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 nung HEATING ZONE (thiết kế giống nhau) và các màn hình con PID, TREND, ALARM.
Từ trang màn hình tổng quan OVERVIEW ta có thể truy cập vào các trang con HEATING ZONE, rồi từ trang HEATING ZONE này ta có thể truy cập vào các trang con của nó nhƣ: PID, TREND hay ALARM.
Đào Đăng Hải Nghiên cứu khảo sát và tích hợp dây chuyền sản xuất dâu điện từ CTCP Ngô Han
3.4.2.1. Giao diện HMI tổng quan khu vực lò nung
Hình 3.6. Giao diện tổng quan khu vực lò nung
Mục đích thiết kế giao diện tổng quan khu vực lò nung để giúp ngƣời vận hành theo dõi tổng thể khu vực lò, bao gồm thông tin chung về phôi Đồng Cathod tấm( cân nặng, độ dài, tiết diện), hệ thống nạp phôi, hệ thống phân phối khí và lò nung. Các thiết kế nhƣ hình 3.8 đã thể hiện mục đích đó. Tuy nhiên, trong phạm vi của luận văn tác giả chỉ tập trung vào phần lò nung và đặc biệt là phần điều khiển và giám sát nhiệt độ lò nung, các phần còn lại đƣợc thiết kế sẵn tuy nhiên chƣa đƣợc gán các tag quá trình để sử dụng.
Nhiệt độ lò nung đƣợc thể hiện thông qua quan sát nhiệt độ của các vùng lò: vùng sấy (Zone 1), vùng nung (Zone 2) và hai vùng đồng nhiệt (Zone 3, Zone 4). Mỗi vùng Zone có hai ô hiển thị giá trị nhiệt độ của vùng đƣợc lấy từ hai can nhiệt đƣợc đặt ở hai bên lò.
Để điều khiển và giám sát nhiệt độ từng vùng lò ta kích chuột vào vùng Zone đó, sẽ chuyển sang trang Heating Zone để theo dõi và cài đặt nhiệt độ.
Đào Đăng Hải Nghiên cứu khảo sát và tích hợp dây chuyền sản xuất dâu điện từ CTCP Ngô Han
Thiết kế cũng lấy màu sắc để thể hiện nhiệt độ của từng vùng lò, giúp ngƣời vận hành dễ quan sát. Ví dụ nhƣ lò nung thì gồm có 4 vùng với nhiệt độ khác nhau: vùng 1 (vùng sấy) có nhiệt độ thấp nhất thì hiển thị bằng màu hồng nhạt, vùng 2 (vùng nung) có nhiệt độ cao nhất đƣợc hiển thị bằng màu đỏ cam và hai vùng đồng nhiệt có nhiệt độ giảm hơn chút so với vùng 2 thì đƣợc hiển thị bằng màu vàng (xem hình 3.6).
3.4.2.2. Giao diện HMI điều khiển và giám sát nhiệt độ các vùng lò nung
Giao diện HMI điều khiển nhiệt độ các vùng lò nung gồm có 4 trang màn hình tƣơng ứng với 4 vùng lò. Các trang này đƣợc thiết kế giống nhau, do đó ta chỉ cần nói về thiết kế của 1 vùng thôi. Dƣới đây là giao diện thiết kế để giám sát và điều khiển nhiệt độ vùng 1 (HEATING ZONE 1): (Hình 3.7)
Hình 3.7. Màn hình điều khiển nhiệt độ vùng 1
Thanh trên cùng gồm có ba nút nhấn TREND, ALARM và PID. Kích vào nút TREND sẽ ra trang màn hình TREND1 để hiển thị trạng thái nhiệt độ của vùng 1 dƣới dạng đồ thị và dạng bảng. Kích vào ALARM sẽ ra trang màn hình ALARM1 hiển thị các trạng thái cảnh báo nhƣ cảnh báo nhƣ cảnh báo lỗi thiết bị đo, lỗi thiết bị chấp hành…Kích vào PID sẽ ra bảng thông số PID có thể quan sát và thay đổi đƣợc.
Đào Đăng Hải Nghiên cứu khảo sát và tích hợp dây chuyền sản xuất dâu điện từ CTCP Ngô Han
Bên dƣới màn hình thiết kế có 5 mục: Zone Layout, Temperature, Air flow, Oil Fuel flow, Ratio. Mục Zone layout để lựa chọn giao diện giám sát và điều khiển các vùng của lò. Mục Temperature để cài đặt nhiệt độ đặt cho vùng 1 và lựa chọn chế độ tự động hoặc bằng tay. Ngoài ra ở mục Temperature hiển thị giá trị nhiệt độ đặt SP và nhiệt độ thực PV để ngƣời quan sát biết đƣợc và điều chỉnh phù hợp. Tƣơng tự các miền Air flow, Oil fuel flow và Ratio cũng tƣơng tự vậy, tức là hiển thị hai giá trị: một là giá trị đặt (hoặc giá trị đƣợc tính toán điều khiển) và một là giá trị thực tế đo đƣợc.
