c. Thiết bị điều chỉnh PID dựa trên PLC
4.1.2.1 Nhiệt độ của kim loại
Để đảm bảo nhiệt độ phơi khi cán, nhiệt độ mặt kim loại khi ra lị thường phải lớn hơn 1200°c (khoảng 1200 đến 1300°c) với độ chênh nhiệt độ trong thỏi trong phạm vi cho phép của cơng nghệ.
Nhiệt độ bề mặt của phơi thường được đo bằng hoả kế, ví dụ hoả kế quang điện, nhưng phép đo sẽ khơng chính xác, thường mắc các sai số do phải đo qua mơi trường khí hấp thụ bức xạ và thực tế khơng đo nhiệt độ bản thân kim loại mà là
nhiệt độ của xỉ nung trên bề mặt kim loại, ngồi ra cịn chịu ảnh hưởng của bức xạ tường lị. mặc dù vậy nhưng đo nhiệt độ kim loại trực tiếp trong lị cũng cho phép ta
cĩ những số liệu tương đối, đặc trưng cho quá trình nung kim loại ở những vùng khác nhau tuỳ thuộc nhịp độ cán và cơng suất nhiệt của lị. cũng rất cần thiết phải đo nhiệt độ của từng phơi trong quá trình chuyển dịch trong lị và nhiệt độ của tường lị ở vùng mà phơi đĩ đang được nung.
Cùng với số đo nhiệt độ của thỏi kim loại khi cán trên máy, các số liệu trên rất cần thiết để xác định năng suất lị, phát hiện các sự cố cũng như quyết định chế độ nhiệt độ của lị. Nhiệt độ bề mặt của phơi nung khơng đặc trưng cho nhiệt độ phơi nung theo tiết diện, thực tế độ chênh nhiệt đọ theo tiết diện dao động trong một khoảng lớn và vấn đề độ chênh nhiệt độ cho phép cũng chưa rõ ràng, phụ thuộc vồ
nhiều yếu tố như mác thép, các chủgn loại phơi, các chủgn loại sản phẩm cán. Các nhà máy thường cĩ các yêu cầu cao về độ chênh nhiệt độ cho phép của phơi nung do đĩ yêu cầu về vận hành, điều khiển chế độ nhiệt của lị cũng rất chặt chẽ. thơng thường đối với thỏi cĩ chiều dầy lOOmm độ chênh nhiệt đọ cho phép khơng quá 20
đến 25°c, với thỏi cĩ chiều dầy 400mm độ chênh nhiệt độ cho phép khơng quá 50 đến 60°c.
4.1.2.2 Lượng kim loại bị o xy hố:
Các sản vật cháy sẽ o xy hố kim loại khi nung, việc xác định lượng kim loại
4.1.2.3 Năng suất lị:
Khi đánh giá năng suất lị nung người ta thường dùng khái niệm thời gian nung
riêng và cường độ nung đáy lị hiệu dụng.
Thời gian nung riêng được biểu thị bằng cơng thức:
z= —
s
t: thời gian nung của một phơi trong lị, tính bằng giờ s: chiều dầy của phơi nung, tính bằng cm
Z: thời gian nung riêng, đơn vị phút/cm
Theo cơng thức trên khi nung trong lị liên tục 3 vùng cĩ thể tính thời gian nung riêng z theo cơng thức:
z = (5 + 0,1 .S) phút/cm
Cường độ nung đáy lị hiệu dụng ( đáy lị hiệu dụng bằng chiều dài lị nhân với
chiều dài vật nung nghĩa là diện tích xếp vật nung ) được tính theo: HHD = 0,6.| (kg/m2h)
Vì khối lượng riêng của thép: /=7850 (kg/m3)
nên: Hhd=^P (kg/nrh)
Trong thực tế, cĩ thể đạt được z = 5,5 đến 6 phút/cm và tương ứng là cường độ
nung đáy lị hiệu dụng 780 đến 860 kg/nrh.
TH : điện thế kế chỉ thị nhiệt độ bề mặt thỏi cán ( tín hiệu từ hoả kế quang điện đặt sau giá cán đầu ).
Các dụng cụ đo hiển thị nhiệt độ:
TI 31: nhiệt độ khơng khí nĩng vùng đồng nhiệt. TI 32: nhiệt độ khí đốt vùng nung dưới.
TI 33: nhiệt độ khí thải vào buồng trao đổi nhiệt khí đốt.
TI 34: nhiệt độ khí thải trước khi vào thiết bị trao đổi nhiệt khơng khí. TI 35: nhiệt độ khơng khí nĩng vùng nugn trên.
TI 36: nhiệt độ cuối vùng sấy.
TI 37: nhiệt độ khí thải sau buồng trao đổi nhiệt khí đốt.
