3.1.1. Cấu hình phần cứng
Bài toán điều khiển nhiệt độ lò nung bao gồm bài toán điều khiển lƣu lƣợng dầu, điều khiển lƣu lƣợng khí đốt của cả 4 vùng nung. Do đó cần phải có các thiết bị đo và các thiết bị chấp hành tƣơng ứng. Mỗi vùng có hai thiết bị đo nhiệt độ (can nhiệt) đặt ở hai bên lò, 1 thiết bị đo lƣu lƣợng dầu, 1 thiết bị đo lƣu lƣợng
Đào Đăng Hải Nghiên cứu khảo sát và tích hợp dây chuyền sản xuất dâu điện từ CTCP Ngô Han
khí đốt và 1 thiết bị đo lƣu lƣợng khí thừa trong lò. Mỗi vùng cũng có 1 van điều khiển lƣu lƣợng dầu và 1 van điều khiển lƣu lƣợng khí. Vậy tổng cộng cả 4 vùng có 20 đầu vào tƣơng tự và 8 đầu ra tƣơng tự.
Căn cứ trên bài toán điều khiển đã đặt ra và số lƣợng đầu vào, đầu ra (gồm các thiết bị đo, thiết bị chấp hành) ta lựa chọn cấu hình phần cứng của hệ thống điều khiển. Cấu hình điều khiển đƣợc lựa chọn ở đây dựa trên các module có sẵn của nhà máy, gồm có các module sau:
- Một module nguồn nuôi PS307 2A: 6ES 307-1BA00-0AA0. - Một module CPU 314: 6ES7 314-1AG14-0AB0.
- Ba module đầu vào tƣơng tự AI8x12bit : 6ES7 331-7KF02-0AB0. - Ba module đầu ra tƣơng tự: AO4x12bit: 6ES7 332-5HD01-0AB0.
Vậy cấu hình hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung (đƣợc bố trí trên Rack) nhƣ sau:
Hình 3.1. Cấu trúc trạm PLC của hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung
Tiếp theo vào phần mềm Step 7, vào mục Hardware để thiết lập cấu hình cứng cho trạm PLC. Sau khi thiết lập xong ta đƣợc cấu hình cứng của trạm PLC (bao gồm số lƣợng và tên cụ thể của từng module) nhƣ sau:
PS CPU 314 AI 1 AI 2 AI 3 AO AO AO 1 2 3 Các thiết bị đo: nhiệt độ, lƣu lƣợng… Các thiết bị chấp hành: van điều khiển
Đào Đăng Hải Nghiên cứu khảo sát và tích hợp dây chuyền sản xuất dâu điện từ CTCP Ngô Han
Hình 3.2. Cấu hình cứng của trạm PLC điều khiển nhiệt độ lò nung
3.1.2. Bảng địa chỉ các đầu vào-ra
Sau khi xây dựng cấu hình cứng của trạm PLC điều khiển nhiệt độ lò nung, tiếp theo cần xác định địa chỉ vào ra của các biến quá trình.
Bài toán điều khiển của ta chủ yếu là điều khiển với các tín hiệu tƣơng tự, nghĩa là tín hiệu vào là nhiệt độ, lƣu lƣợng dầu, lƣu lƣợng khí đƣợc đƣa tới bộ điều khiển xử lý và đƣa tín hiệu ra tới các van điều khiển (dạng van bƣớm điều khiển bằng thủy lực khí nén) nhƣ các van khí và van dầu.
Các đầu vào/ra số là công tắc, nút nhấn, đèn báo, động cơ…của nhà máy thì đối với bài toán điều khiển quá trình này, để đơn giản, ta bỏ qua với các đầu vào/ra số.
3.1.2.1. Các đầu vào tƣơng tự
Các đầu vào tƣơng tự là các thiết bị đo của các vùng, bao gồm: Thiết bị đo nhiệt độ, thiết bị đo lƣu lƣợng (đo lƣu lƣợng dầu, khí đốt và khí thừa trong lò).
Đào Đăng Hải Nghiên cứu khảo sát và tích hợp dây chuyền sản xuất dâu điện từ CTCP Ngô Han
nhiệt để dự phòng, nếu trƣờng hợp can nhiệt nào đó lỗi thì tự động chuyển sang sử dụng can nhiệt còn lại. Can nhiệt đƣợc đƣa qua bộ chuyển đổi đo để có tín hiệu chuẩn 4÷20mA đƣa tới các module tƣơng tự AI.