3.4.2.3. Giao diện HMI giám sát nhiệt độ các vùng lò nung
Khi kích chuột vào nút TREND của vùng nào thì sẽ hiển thị trang theo dõi nhiệt độ của vùng đó. Ngƣời giám sát có thể theo dõi sự thay đổi của nhiệt độ dƣới dạng đồ thị hoặc dạng bảng. Từ đó đƣa ra các tín hiệu điều khiển phù hợp nhƣ thay đổi tham số PID, thay đổi hệ số tỷ lệ dầu/khí…
Đào Đăng Hải Nghiên cứu khảo sát và tích hợp dây chuyền sản xuất dâu điện từ CTCP Ngô Han
3.4.2.4. Giao diện cài đặt tham số PID điều khiển nhiệt độ các vùng lò nung
Từ trang HEATING ZONE có thể truy cập đến trang PID. Trên trang màn hình này ngƣời điều khiển có thể quan sát cũng nhƣ thay đổi các tham số KP, TI, TD để điều khiển nhiệt độ lò nung đạt yêu cầu công nghệ.
Hình 3.9.. Màn hình cài đặt tham số PID để điều khiển nhiệt độ vùng 1
3.5. Cài đặt phần mềm, lắp đặt hệ thống và đánh giá kết quả
Bƣớc cuối cùng của việc thiết kế hệ thống tự động hóa là cài đặt phần mềm, lắp đặt hệ thống và đánh giá kết quả.
Sau khi thiết kế phần mềm điều khiển, phần mềm giám sát ta cần cài đặt phần mềm này lên bộ điều khiển, tiếp theo đó là đấu nối các thiết bị với bộ điều khiển, bộ điều khiển với PC để điều khiển và giám sát hệ thống.
Nghiên cứu đã tiến hành thực nghiệm trên đối tƣợng điều khiển có mô hình tƣơng đƣơng nhƣ mô hình các vùng lò nung.
Đào Đăng Hải Nghiên cứu khảo sát và tích hợp dây chuyền sản xuất dâu điện từ CTCP Ngô Han
Hình 3.10. Thực nghiệm mô phỏng hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung
Các kết quả thu đƣợc sau khi tiến hành thực nghiệm nhƣ sau:
Đào Đăng Hải Nghiên cứu khảo sát và tích hợp dây chuyền sản xuất dâu điện từ CTCP Ngô Han
Hình 3.12. Giao diện điều khiển và giám sát nhiệt độ vùng 1(thực nghiệm)
Đào Đăng Hải Nghiên cứu khảo sát và tích hợp dây chuyền sản xuất dâu điện từ CTCP Ngô Han
Qua các kết quả thu đƣợc sau khi tiến hành thực nghiệm, có thể thấy giải pháp đƣa ra đáp ứng đƣợc các yêu cầu điều khiển nhiệt độ lò nung.
Tuy nhiên nghiên cứu chƣa đƣợc kiểm chứng với lò nung thật của nhà máy để có một kết quả đánh giá chính xác hơn.
3.6. Kết luận chƣơng III
Trên cơ sở thiết kế trong chƣơng II, chƣơng III chúng ta đã thiết kế hệ thống tự động hóa, điều khiển và giám sát nhiệt độ lò nung. Hệ thống điều khiển đƣợc lựa chọn ở đây là hệ Simatic S7-300 của hãng Seimen. Phần mềm đƣợc sử dụng để thiết kế giao diện giám sát là phần mềm WinCC 7.0 sp2.
Sau khi thiết kế phần mềm điều khiển, thiết kế phần mềm giám sát hệ thống điều khiển nhiệt độ các vùng lò nung, chúng ta đấu nối các thiết bị cần thiết vào hệ thống điều khiển, cài đặt các tham số bộ điều khiển PID và tải chƣơng trình lên bộ PLC S7-300…kết quả thực nghiệm trên đối tƣợng có mô hình tƣơng đƣơng lò nung cho thấy thiết kế đƣa ra là thích hợp.