- TIC 4 điều khiển và hiển thị nhiệt độ vùng đồng nhiệt. HC 4 điều khiển bằng tay nhiệt độ vùng đồng nhiệt.
- TIC 5 điều khiển và hiển thị nhiệt độ vùng nung trên. HC 5 điều khiển bằng tay nhiệt độ vùng nung trên.
- TIC 6 điều khiển và hiển thị nhiệt độ vùng nung dưới. HC 6 điều khiển bằng tay nhiệt độ vùng nung dưới.
7: Các cơ cấu chấp hành.
PIR 81, PIR 82 và PIR 83 hiển thị và ghi áp suất.
PT 9 đo áp suất và truyền tín hiệu. PY 9 thu và tính tốn.
V qr ơ T C r O : C7 h< s. Q lạ u ụễ n T ơt ừ ù Q ta m tề e - 7 3 - *§ > S O ): PH Ạ M VI ỆT A N
4.1.4 Xây dụng hệ thống tự động khâu lị nung - máy cán:
Lị nung liên tục đứng về mặt chức năng là khâu phục vụ cho máy cán. trong từng khoảng thời gian nhất định phải cung cấp cho máy cán số lượng thỏi cần thiết với chất lượng nug yêu cầu (nhiệt độ, độ đồng nhiệt, ít xí nung).
Đa số các hệ thống điều khiển chế độ nhiệt lị nung liên tục như sơ đồ dẫn ra ở
trên chỉ cĩ hiệu quả đối với trường họp năng suất lị khơng đổi hoặc thay đổi ít. Đối với những lị năng suất thay đổi trong phạm vi rộng thì khơng thích hợp.
Trong vận hành thực tế, lị nung liên tục cĩ năng suất thay đổi tuỳ thuộc nhịp độ cán mà thơng số này thường thay đổi trong phạm vi rộng, việc ngừng máy cán cĩ thể theo kế hoạch hoặc cĩ thể ngẫu nhiên. Ngừng máy cán ngẫu nhên thường do những sự cố thiết bị hoặc lỗi của người thao tác sẽ dẫn tới ngừng yêu cầu cấp phơi nung trong lị đang làm việc bình thường.
Nếu các bộ điều chỉnh nhiệt độ duy trì nhiệt độ của các vùngkhơng đổi sẽ dẫn tới sai khác giữa nhiệt độ thực tế và nhiệt độ yêu cầu của kim loại, để duy trì nhiệt độ của kim loại khi ra lị, cần thay đổi nhiệt độ trong các vùng đốt nihên liệu, hiệu chỉnh nhiệt độ đặt của các bộ điều chỉnh theo kinh nghiệm thường thiếu chính xác. Nếu máy cán ngừng hoặc nhịp độ làm việc chậm lại mà nhiệt độ lị khơng giảm thích họp, sẽ dẫn đến tăng lượng kim loại bị o xy hố.
Ngược lại, nếu nhiệt độ lị giảm quá mức dẫn tới thời gian nung lâu, lượng kim loại bị o xy hố cũng tăng. Vì những lý do trên, trong những hệ thống điều khiển lị nung liên tục hiện nay, người ta xây dựng những khâu hiệu chỉnh nhiệm vụ ( giá trị đặt ) cho các hệ thống điều chỉnh nhiệt độcác vùng ( cũng như với hệ thống điều chỉnh áp suất), tuỳ theo nhịp độ cán hoặc năng suất lị.
Đứng về mặt tự động hố, lị nung liên tục là đối tượng cĩ thơng số phân bố rãi. Nung kim loại là một quá trình liên tục, các phơi nung được chuyển dịch từ đầu vào qua các vùng sấy, vùng nung, và vùng đồng nhiệt. Đại lượng điều chỉnh, nhiệt độ lị trong các vùng phân bố theo khơng gian và tác đọng theo chiều dài của vùng đồng thời lên tất cả các phơi ở những nhiệt độ khác nhau nằm trong vùng đĩ. Khi nhịp độ cán khơng đều, trạng thái nhiệt độ của từng thỏi theo khơng gian cũng sẽ khác nhau. Cho nên trong các hệ thống này, điều quan trọng và cơ bản nhất là theo dõi được nhiệt độ của từng thỏi trong quá trình nung để từ đĩ làm cơ sở tính tốn, xây dựng được mơ hình điều khiển chế độ nhiệt.
Để thoe dõi được nhiệt độ của từng phơi, mổi thỏi khi bắt đầu được đưa vào lị
đều được đánh số và được mở một lý lịch riêng để thay đổi sự thay đổi nhiệt độ trong suốt quá trình nung. Trong lý lịch đĩ, các số liệu ban đầu cần ghi rõ: Mác thép, các kích thước hình học, các yêu cầu chất lượng nung.