Các đầu vào tƣơng tự đƣợc đƣa tới 3 module đầu vào tƣơng tự AI8x16bit và đƣợc định địa chỉ nhƣ bảng dƣới đây:
Bảng 3.1. Bảng địa chỉ đầu vào tương tự
STT Thiết bị đầu vào Tên thiết bị Hãng sản xuất Địa chỉ
1 Thiết bị đo nhiệt độ vùng 1 (trái) DK -1181K DK – Hàn Quốc PIW256
2 Thiết bị đo nhiệt độ vùng 1 (phải) DK -1181K DK – Hàn Quốc PIW258
3 Thiết bị đo nhiệt độ vùng 2 (trái) DK -1181K DK – Hàn Quốc PIW260
4 Thiết bị đo nhiệt độ vùng 2 (phải) DK -1181K DK – Hàn Quốc PIW262
5 Thiết bị đo nhiệt độ vùng 3 (trái) DK -1181K DK – Hàn Quốc PIW264
6 Thiết bị đo nhiệt độ vùng 3 (phải) DK -1181K DK – Hàn Quốc PIW266
7 Thiết bị đo nhiệt độ vùng 4 (Trái) DK -1181K DK – Hàn Quốc PIW268
8 Thiết bị đo nhiệt độ vùng 4 (Phải) DK -1181K DK – Hàn Quốc PIW270
9 Thiết bị đo lƣu lƣợng dầu vùng 1 Puisi K600/3 Puisi – Italia PIW272
10 Thiết bị đo lƣu lƣợng khí vùng 1 S420 Cs-itec - Duc PIW274
11 Thiết bị đo lƣu lƣợng dầu vùng 2 Puisi K600/3 Puisi – Italia PIW276
12 Thiết bị đo lƣu lƣợng khí vùng 2 S420 Cs-itec - Duc PIW278
13 Thiết bị đo lƣu lƣợng dầu vùng 3 Puisi K600/3 Puisi – Italia PIW280
14 Thiết bị đo lƣu lƣợng khí vùng 3 S420 Cs-itec - Duc PIW282
15 Thiết bị đo lƣu lƣợng dầu vung 4 Puisi K600/3 Puisi – Italia PIW284
16 Thiết bị đo lƣu lƣợng khí vùng 4 S420 Cs-itec - Duc PIW286
17 Thiết bị đo khí đốt thừa ở vùng 1 IMR 1000 IMR –Mỹ PIW288
18 Thiết bị đo khí đốt thừa ở vùng 2 IMR 1000 IMR –Mỹ PIW290
19 Thiết bị đo khí đốt thừa ở vùng 3 IMR 1000 IMR –Mỹ PIW292
Đào Đăng Hải Nghiên cứu khảo sát và tích hợp dây chuyền sản xuất dâu điện từ CTCP Ngô Han
3.1.2.2. Các đầu ra tƣơng tự
Các đầu ra tƣơng tự trong bài toán điều khiển ở đây chính là các van chấp hành. Đây là loại van bƣớm đƣợc điều khiển bằng thủy lực khí nén. Van chấp hành gồm hai loại là van điều khiển lƣu lƣợng khí đốt, van điều khiển lƣu lƣợng dầu và van điều khiển khí hóa mù dầu. Vậy ta có bảng địa chỉ đầu ra tƣơng tự nhƣ sau:
Bảng 3.2. Bảng địa chỉ đầu ra tương tự
3.2. Thiết bị và phần mềm hỗ trợ lập trình
Để thực hiện chƣơng trình điều khiển và giám sát nhiệt độ lò nung thì bên cạnh cấu hình cứng 1 trạm PLC đƣợc nêu ở trên, ta cần phải có các thiết bị lập trình và chuyền thông.
