Hình 4.11. Sơđồ hệ thống điều khiển
Hình 4.12. Sơđồ nguyên lý hệ thống điều khiển tinh luyện thép điệ xỉ
* Trong hệ thống điều khiển bộđiều khiển PLC đọc các tín hiệu
Tín hiệu tương tự (analog input) gồm:
- Tín hiệu tỉ lệ với dòng điện đi qua điện cực; - Tín hiệu tỉ lệ với điện áp cấp vào điện cực.
Tín hiệu số (digital input) gồm:
- Tín hiệu dưới dạng xung từ bộ cảm biến tốc độ tỉ lệ với tốc độ di chuyển nâng hạ điện cực;
- Các tín hiệu khác như đóng cắt nguồn, động cơ; tín hiệu báo trạng thái làm việc của thiết bị.
BT
HMI
Mạch ĐK PLC
Tín hiệu từ màn hình HMI gồm:
- Giá trị đặt tốc độ nấu chảy thỏi liệu;
- Giá trị đặt tương đối cho điện áp và dòng điện điện cực ; - Giá trị điện trở lớp xỉ.
* Các tín hiệu từ bộđiều khiển PLC đưa ra đểđiều khiển thiết bị
Tín hiệu ra tương tự (analog output):
- Tín hiệu tương ứng với tốc độ điện cực yêu cầu cấp vào biến tần để từ đó biến tần đưa ra các tham số thích hợp điều khiển;
- Tín hiệu đặt cho bộ điều chỉnh điện áp đầu vào cấp cho điện cực.
Tín hiệu ra số (digital output):
- Tín hiệu đóng cắt thiết bị động lực như nguồn điện cấp cho điện cực, động cơ dẫn động điện cực...
- Tín hiệu báo trạng trái, tình trạng thiết bị.
Tín hiệu đưa lên màn hình HMI
- Giá trị đặt và giá trị thực của các tham số điều khiển như dòng, áp tốc độ.
3. Mô tả hoạt động và chức năng từng khối điều khiển
Hệ thống điều khiển thực hiện việc điều chỉnh theo vận tốc nấu chảy kim loại, theo điện trở của lớp xỉ, theo dòng điện và điện áp lớp xỉ. Trong chương trình có đặt vận tốc nấu chảy thỏi liệu, điện trở của lớp xỉ, dòng điện và điện áp cấp cho điện cực. Khi vận tốc thực chênh lệch so với vận tốc đã cho thì sẽ tiến hành đồng thời việc hiệu chỉnh giá trị đặt cường độ dòng điện và điện áp của lò sao cho tỷ số điện áp lớp xỉ trên cường độ dòng điện bằng giá trị điện trở cho trước. Khi đó sự thay đổi công suất cấp cho lớp xỉ đảm bảo tốc độ nấu chảy thỏi liệu tối ưu được đặt ra trong chương trình.
3.1 Khối điều khiển, ổn định điện áp lớp xỉ
Trong khối điều khiển điện áp cấp cho điện cực giá trị phản hồi điện áp E tỉ lệ với điện áp nguồn cấp cho điện cực lấy từ biến áp cách lý được đo giữa tấm đáy và điện cực ở bề mặt lớp kết tinh liên tục được so sánh với giá trị đặt của điện áp xỉ Eз lấy từ đầu ra tương tự (analog output) của bộ điều khiển PLC (trong chế độ tự động điều chỉnh theo tham số công nghệ), hay từ chiết áp (trong chế độ hiệu chỉnh bằng tay). Từ tín hiệu sai lệch giữa giá trị đặt và giá trị thực đo được, mạch điều khiển sẽ tạo ra các xung khiển với các thời điểm khác nhau tương ứng với giá trị sai lệch. Mạch điều khiển làm việc ở chế độ phản hồi âm. Với chế độ này, khi điện áp phải hồi về lớn hơn giá trị điện áp đặt, mạch điều khiển tự động thay đổi thời điểm phát xung để giảm góc mở của điện áp và do đó sẽ giảm điện áp cấp vào. Trường hợp điện áp phản hồi về nhỏ hơn điện áp giá trị đặt, mạch điều khiển sẽ tự động thay đổi thời điểm phát xung để tăng góc mở của điện áp và do đó sẽ làm tăng điện áp cấp cho điện cực.
Với hệ thống điều khiển làm việc theo nguyên lý phản hồi âm sẽ bảo đảm triệt tiêu được sai lệch giữa giá trị điện áp đặt Eз với giá trị điện áp thực phản hồi về E tức là đảm bảo điều kiện:
0
→ −E
Eз (4.1)
Từ đó dẫn tới điện áp cấp cho điện cực ổn định bám theo giá trị điện áp đặt.