Vấn đề tính tốn sự phân bố nhiệt độ trong từng thỏi trong qua trình nung là hết sức phức tạp, thu hút được nhiều sự chú ý nghiên cứu của nhiều tác giả, nhiều cơ quan thiết kế và đến nay chưa được giải quyết đầy đủ. Do đĩ, đồ án này cũng chí
đề cập những nét chủ yếu nhằm đặt vấn đề cho những quá trình tìm hiểu sâu hơn
4.2. Thiết kế bộ điều khiển cho đối tượng là lị nung.
4.2.1 Mơ hình đối tượng tốn học của đối tượng cơng nghiệp
4.2.1.1 Hàm truyền của đối tượng.
4.2.1.2 Chọn thiết bị đo nhiệt độ.
Đối tượng ở đây là lị nhiệt do vậy ở đây em chọn thiết bị đo là cạp nhiệt điện:
a. Nguyên lý làm việc:
Cặp nhiệt điện là một cảm biến nhiệt độ, chuyển tín hiệu điện sang tín hiệu điện áp dựa trên hiện tượng nhiệt điện.
b. Chọn cặp nhiệt điện:
Các cặp nhiệt điện được gọi là tiêu chuẩn nếu cĩ tính thay thế cao, nghĩa là các cặp nhiệt cùng loại mà cĩ nguồn gốc xuất xứ khác nhau đều cĩ hể thay thế cho nhau. Sau đây là tình chất cơ bản của của một số cặp nhiẹt điện đĩ. ở đây tồn tại khái niệm: Đo ngán hạn và đo dài hạn. Đo ngán hạn là đo cảm biến chỉ nhúng vào mơi trường đo khơng lâu, thơng thường mỗi lần đo khơng quá vài giờ. Cịn đo dài hạn thì cảm biến đo cắn cố định vào trong mơi trường đo.
Đế đáp ứng được những yêu cầu đạt ra ở đây em chọn thiết bị đo nhiệt độ là: Cặp nhiệt điện: Platinordi- Platin (ký hiệu nn -1, PtRh hoặc S)
Dây dương là họp kim 90%Pt + 10%Rh, dây âm 100%Pt. Nhiệt độ cực đại khi
đo dài hạn là 1300°c, cịn đo ngắn hạn lên đến 1600°c . Đặc tuyến của PtRh là phi tuyến tính, E(100 0)= 0.643 mV; E(600 500)= 1.002 mV; E(1000 900)= 1.136 mV;
E(130O 1200)= 1-206 mV và E(1300 0)= 13.129 mV. Đây là kim loại quý, đắt
tiền, vì vậy
các dây điện cực chế tạo trong cơng nghiệp cĩ đường kính nhỏ từ 0,35 đến 0,5 mm phụ thuộc vào độ dài can nhiệt điện.
Cặp nhiệt điện Platinordi- Platin cĩ độ chính xác cao nên sử dụng làm cặp nhiệt điện mẫu. Khi t < 300°c, AE = +0,01 mV cịn khi nhiệt độ t > 300°c sai số đo được xác định theo cơng thức:
~(5k ca JêX fìỉịỊÙnh: (Điều khiên tư ĩtồnụ
Đưa về vịng phản hồi -1 ta được:
K M = K Ắ P K Ắ P ) = 125.0,008- 60. p 220P + 1 ' e 1 - 60.P 220P + 1 ' e
Ta thực hiện quy đổi thành phần e 60 p sang dạng khâu quán tính bậc nhất ta được hàm tryền cĩ dạng như sau:
wdll(p)=---!--- (220P + 1)(60.P + 1) Trong đĩ hằng số thời gian lớn là: T, = (s);