3.2.1. Thiết bị lập trình
Thiết bị lập trình đƣợc sử dụng ở đây là máy tính PC có thể cài đặt đƣợc 2 phần mềm đƣợc sử dụng là hai phần mềm mới nhất hiện nay của hãng Seimen:
STT Thiết bị đầu ra Tên thiết bị Hãng sản xuất
Địa chỉ
1 Van điều khiển lƣu lƣợng dầu vùng 1 RAF 88 Rafeel –Duc PQW304 2 Van điều khiển lƣu lƣợng dầu vùng 2 RAF 88 Rafeel –Duc PQW306 3 Van điều khiển lƣu lƣợng dầu vùng 3 RAF 88 Rafeel –Duc PQW308 4 Van điều khiển lƣu lƣợng dầu vùng 4 RAF 88 Rafeel –Duc PQW312 5 Van điều khiển cấp khí vùng 1 KFM Cs-itec - Duc PQW314 6 Van điều khiển cấp khí vùng 2 KFM Cs-itec - Duc PQW316 7 Van điều khiển cấp khí vùng 3 KFM Cs-itec - Duc PQW318 8 Van điều khiển cấp khí vùng 4 KFM Cs-itec - Duc PQW320
Đào Đăng Hải Nghiên cứu khảo sát và tích hợp dây chuyền sản xuất dâu điện từ CTCP Ngô Han
- Phần mềm Step7 v5.5 có dung lƣợng 1.11 GB. - Phần mềm WinCC 7.0 sp2 có dung lƣợng 5.4 GB.
Nhƣ vậy với đa số các máy tính có cấu hình trung bình nhƣ hiện nay đều có thể cài đặt đƣợc (Pentium4, Ram1GB, HDD còn trống hơn 8GB). Để cài bản WinCC 7.0 sp2 thì yêu cầu hệ điều hành là bản 32 bit (có thể cài trên Winxp hoặc Window 7).
3.2.2. Thiết bị ghép nối chuyền thông
Để có thể kết nối trạm PLC với máy tính PC thì cần phải có thiết bị ghép nối chuyền thông.
Các thiết bị ghép nối chuyền thông đƣợc sử dụng là: - Một cáp chuyền thông theo giao thức MPI.
- Một Card CP5611 (32 bit) để kết nối PC với PLC S7-300 thông qua giao thức MPI.
Hình 3.3. Kết nối PLC với PC
3.3. Thiết kế phần mềm điều khiển
3.3.1. Cấu trúc điều khiển nhiệt độ của lò nung.
Điều khiển nhiệt độ lò nung tức là điều khiển nhiệt độ từng vùng lò nung. Lò có 4 vùng: vùng 1 (vùng sấy), vùng 2 (vùng nung), vùng 3 và vùng 4 (vùng đồng nhiệt).
Cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt độ của vùng thứ i (i=1,2,3,4) của lò nung đƣợc biểu diễn nhƣ trong hình 3.4.
PLC S7-300 PC MPI RS485 CP5611
Đào Đăng Hải Nghiên cứu khảo sát và tích hợp dây chuyền sản xuất dâu điện từ CTCP Ngô Han
Hình 3.4. Cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung
Hệ thống điều khiển sử dụng hai bộ điều khiển:
-Bộ điều khiển PID là bộ điều khiển chính đƣợc sử dụng để điều khiển van dầu. Giá trị nhiệt độ của vùng i đƣợc cảm biến CB (can nhiệt) đo đƣợc và so sánh với giá trị nhiệt độ đặt. Sai lệch này đƣợc bộ điều khiển PID xử lý và điều khiển van dầu.
-Bộ điều khiển van không khí (hình 3.4) là bộ điều khiển tỷ lệ có bù để chế độ cháy hoàn toàn.
Tín hiệu điều khiển van dầu qua bộ điều khiển tỷ lệ Ktl. Đồng thời cảm biến đo không khí dƣ CBKK trong lò sẽ đƣợc nhân với hệ số bù nhiệt độ. Tổng hợp hai tín hiệu này để điều khiển van không khí.
3.3.3. Thiết kế chƣơng trình điều khiển trên nền STEP 7.
Chƣơng trình điều khiển nhiệt độ lò nung bao gồm việc đọc các tín hiệu đầu vào tƣơng tự nhƣ nhiệt độ, lƣu lƣợng dầu, lƣu lƣợng khí và điều khiển lƣu lƣợng dầu, lƣu lƣợng khí để đầu ra là nhiệt độ lò đạt yêu cầu công nghệ và tiết kiệm chi phí nhất.