Hình 4.13. Lưu đồ thuật toán điều khiển, ổn định điện áp điện cực START ESS>0 Tăng góc mở з E – E := ESS END N Y Giảm góc mở ESS<>0 N
3.2 Chương trình điều khiển, ổn định dòng điện qua điện cực
Đối với phần điều khiển ổn định dòng điện cấp cho điện cực ta thực hiện điều khiển gián tiếp thông qua tốc độ và chiều chuyển động của điện cực, từ đó thay đổi, ổn định khoảng cách giữa điện cực và bình kết tinh. Khi khoảng cách điện cực thay đổi và ổn định sẽ dẫn tới dòng điện qua điện cực cũng thay đổi và ổn định theo. Nguyên lý phần hệ thống điều khiển, ổn định dòng điện điện cực được chi tiết như sau:
Giá trị đặt làm việc của dòng điện Iзtheo công nghệ được nhập vào từ màn hình điều khiển, vận hành và từ đó được truyền và lưu vào vùng nhớ của PLC.
Giá trị dòng điện thực phản hồi về được lấy từ bộ cảm biến dòng điện điện cực, tín hiệu này được đưa đến đầu vào analog của bộ điều khiển PLC và lưu vào vùng nhớ cho giá trị đầu vào.
Bộ điều khiển PLC sẽ làm nhiệm vụ tính toán sai lệch giữa giá trị đặt và giá trị phản hồi của dòng điện. Thông qua thuật toán điều khiển CPU sẽ tính toán và đưa ra giá trị tỉ lệ với tốc độ lên xuống điện cực. Tín hiệu này sẽ được đưa đến đầu ra analog của modul AO(Analog Output) và cấp vào bộ điều khiển biến tần, thông qua bộ biến tần tác động tới động cơ điều khiển tốc độ lên xuống của điện cực.
Hệ thống điều khiển, ổn định dòng điện làm việc theo nguyên lý thuật toán phản hồi âm. Do đó, khi dòng điện I từ bộ cảm biến phản hồi về lớn hơn giá trị dòng điện đặt Iз thì tín hiệu ra cấp vào biến tần điều khiển tốc độ động cơ sẽ thay đổi làm giảm tốc độ động cơ và dẫn đến giảm tốc độ đi xuống điện cực và làm tăng khoảng cách điện cực từ đó làm giảm giá trị dòng điện qua điện cực. Khi dòng điện I từ bộ cảm biến phản hồi về nhỏ hơn giá trị đặt dòng điện đặt Iз thì tín hiệu cấp ra cấp vào biến tần điều khiển tốc độ động cơ sẽ thay đổi làm tăng tốc độ động cơ và dẫn đến tăng tốc đi xuống của điện cực.
Hình 4.14. Lưu đồ thuật toán điều chỉnh dòng điện cực START Đọc gt I Đọc gt Iз ISS>0 VZ - ∆V := VZ VZ + ∆V := VZ VZ<0 з I - I := ISS Đảo chiều động cơ 0 – VZ := VZ END N Y N Y
Với thuật toán điều khiển, ổn định dòng điện theo phương pháp phản hồi âm, điều khiển gián tiếp thông qua tốc độ lên xuống của điện cực sẽ đảm bảo được điều kiện:
0
→ − I
Iз (4.2)
Với phương pháp điều khiển này sẽ đảm bảo dòng điện qua điện cực ổn định và bám theo giá trị đặt mong muốn theo tham số công nghệ.
3.3 Chương trình điều khiển tốc độ nấu chảy thỏi liệu
Trong quá trình tinh luyện điện xỉ xảy ra hiện tượng:
- Điện cực nóng chảy, tiêu hao và là nguyên liệu trong quá trình tinh luyện, nên độ dài điện cực giảm dần dẫn đến điện trở của điện cực thay đổi;
- Quá trình tinh luyện lớp xỉ là nơi xảy ra các phản ứng hóa học nên dẫn đến thành phần lớp xỉ thay đổi và do đó dẫn đến điện trở của lớp xỉ luôn thay đổi trong qua trình tinh luyện.
Với các hiện tượng xảy ra ở trên trong quá trình tinh luyện tổng trở của điện cực và lớp xỉ luôn thay đổi. Do đó dẫn đến nhiệt độ lớp xỉ sẽ thay đổi và dẫn đến tốc độ nấu chảy thỏi liệu thay đổi.
Để ổn định tốc độ nấu chảy thỏi liệu ngoài việc ổn định giá trị dòng điện và điện áp theo giá trị đặt ban đầu, hệ thống điều khiển cần liên tục thay đổi giá trị đặt điện áp và dòng điện sao cho hệ thống ổn định được tốc độ nấu chảy thỏi liệu.