Tuy nhiên kết quả vẫn chƣa đƣợc kiểm chứng trên lò nung thực tế. Đó là phần còn hạn chế của nghiên cứu. Hiện nay nhà máy sử dụng bộ điều khiển PID để điều khiển nhiệt độ lò nung nên vẫn còn nhiều hạn chế cụ thể là:
Mô hình mô phỏng
Đào Đăng Hải Nghiên cứu khảo sát và tích hợp dây chuyền sản xuất dâu điện từ CTCP Ngô Han
Kết quả mô phỏng khi dung PID khi nhiệt độ đạt 9000C khi K =1,59
Hình 3.15. Thời gian đáp ứng nhiệt độ Hình 3.16. Sai lệch nhiệt độ
Từ kết quả mô phỏng của mô hình đối tƣợng động học khi sử dụng bộ điều khiển PID để điều khiển nhiệt độ lò nung, nhiệt độ thực tế bám sát nhiệt độ đặt. Tuy nhiên thời gian đáp ứng nhiệt độ còn chậm nên chƣa đảm bảo đƣợc yêu cầu công nghệ của lò nung đồng.
Đào Đăng Hải Nghiên cứu khảo sát và tích hợp dây chuyền sản xuất dâu điện từ CTCP Ngô Han
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Với đề tài nghiên cứu là “Nghiên cứu khảo sát và tích hợp dây chuyền sản xuất dây điện từ công ty cổ phần Ngô Han ” chúng ta đã tìm hiểu đƣợc quy trình công nghệ sản xuất dây điện từ tại nhà máy (chƣơng 1), thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung (chƣơng 2) và tổng hợp hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung trên nền Simatic S7-300 và phần mềm WinCC (chƣơng 3).
Nhƣ đã phân tích, điều khiển nhiệt độ lò nung là một bài toán điều khiển phức tạp, bao gồm điều khiển lƣu lƣợng dầu, lƣu lƣợng khí đốt và điều khiển tỷ lệ dầu/khí để quá trình nung kim loại trong lò đạt yêu cầu công nghệ và tiết kiệm chi phí. Vì thời gian có hạn nên luận văn chỉ giới hạn phạm vi nghiên cứu điều khiển nhiệt độ lò bằng cách điều khiển lƣu lƣợng dầu đốt. Nếu nhiệt độ đặt tăng thì lƣợng dầu cấp cần phải tăng hoặc ngƣợc lại. Khi lƣu lƣợng dầu thay đổi thì lƣu lƣợng khí đốt và khí hóa mù dầu cần thay đổi theo một tỷ lệ nhất định nào đó (cần điều khiển). Bài toán điều khiển tỷ lệ dầu/khí là một bài toán điều khiển cực trị đã có nhiều công trình nghiên cứu. Trong luận văn đã xem nhƣ đƣợc giải quyết, vì thế chỉ có một biến điều khiển là lƣu lƣợng dầu. Tuy nhiên, luận văn vẫn chỉ dừng ở mức thực nghiệm và mô phỏng, chƣa đƣợc kiểm chứng kết quả trên lò nung thực tế.
Trên cơ sở còn hạn chế của đề tài, hƣớng phát triển của đề tài là sẽ giải quyết bài toán điều khiển nhiệt độ một cách triệt để, nghĩa là từ việc điều khiển lƣu lƣợng dầu, lƣu lƣợng khí đến điều khiển tỷ lệ dầu/khí và điều khiển thời gian nung phôi trong lò để kết quả là nhiệt độ phôi trong lò đạt các chỉ tiêu công nghệ đặt ra và phù hợp với tốc độ kéo rút. Đề tài nghiên cứu sẽ hƣớng đến ứng dụng và kiểm chứng kết quả nghiên cứu trên lò nung thực tế. Vì thế, tác giả rất mong ban lãnh đạo nhà máy sản xuất dây điện từ công ty cổ phần Ngô Han sẽ phối hợp và tạo điều kiện giúp đỡ để nghiên cứu của mình có thể giải quyết đƣợc những vấn đề thực tế đặt ra.
Đào Đăng Hải Nghiên cứu khảo sát và tích hợp dây chuyền sản xuất dâu điện từ CTCP Ngô Han
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] Nguyễn Hữu Công (1997), Hệ thống điều khiển tự động quá trình gia nhiệt phôi kim loại, Luận án Thạc sỹ ngành điều khiển tự động, Trƣờng Đại học Bách khoa, Hà Nội.
[2] Nguyễn Hữu Công (2003), Điều khiển tối ưu cho đối tượng có tham số phân bố biến đổi chậm, Luận án Tiến sỹ kỹ thuật, Trƣờng Đại học Bách khoa, Hà Nội [3] Lê Bá Dũng (1996), Thiết kế bộ điều khiển tự chỉnh PID, Tuyển tập các báo cáo khoa học Hội nghị toàn quốc lần thứ III về tự động hóa, tr, 98-106.
[4] Nguyễn Văn Hòa (2001), Cơ sở lý thuyết điều khiển tự động, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật.
[5] Nguyễn Thị Hƣơng Lan (2006), Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển lò nung trong dây chuyền cán thép, Luận án thạc sỹ ngành điều khiển tự động, Trƣờng Đại học Bách khoa, Hà Nội.