4.2.2.2 Thiết kê bộ điều khiển tương tự (PI).
Vì đối tượng là khâu quán tính bậc nhất cĩ trễ nên em chọn bộ điều khiển cho đối tượng là khâu PI, và thực hiện thiết kế theo tiêu chuẩn phảng. Các bước thiết kế bộ điều khiển được trình bày như sau:
Trong đĩ ta cĩ: Tn = T, = 220
X = 2.K.T =2.1.60= 120 Vậy bộ điều khiển cĩ dạng: Wdc(p) =
220.P + 1 120.P
So đồ cấu trúc với bộ điều khiển PI tương tự
Với tín hiệu vào là x(t) = 10 tq thu được kết quả như sau:
~(5k ca JêX íỉỉựành: rf)iỉn hhiên tư ĩtồnụ
Đặc tính đối tượng khi cĩ BĐK PI kinh điển
4.2.3 Thiết kê bộ điều khiển mờ
4.2.3.1 Thiết kê bộ điều khiển mờ tĩnh Sơ đồ cấu trúc như sau:
Oaln2
Scope3
Miền giá trị vật lý của các biến ngơn ngữ nhu sau:
Sai lệch E được chọn trong miền giá trị từ -3đến 10 Sai lệch Udk được chọn trong miền giá trị từ -5 đến 20
a. Sơ lượng tập mờ
E e {E1 ,E2,E3,E4,E5}
I-Iie tdic viewFIS Variables Membership tunction plotsplot points:
mm
inpul variable He" Curre ntVati able Name Type Rang 1-3101 1-3101 Current Membeíship Function (cíck on MF to select) Name Type Help H Renaming MF 5 lo "E5"
c. Hàm liên thuộc của Udk cĩ dạng:
~(5k ca JêX íỉỉựành: rf)iỉn hhiên tư ĩtồnụ Fíe Eđit View
FIS Variables Mernbership íunction plotspk)t pomts: [ 181
output variable "u” Current Vaiiable
Name Type
Currenl Membership Funclion (click on MF lo selecl) Typ e Renaming MF 5 lo ‘’Udk5" d. Xây dựng các luật điều khiển
*) Rule Editor: avsFile Edit View Options |fn]f~x~
RI: nếu E = E1 thì Udk = Udkl R2: nếu E = E2 thì Udk = Udk2 R3 nếu E = E3 thì Udk = Udk3 R4: nếu E = E4 thì Udk = Udk4 R5: nếu E = E5 thì Udk = Udk5 R6: nếu E = E5 thì Udk = Udk4 R7: nếu E = E4 thì Udk = Udk5 R8: nếu E = E3 thì Udk = Udk2 R9: nếu E = E2 thì Udk = Udk3 R10: nếu E = E1 thì Udk =
e. Ta cĩ quan hệ của tín hiệu vào và ra như hình vẽ
(mamdani) ~(5k ca JêX íỉỉựành: rf)iỉn hhiên tư ĩtồnụ
Chọn luật hợp thành là max- min Chọn phương pháp giải mờ centroid Cụ thể như sau: FIS Na And metho d Or metho d "3 ■ Curren t Variabl e Name Ready
Sau khi thiết kế và chạy thử ta thu được kết quả như sau:
Đặc tinh của đối tượng với BĐK mờ tĩnh
4.2.3.2 Thiết kê bộ điều khiển mờ động, a. Sơ đồ cấu rúc cĩ dạng như sau:
Miền giá trị vật lý của các biến ngơn ngữ đầu vào
Sai lệch E được chọn trong miền giá trị từ -0.1 đến 10 Sai lệch D được chọn trong miền giá trị từ -0.08 đến 0,003
Sai lệch Udk được chọn trong miền giá trị từ -0.1 đến
Scope3
~(5k ca JêX íỉỉựành: rf)iỉn hhiên tư ĩtồnụ E e {E1,E2,E3,E4,E5} E e {D1,D2,D3,D4,D5} FIS Variables E Udk XX
Membership tunction plotsplot points:
Curren t Variabl e Name Type E input I [-0110] I [- Currenl Membership Function (click on MF lo selecl) Name Type E 1 [-0 05151.57] Help u
d. Hàm liên thuộc của D cĩ dạng:
File Edit View FIS Variables
D
Membership tunction plotsplot points:181
Current Membership Function (click on MF to select) D1 Ty pe Pa ra zmf 3 [-0.04011 -0.01971] Help Close e. Hàm liên thuộc của Udk cĩ dạng:
File Edit View
Current Membership Function (cliek on MF to select) Udk1 Ty pe Pa ra í 2mf Help Close
~(5k ca JêX fìỉịỊÙnh: (Điều khiên tư ĩtồnụ
Cụ thế như sau:
RI: nếu E = E1 và D = DI thì ưdk = ưdkl R2: nếu E = E2 và D = D2 thì Udk = Udk2 R3: nếu E = E3 và D = D3 thì Udk = Udk3 R4: nếu E = E4 và D = D4 thì Udk = Udk4 R5: nếu E = E5 và D = D5 thì Udk = Udk5 R6: nếu E = E5 và D = D4 thì Udk = Udk5 R7: nếu E = E4 và D = D5 thì ưdk = Ưdk4 R8: nếu E = E3 và D = D2 thì Udk = Udk2 R9: nếu E = E3 và D = D2 thì Udk = Udk3 R10: nếu E = E2 và D = D3 thì Udk = Udk3 RI 1: nếu E = E2 và D = D3 thì Udk = Ưdk2 R12: nếu E = E1 và D = D2 thì Udk = Ưdk2 R13: nếu E = E1 và D = D2 thì ưdk = Udkl RI4: nếu E = E2 và D = DI thì ưdk = Udk2 R15: nếu E = E3 và D = D4 thì Udk = Udk4 R16: nếu E = E4 và D = D3 thì ưdk = Udk3 Chọn luật hợp thành là max- min
Chọn phương pháp giải mờ centroid
Ta cĩ quan hệ của tín hiệu vào và ra nhu hình vẽ