Trên cơ sở phân tích ở trên ta sẽ xây dựng chương trình thay đổi giá trị đặt cho điện áp và dòng điện để ổn định tốc độ nấu chảy thỏi liệu như sau:
Hình 4.15. Lưu đồ thuật toán điều khiển ổn định tốc độ nấu chẩy thỏi liệu START Đọc gt V V→ L LSS>0 з I + ∆I := Iз LZ – L := LSS END N Y з E =Iз* Rз з I - ∆I := Iз
Sử dụng bộ cảm biến vận tốc động cơ đo tốc độ di chuyển điện cực. Trong quá trình thiết bị làm việc, tín hiệu từ bộ cảm biến vận tốc dưới dạng xung sẽ được đưa tới đầu vào của bộ điều khiển PLC.
Bộ điều khiển PLC sẽ đọc giá trị này về và lưu vào vùng nhớ đệm. Trong chương trình điều khiển PLC giá trị vận tốc đó được quy đổi ra khoảng cách L mà điện cực dịch chuyển được trong khoảng thời gian τ0. Khoảng cách L liên tục được so sánh với khoảng cách Lзmà điện cực phải đi trong khoảng thời gian τэл(đã được tính toán trong chương trình). Từ giá trị sai lệch chương trình điều khiển với thuật toán điều khiển tối ưu sẽ thay đổi giá trị cài đặt của dòng điện Iзvà điện áp Eз một khoảng ∆Iк và ∆Eк sao cho tỷ số
з к з к з R I I E E = ∆ + ∆ + (4.3)
không thay đổi đối với giai đoạn nấu chảy này, còn tích
(Eз + ∆Eк)(Iз + ∆Iк)= Pз + ∆Pк (4.4)
Bảo đảm giảm bớt độ chênh lệch của các giá trị Lз và L trong biểu thức đảm bảo điều kiện
0
→ − L
Lз (4.5)
4. Nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển
Với mỗi dạng kích thước của lớp kết tinh, của điện cực, mác thép và xỉ bằng phương pháp thực nghiệm thống kê ta xác định tham số tối ưu cho tốc độ nấu chảy thỏi liệu và độ lớn điện trở của lớp xỉ.
Từ màn hình điều khiển người vận hành nhập các tham số công nghệ cho quá trình tinh luyện gồm tốc độ nấu chảy thỏi liệu và điện trở của lớp xỉ.
Với giá trị tốc độ nấu chảy thỏi liệu chương trình sẽ tự động tính toán được tốc độ dịch chuyển của điện cực hay chính là khoảng cách L điện cực phải dịch chuyển trong khoảng thời gian chu kỳ là τ0.
Với các tham số công nghệ về tốc độ nấu chảy và khoảng cách điện cực người vận hành xác định các tham số giá trị đặt tương đối cho cho điện áp Eз
và dòng điện Iз. Với các giá trị này người vận hành nhập vào màn hình điều khiển để từ đó các giá trị này sẽ được lưu vào bộ nhớ của bộ điều khiển PLC.
Sau khi các tham số công nghệ đã được cài đặt, xỉ lỏng với nhiệt độ theo công nghệ được rót vào bình kết tinh, thiết bị được cấp nguồn và đưa vào hoạt động.
Trong quá trình làm việc hệ thống điều khiển luôn tự động giữ ổn định giá trị điện áp và dòng điện điện cực ổn định và bám theo giá trị đặt điện áp
з
E và dòng điện Iз.
Đồng thời trong quá trình nấu chảy điện cực chương trình điều khiển tốc độ nấu chảy thỏi liệu thiết lập thông số cài đặt Lзcho chương trình điều khiển vận tốc, chương trình điều khiển này theo chu kỳ, cứ sau những khoảng thời gian bằng nhau τ0 so sánh Lз với L thực tế và tùy theo dấu của biểu thức
L L
Lз − =∆ mà giá trị đặt Iзcủa chương trình điều khiển cường độ dòng điện và Eзbộ điều khiển điện áp được thay đổisao cho sự thay đổi công suất
(Eз + ∆Eк)(Iз + ∆Iк)− EзIз = ∆Pк (4.6)
làm giảm giá trị ∆L, nghĩa là sự chênh lệch tốc độ nấu chảy thỏi liệu so với giá trị đã định bởi chương trình điều khiển tốc độ nấu chảy thỏi liệu. Lúc này tỷ số
з к з к з R I I E E = ∆ + ∆ + (4.7) là không đổi.