[6] Nguyễn Thƣơng Ngô (1998), Lý thuyết điều khiển tự động hiện đại, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật.
[7] Nguyễn Doãn Phƣớc (2002), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Xƣởng in ĐHTC - Đại học Bách khoa Hà Nội.
[8] Nguyễn Doãn Phƣớ Điều khiển tối ưu và bền vững, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật.
[9] Nguyễn Doãn Phƣớc, Phan Xuân Minh (2000), Nhận dạng hệ thống và điều khiển tự động, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
[10] Nguyễn Doãn Phƣớc, Phan Xuân Minh, Vũ Văn Hà (2000), Tự động hóa với Simatic PLC S7-300, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật (năm 2000).
Đào Đăng Hải Nghiên cứu khảo sát và tích hợp dây chuyền sản xuất dâu điện từ CTCP Ngô Han
[11] Nguyễn Phùng Quang (2004), Matlab và Simulink, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật.
[12] Hoàng Minh Sơn (2006), Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình, Nhà Xuất Bản Bách Khoa Hà Nội.
[13] Nguyễn Mạnh Tƣờng, Lại Khắc Lãi, Nguyễn Hữu Công, Nguyễn Mạnh Tùng (1998), Một hệ thống điều khiển tự động quá trình gia nhiệt phôi kim loại,
Thông báo khoa học của các trƣờng đại học số 1/2000.
Tiếng Anh
[14] Dexter,A.C.Jesson, S (1996), Distributed parameter control of billet heating in electromagnetics and induction heating, IEEE colloquium on 1-5/5 (Digest No : 1996/274).
[15] Mituhiko Araki (1998), “Two-degree-of-freedom PID controller classial technology Revisited”, Japan-USA-Vietnamese Workshop 1998, pp. 9-15.
[16] P.C.K.Wang (1963), optimum control of distributed parameter systems, Presented at the Joint Automatic control conference, Minneapolis, Minn.June, pp.19-21.
Đào Đăng Hải Nghiên cứu khảo sát và tích hợp dây chuyền sản xuất dâu điện từ CTCP Ngô Han
PHỤ LỤC.
Chƣơng trình điều khiển nhiệt độ lò nung của nhà máy dây điện từ Ngô Han (được viết bằng phần mềm Step 7 v5.5).
* Bảng Symbol
Symbol Address Data
type
Comment
Cannhiet_v11 PIW 256 INT thiet bi do nhiet do vung 1 (ben trai)
Cannhiet_v12 PIW 258 INT thiet bi do nhiet do vung 1 (benphai)
Cannhiet_v21 PIW 260 INT thiet bi do nhiet do vung 2 (ben trai)
Cannhiet_v22 PIW 262 INT thiet bi do nhiet do vung 2 (ben phai)
Cannhiet_v31 PIW 264 INT thiet bi do nhiet do vung 3 (ben trai)
Cannhiet_v32 PIW 266 INT thiet bi do nhiet do vung 3 (ben phai)
Cannhiet_v41 PIW 268 INT thiet bi do nhiet do vung 4 (ben trai)
Cannhiet_v42 PIW 270 INT thiet bi do nhiet do vung 4 (ben phai)
CONT_C FB 41 FB 41 Continuous Control
Cycle Execution OB 1 OB 1
Cyclic Interrupt 5
OB 35 OB 35 DIEU KHIEN NHIET DO LO NUNG
Do_mo_dau_v1 MD 128 REAL do mo van dau vung 1
Do_mo_dau_v2 MD 136 REAL do mo van dau vung 2
Do_mo_dau_v3 MD 144 REAL do mo van dau vung 3
Do_mo_dau_v4 MD 152 REAL do mo van dau vung 4
Do_mo_khi_v1 MD 132 REAL do mo van khi vung 1
Do_mo_khi_v2 MD 140 REAL do mo van khi vung 2
Do_mo_khi_v3 MD 148 REAL do mo van khi vung 3
Do_mo_khi_v4 MD 156 REAL do mo van khi vung 4
heso_bu_v1 MD 176 REAL he so bu khi thua vung 1
heso_bu_v2 MD 180 REAL he so bu khi thua vung 2
heso_bu_v3 MD 184 REAL he so bu khi thua vung 3
heso_bu_v4 MD 188 REAL he so bu khi thua vung 4
heso_tl_v1 MD 160 REAL he so ty le dau/khi vung 1
heso_tl_v2 MD 164 REAL he so ty le dau/khi vung 2
Đào Đăng Hải Nghiên cứu khảo sát và tích hợp dây chuyền sản xuất dâu điện từ CTCP Ngô Han
heso_tl_v4 MD 172 REAL he so ty le dau/khi vung 4
khibu_tt_v1 MD 256 REAL bien trung gian tinh toan khi thua vung 1