùng mạch bảo vệ an toàn cho động gặp cố bất thường khởi động Mạch bảo vệ động biến tần (Safe – Stop) 96 97 Phụ luc 2: Cách cài đặt thông số cho Biến Tần SIEMENS Simovert Masterdrive Việc cài đặt giá trị cho biến tần thực phương pháp: cài đặt qua PMU, cài đặt qua OP1S, cài đặt qua kết nối phần mềm Simovis/DriveMonitor Cài đặt thông số cho biến tần qua PMU: Giao diện cài đặt thông số cho biến tần PMU Trên PMU gồm ô hiển thị chữ số, phím chức cho phép thao tác cài đặt đơn giản Cài đặt thông số cho biến tần qua OP1S: Giao diện cài đặt thông số cho biến tần OP1S 98 Thiết bị OP1S thiết bị kết nối với biến tần qua RS485 sử dụng giao thức truyền thông USS Protocol Cho phép cài đặt tham số, lưu trữ liệu, download/upload liệu với tốc độ Baud Rates 9,6kBd 19,2 kBd Cài đặt thông số cho biến tần qua chương trình DriveMonitor: Cài đặt chương trình DriveMonitor vào PC/PG, kết nối PC/PG với biến tần qua giao thức USS (RS232 RS485) Cấu hình giao tiếp Drive với chương trình DriveMonitor: Trên cửa sổ DiveMonitor vào File/Set up an Online connection Giao diện cửa sổ Online setting DriveMonitor Cài đặt Online: Trên cửa sổ DriverMonitor/ToolsOnline Settings 99 Chọn bus USS, giao tiếp Interface từ COM1 đến COM4 (chọn COM1), tốc độ Baud 9600 Giao diện Interface Config DriveMonitor Cài đặt tham số: File/New  Base on factory setting Cài đặt Drive Navigator vào Tool/Options Cửa sổ giao diện Drive Navigation DriveMonitor Sau cài đặt Drive Navigation xong, cửa sổ làm việc DriveMonitor ra, giao diện ta chọn “Direct to parameter setting” cửa sổ cài đặt tham số xuất 100 Cửa sổ giao diện cài đặt tham số DriveMonitor Phần mềm Simovert MasterDrive có cửa sổ giao diện DriveMonitor thuận tiện Simovis với thư mục bên cửa sổ trái [2], ta muốn khai báo tham số, kích chuột vào tham số cần khai báo hàm chức ta việc nhập giá trị (đối với Simovis ta phải gọi hàm chức năng) Sau khai báo tham số xong, ta lưu download xuống biến tần kết nối online setting File/ExportDatabaseBasic Device (các giá trị xuất sang biến tần) 101 Cửa sổ giao diện tham số đặt cho biến tần ... Trên sở nghiên cứu công nghệ sản xuất nhà máy chọn đề tài ? ?Thiết kế điều khiển dây chuyền cán nguội nhà máy cán thép tấm? ??, đề tài nghiên cứu tính tốn thơng số, quy trình hoạt động giá cán nghiên... thụ thép lớn nước Hình 1.1: Tổng quan nhà máy thép Posco Việt Nam 14 1.2 Giới thiệu dây chuyền sản xuất thép nhà máy Posco: Hình 1.2: Sơ đồ tổng quan dây chuyền Dây chuyền sản cán thép nhà máy. .. TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY CÁN THÉP TẤM POSCO VIỆT NAM 1.1 Giới thiệu tổng quan nhà máy thép Posco: POSCO nhà sản xuất thép hàng đầu Hàn Quốc Nhà máy sản xuất thép POSCO - Việt Nam khởi công xây dựng