Điều khiển nhiệt độ lò nung, tức là điều khiển nhiệt độ 4 vùng lò nung ổn định tại một giá trị định trƣớc. Để viết chƣơng trình điều khiển trƣớc hết cần xây dựng lƣu đồ thuật toán điều khiển nhiệt độ lò nung.
Đào Đăng Hải Nghiên cứu khảo sát và tích hợp dây chuyền sản xuất dâu điện từ CTCP Ngô Han
3.3.3.1. Lƣu đồ thuật toán điều khiển nhiệt độ lò nung Khối OB35:
OB35 (Cylic Interrupt): Chƣơng trình trong OB35 sẽ đƣợc thực hiện cách đều nhau một khoảng thời gian cố định. Mặc định, khoảng thời gian này sẽ là 100ms, song ta có thể thay đổi nó trong bảng tham số của module CPU nhờ phần mềm STEP7.
Toàn bộ chƣơng trình đƣợc viết trong OB35. Thời gian trích mẫu T (mặc định T=100ms) có thể thay đổi đƣợc bằng cách vào phần mềm Step7, cài đặt theo yêu cầu công nghệ (T=20ms).
Chƣơng trình điều khiển sẽ thực hiện tuần tự theo lƣu đồ thuật toán nhƣ sau: Lƣu đồ thuật toán điều khiển nhiệt độ các vùng lò:
START
END
Điều khiển nhiệt độ vùng 1
Điều khiển nhiệt độ vùng 2
Điều khiển nhiệt độ vùng 3
Điều khiển nhiệt độ vùng 4
Được viết trong khối
Đào Đăng Hải Nghiên cứu khảo sát và tích hợp dây chuyền sản xuất dâu điện từ CTCP Ngô Han
Thuật toán điều khiển nhiệt độ các vùng lò hoàn toàn tƣơng tự nhau. Thuật toán đƣợc thực hiện tuần tự: Từ việc xử lý tín hiệu đo để đƣa ra tín hiệu quá trình, sau đó tín hiệu quá trình đƣợc tính toán điều khiển để đƣa ra tín hiệu điều khiển van dầu. Và cuối cùng tín hiệu điều khiển van dầu đƣợc tính toán để đƣa ra tín hiệu điều khiển van không khí.
Lƣu đồ thuật toán điều khiển nhiệt độ các vùng lò (i=1÷4) nhƣ sau:
Lƣu đồ thuật toán ở trên có hai hàm FC(i), FC(i+4) tự tạo. Hàm FC(i) có chức năng lựa chọn cảm biến đo (lựa chọn can nhiệt đƣợc sử dụng) để đƣa ra tín hiệu quá trình.
START
Xử lý tín hiệu đo để đƣa ra tín hiệu quá trình (PV)
Tính toán thực hiện điều
khiển PID
Xử lý tín hiệu điều khiển van dầu
Xử lý tín hiệu điều khiển van không khí END Gọi khối FC(i) Gọi khối FB41 Gọi khối FC106 Gọi khối FC(i+4) Lưu đồ thuật toán điều khiển nhiệt độ vùng i
Đào Đăng Hải Nghiên cứu khảo sát và tích hợp dây chuyền sản xuất dâu điện từ CTCP Ngô Han
a. Lƣu đồ thuật toán của hàm FC(i): với i=1÷4
Lƣu đồ chƣơng trình xử lý tín hiệu nhiệt độ các vùng của lò nung để đƣa vào bộ điều khiển. Mỗi vùng đều có hai cặp nhiệt để đo nhiệt độ, một để sử dụng và một để dự phòng nếu can nhiệt nào đó bị lỗi. Giá trị của hai cặp nhiệt đƣợc so sánh với nhau và giá trị lớn hơn đƣợc coi là giá trị đúng và đƣợc chuyển vào bộ điều khiển. Gọi giá trị đo và sau khi xử lý của cặp nhiệt thứ nhất của vùng nung là PV1. Giá trị đo và sau khi xử lý của cặp nhiệt thứ hai của vùng nung là PV2. Giá trị lấy làm tham số bộ điều khiển là PV, khi đó ta có lƣu đồ thuật toán sau:
Chƣơng trình điều khiển viết cho FC(i) đƣợc đặt ở phụ lục của luận văn.