Như vậy, với chương trình cùng một lúc bảo đảm được cả việc điều chỉnh quá trình theo tốc độ nấu chảy thỏi liệu, lẫn việc ổn định và thay đổi giá trị đặt dòng điện, điện áp và công suất từ từ theo thời gian dẫn tới việc ổn định điện trở của lớp xỉ.
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
KẾT LUẬN
Trong thời gian làm luận án với đề tài “Xây dựng hệ thống điều khiển tinh luyện thép bằng phương pháp điện xỉ” tác giả đã thực hiện được các nội dung:
- Tìm hiểu về các phương pháp tinh luyện thép, phương pháp tinh luyện thép bằng phương pháp điện xỉ. Từ đó đánh giá ưu điểm của phương pháp điện xỉ so với các phương pháp khác.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số dòng điện, điện áp, tốc độ nấu chảy thỏi liệu tới chất lượng tinh luyện thép;
- Xây dựng một hệ thống điều khiển với các thuật toán để đáp ứng được yêu cầu công nghệ điện xỉ đặt ra.
Qua thời nghiên cứu phân tích và xây dựng hệ thống điều khiển cho qua trình tinh luyện thép bằng phương pháp điện xỉ tác giả thấy với sự phát triển vượt của khoa học như hiện nay đặc biệt ngành điều khiển tự động ta hoàn toàn có thể chế tạo được các thiết bị điện xỉ với hệ thống điều khiển đáp ứng chính xác được các tham số công nghệ yêu cầu. Từ đó tạo ra được các mác thép chất lượng cao phục vụ cho sản xuất, đặc biệt cho lĩnh vựng vật liệu quân sự.
ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
Hoàn thiện và ứng dụng hệ thống điều khiển đã được xây dựng trong luận văn cho thiết bị tinh luyện thép với đầy đủ các tham số công nghệ. Từ đó ứng dụng vào tinh luyện các sản phẩn thực tế và đánh giá chất lượng.
Với phần báo cáo kết quả luận văn và định hướng phát triển cho ứng dụng đã khép lại đề tài. Về cơ bản, luận văn đã đáp ứng được mục đích và yêu cầu đặt ra ban đầu khi định hướng. Một lần nữa em xin cảm ơn chân thành đến thầy hướng dẫn TS. Nguyễn Văn Hòa, các thầy cô trong bộ môn điều khiển tự động đã giúp đỡ tận tình để luận văn được hoàn thành.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt
1. Trần Văn Dy(2006) Kỹ thuật lò luyện thép, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật.
2. Bùi Văn Mưu (2006) Lý thuyết các quá trình luyện kim, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật
3. Nguyễn Văn Hòa (2001) Lý thuyết điều khiển tự động, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật.
4. Nguyễn Doãn Phước; Phan Xuân Minh; Vũ Vân Hà (2006) Tự Động hoá với SIMATIC S7-300, nhà xuất bản khoa học kỹ thuật
5. Nguyễn Doãn Phước (2007) Lý thuyết điều khiển tuyến tính, nhà xuất bản khoa học kỹ thuật.
6. Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh Điện tử công suất, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật
Tiếng Nga 7. Б.Е.Патон, Б.И. Медовар (1976) Электрощлаковые Литье, Киев Наукова Думка 8. Б.Е.Патон, Б.И. Медовар Г.А. Бойко (1981) Электрощлаковое Литье, Киев Наукова Думка 9. Ю И Медовар, Б.И. Медовар (1970) Электрощлаковоый Переплав Электрощлаковый переплавйздагеьотво, Киев Наукова Думка
TÓM TĂT LUẬN VĂN
Chất lượng quá trình tinh luyện điện xỉ có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng thép. Xây dựng hệ thống điều khiển cho quá trình tinh luyện điện xỉ nhằm ổn định các tham số điều khiển như dòng, áp, điện trở lớp xỉ, tốc độ nóng chảy điện cực từ đó nâng cao chất lượng quá trình tinh luyện. Mục tiêu của luận văn này là phân tích, đánh giá sự ảnh hưởng của của các tham số điều khiển tới chất lượng tinh luyện và xây dựng hệ thống điều khiển đáp ứng các yêu cầu đó.
Nội dung của luận văn được chia thành 4 chương với nội dung trình bày sơ lược trong từng chương như sau:
Chương 1 Tổng quan về quá trình trình tinh luyện thép trình bày sơ lược về quá trình tinh luyện thép và phân loại các phương pháp tinh luyện.
Chương 2 Tổng quan về quá trình tinh luyện thép bằng phương pháp
điện xỉ trình bày về thiết bị, công nghệ điện xỉ, ưu điểm và tình hình phát triển của phương pháp.