Hàm FC(i+4) là hàm điều khiển tỷ lệ dầu/khí. Ở đây ta xem hệ số tỷ lệ này ktl đã
Đào Đăng Hải Nghiên cứu khảo sát và tích hợp dây chuyền sản xuất dâu điện từ CTCP Ngô Han
đƣợc tính toán tối ƣu và đƣợc nhập vào từ màn hình giám sát. Ngoài ra, để quá trình đốt cháy hiệu quả cần phải tính đến lƣợng không khí dƣ trong lò. Dƣới đây là lƣu đồ thuật toán điều khiển của hàm FC(i+4).
b. Lƣu đồ thuật toán của hàm FC(i): với i=1÷4
Cấu trúc điều khiển van khí đốt theo lƣu lƣợng dầu và khí thừa trong lò.
Hình 3.5. Cấu trúc điều khiển van không khí
Vì lƣu lƣợng khí đốt đƣợc điều khiển tỷ lệ theo lƣu lƣợng dầu. Do đó, tín hiệu ra của hàm FB41 là LMN sẽ là tín hiệu vào của FC106 (ký hiệu là IN1). Ngoài ra để quá trinh đốt cháy hoàn toàn thì cần tính đến lƣu lƣợng khí thừa (ký hiệu là IN2) trong lò theo nhƣ sơ đồ ở trên. Đầu ra OUT đƣợc đƣa đến van điều khiển khí đốt.
Tín hiệu IN1 qua khâu tỷ lệ đƣợc tín hiệu ra u1. Tín hiệu vào IN2 qua khâu FC105, Kb cho tín hiệu ra ub. Tổng hợp u1-ub=u. Tín hiệu tổng hợp u1 đƣợc đƣa qua FC106 đến đầu ra OUT điều khiển van khí đốt.
Đào Đăng Hải Nghiên cứu khảo sát và tích hợp dây chuyền sản xuất dâu điện từ CTCP Ngô Han
Sau khi có lƣu đồ thuật toán ta vào phần mềm Step7 để lập trình. Ngôn ngữ lập trình đƣợc sử dụng là STL. Toàn bộ chƣơng trình đƣợc đặt ở phần phụ lục của luận văn.
3.4. Thiết kế phần mềm giám sát 3.4.1. Yêu cầu thiết kế 3.4.1. Yêu cầu thiết kế
Thiết kế giao diện HMI để điều khiển nhiệt độ lò nung gồm 3 phần: phần điều
START END Đọc tín hiệu ra từ PID Tính u1 Đọc tín hiệu ra từ cảm biếnđo O2 Tính toán ub Tính toán u Đƣa ra van chấp hành khí Lưu đồ thuật toán FC(i)
Đào Đăng Hải Nghiên cứu khảo sát và tích hợp dây chuyền sản xuất dâu điện từ CTCP Ngô Han
khiển, phần giám sát và phần cảnh báo. Các vùng lò nung đƣợc thiết kế giống nhau và đều có các yêu cầu nhƣ sau:
Về phần điều khiển phải đặt đƣợc nhiệt độ, đặt đƣợc các tham số bộ điều khiển PID, đặt đƣợc hệ số tỷ lệ dầu/khí và đặt đƣợc hệ số bù lƣợng khí dƣ trong lò.
Về phần giám sát phải thể hiện đƣợc sự thay đổi nhiệt độ của quá trình và đƣợc biểu diễn bằng đồ thị và bằng số. Lƣu lƣợng dầu và lƣu lƣợng khí cũng phải đƣợc giám sát và cảnh báo thƣờng xuyên.
Về cảnh báo phải cảnh báo đƣợc tình trạng thiết bị (lỗi hay không lỗi), cảnh báo nếu nhƣ nhiệt độ lò, lƣu lƣợng dầu và lƣu lƣợng khí đốt, lƣu lƣợng khí thừa trong lò quá cao hoặc quá thấp.
3.4.2. Thiết kế giao diện HMI
Từ yêu cầu về thiết kế giao diện HMI để điều khiển và giám sát nhiệt độ lò nung ở trên, ta đi vào việc thiết kế giao diện.
Giao diện đƣợc thiết kế gồm các trang màn hình nhƣ sau: Màn hình tổng quan khu vực lò nung OVERVIEW, 4 màn hình điều khiển và giám sát cho 4 vùng lò