Wincc là chữ viết tắt của Window Control Center phần mềm của hãng Siemens dùng đề giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu trong quá trình sản xuất. Theo nghĩa hẹp, Wincc là chƣơng trình hỗ trợ cho ngƣời lập trình thiết kế giao diện Ngƣời và Máy – HMI ( Human Machine Interface ) trong hệ thống SCADA. Với chức năng chính là thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển quá trình sản xuất.
Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát lò thổi
Với Wincc, ngƣời dùng có thể trao đổi trực tiếp dữ liệu với PLC thông qua cổng COM hoặc cổng RS 485. Các chức năng chính :
Graphics Designer : Thực hiện các chức năng mô phỏng và hoạt động qua
các đối tƣợng đồ họa của Wincc… với nhiều thuộc tính động. Chức năng này giúp ta thiết kế các giao diện mang tính trực quan hơn cho ngƣời vận hành.
Arlam Logging : Thực hiện hiển thị các thông báo trong khi vận hành. Đồng
thời lƣu trữ phục vụ cho việc kiểm soát thiết bị trong quá trình vận hành.
Tag Logging : Thực hiện việc thu thập, lƣu trữ phục vụ hiển thị dƣới dạng
Trend và lƣu trữ các dữ liệu đó. Phục vụ vụ việc theo dõi hệ thống.
Ứng dụng vào hệ thống lò thổi chúng ta thực hiện các công việc sau : - Thiết kế các giao diện :
- Giao diện “Overview” có chức năng mô phỏng , điều khiển và giám sát : + Các thông số nhiệt độ, lƣu lƣợng nƣớc, áp suất nƣớc làm mát súng.
+ Các thông số nhiệt độ, lƣu lƣợng khí, áp suất khí, trạng thái các van trên đƣờng ống khí N2, O2 của súng.
+ Chiều cao súng, góc quay lò.
+ Các đèn báo chỉ thị các vị trí của lò, của súng.
- Giao diện “LMKH” có chức năng mô phỏng, điều khiển và giám sát:
+ Các cảm biến nhiệt độ, lƣu lƣợng khí nóng của hệ thống làm mát khí hoá lò thổi.
+ Đóng mở và trạng thái các van của hệ thống làm mát khí hoá lò thổi. - Giao diện “VENTURY” có chức năng mô phỏng và giám sát:
+ Cảm biến nhiệt độ, áp suất và lƣu lƣợng nƣớc của nƣớc dập bụi Ventury. + Đóng mở, trạng thái van cánh lật trên đƣờng ống Ventury.
- Giao diện “METARIAL” có chức năng mô phỏng và giám sát: + Trạng thái hoạt động của các động cơ rung liệu
+ Trạng thái đóng mở van của các silo cấp liệu + Khối lƣợng của các silo liệu
Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát lò thổi
- Thiết lập các Arlam Logging :
+ Arlam cảnh báo mức nƣớc làm mát súng, nƣớc dập bụi Ventury, mức nƣớc bình hoá hơi…
+ Trên tất cả các giao diện đều phải hiển thị các Arlam khi có sự kiện Arlam xảy ra phục vụ việc cảnh báo, chuẩn đoán lỗi của hệ thống.
- Thiết lập các Tag Logging :
+ Cho các thông số cần theo dõi nhƣ dòng điện động cơ quay lò, dòng điện động cơ nâng hạ súng, góc quay lò, chiều cao súng, nƣớc làm mát súng…
+ Mục đích của các Arlam Loging là để làm thành các Trend phục vụ việc theo dõi, lƣu trữ các thông số của hệ thống phục vụ việc chuẩn đoán lỗi hệ thống.
3.6. Chạy mô phỏng và kết quả
Nhƣ ở phần trên tác giả đã lựa chọn PLC đƣợc lập trình tuân theo quy trình công nghệ. Quy trình công nghệ đƣợc mô phỏng cùng với chƣơng trình WinCC và PLCSim. Do không có thiết bị thực tế nên các giá trị cảm biến đƣa về tác giả sẽ đặt trục tiếp trên giao diện mô phỏng. Mỗi hệ thống nhỏ đều có 2 chế độ điều khiển bằng tay và tự động.
Hệ thống lò thổi gồm các giao diện nhƣ sau :
1. Giao diện lò thổi có những thông số sau :
- Nhiệt độ, lƣu lƣợng, áp suất của khí O2 và N2 - Nhiệt độ, lƣu lƣợng nƣớc làm mát súng
- Dòng của động cơ quay lò, động cơ nâng hạ súng O2 - Thời gian thổi O2 và N2
- Góc quay lò, chiều cao súng O2 - Trạng thái, góc đóng mở các van
Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát lò thổi
Hình 3. 9. Giao diện lò thổi
Từ trang màn hình này ngƣời vận hành có thể chuyển sang các trang màn hình khác bằng các phím menu dƣới đáy màn hình
2. Giao diện hệ thống làm mát khí hóa :
- Mực nƣớc, áp suất của bình hóa hơi và bình tích hơi
- Trạng thái đóng mở các van, đặc biệt chú ý van xả an toàn M252, M254 và van an toàn cơ trong trƣờng hợp áp suất bình quá cao thì các van này sẽ mở ra đảm bảo an toàn cho con ngƣời và thiết bị
Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát lò thổi
3. Giao diện hệ thống lọc bụi Ventury
- Áp suất tổng của nƣớc dập bụi
- Lƣu lƣợng nƣớc để dập bụi trên các đoạn đƣờng ống Ventury - Trạng thái đóng mở của van cánh lật trên đƣờng ống Ventury
Hình 3.11.Giao diện lọc bụi Ventury
4. Giao diện hệ thống cấp liệu rời
Trên giao diện mô phỏng và giám sát : + Trạng thái hoạt động của động cơ rung liệu
+ Khối lƣợng của liệu rời trong các silo trung gian cần cấp cho lò thổi + Trạng thái đóng mở của các van đóng mở silo trung gian và silo tổng
Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát lò thổi
Quy trình mô phỏng :
Trƣớc khi lò thổi hoạt động :
+ Kiểm tra và đặt lƣu lƣợng nƣớc làm mát súng : FT101, FT102; lƣu lƣợng nƣớc dập bụi ventury: FT301, FT302, FT303, FT304 đủ điều kiện làm mát
+ Đặt thông số nhiệt độ, áp suất: TE01, PT01, PT03, TE02, PT04, PT06, PT05, TE101, TE102
+ Xác nhận điều kiện lò thổi đã nạp gang phế xong và lò đã trở về vị trí thẳng đứng (góc quay của lò là 00) để chuẩn bị cho quá trình thổi luyện
+ Chọn chế độ mô phỏng tự động
Nếu đủ các điều kiện trên thì súng sẽ tự động xuống đến 2m thì dừng và bắt đầu thổi Oxy
Hình 3. 13 Giao diện lò thổi khi thổi luyện
Các giá trị đặt và giá trị hiện tại của áp suất, lƣu lƣợng, góc mở van trên đƣờng khí Oxy, thời gian thổi luyện , trạng thái của van on/off đƣợc thể hiện trên giao diện.
Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát lò thổi
Hình 3. 14 Giao diện hệ thống lọc bụi khi đang hoạt động
Khi thổi oxy đƣợc 1 phút thì các silo Quặng, Dolomit, Vôi số 1, Vôi số 2 sẽ tự động rung cho liệu xuống silo trung gian để chuẩn bị nạp vào lò thổi với khối lƣợng nhƣ sau :
+ Quặng : 900 kg , + Dolomit : 1000kg,
+ Vôi 1: 500kg, Vôi 2 : 500kg
Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát lò thổi
4. Các giao diện Trend của hệ thống lò thổi
Các trang đồ thị này thể hiện sự thay đổi của các thông số lò thổi tại thời điểm hiện tại và cả thời điểm quá khứ bằng các phím mũi tên.
Trend lƣu lƣợng nƣớc Ventury
Hình 3.16.Giao diện Trend lưu lượng nước Ventury
Trend Làm mát khí hóa
Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát lò thổi
Trend súng Oxy
Hình 3.18. Giao diện Trend súng Oxy
Trend góc quay lò
Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát lò thổi
5. Arlam báo sự cố
Các trang Arlam cảnh báo sự cố khi có các thông số thấp quá mức hoặc vƣợt quá giới hạn cho phép
Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát lò thổi
KẾT LUẬN CHƢƠNG 3
Nội dung chƣơng này tác giả đã đề xuất các giải pháp kỹ thuật để thiết kế cho hệ thống SCADA điều khiển giám sát lò thổi :
- Đƣa ra mô hình, nhiệm vụ của hệ thống điều khiển giám sát, xây dựng cấu trúc điều khiển giám sát của hệ. Từ đó lựa chọn thiết kế cấu trúc phần cứng, phần mềm, thiết lập hệ truyền thông.
- Viết chƣơng trình điều khiển trên phần mềm STEP 7 5.5 và thiết kế giao diện điều khiển giám sát trên WinCC 7.0
- Chạy mô phỏng và thu đƣợc các kết quả nhƣ nhiệm vụ điều khiển giám sát hệ thống đã đƣa ra.
Các giải pháp kỹ thuật tác giả đƣa ra để xây dựng hệ thống điều khiển giám sát lò thổi không chỉ giúp ích cho việc vận hành theo công nghệ mà còn tham gia trực tiếp vào quá trình trao đổi thông tin với các cấp trên và phục vụ cho việc tự động hóa quá trình sản xuất của cả nhà máy luyện thép.
KẾT LUẬN CHUNG
Sau thời gian nghiên cứu và tìm hiểu tôi đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp cao học với đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho lò thổi trong nhà
máy luyện thép.
Bản luận văn đã tập trung nghiên cứu hệ thống điều khiển giám sát SCADA, một trong những hệ thống phổ biến đã và đang đƣợc áp dụng hầu hết trong lĩnh vực tự động hóa quá trình sản xuất. Qua quá trình nghiên cứu tôi đã thu đƣợc các kết quả nhƣ sau:
Về mặt lý thuyết :
+ Nghiên cứu nắm vững cơ sở lý thuyết về hệ thống điều khiển giám sát SCADA: Cấu trúc phần cứng, phần mềm và hệ truyền thông
+ Nghiên cứu nắm vững về công nghệ lò thổi trong nhà máy luyện thép Về mặt thực tiễn :
+ Ứng dụng thiết kế hệ thống điều khiển giám sát cho lò thổi
+ Dựa trên các phần mềm đã lựa chọn để viết chƣơng trình điều khiển, thiết kế giao diện, chạy mô phỏng và thu đƣợc các kết quả
Tác giả đã thiết kế giao diện và mô phỏng trên máy tính mà không có thiết bị thực tế nên việc lập trình gặp tƣơng đối nhiều khó khăn. Bên cạnh đó còn nhiều chức năng của các phần mềm chƣa đƣợc khai thác hết
Do thời gian nghiên cứu và trình độ có hạn cũng nhƣ một số điều kiện không cho phép nên bản luận văn này còn nhiều hạn chế và thiếu sót. Tôi rất mong nhận đƣợc sự góp ý và bổ sung để bản luận văn này hoàn thiện hơn nữa.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Hoàng Minh Sơn, “Mạng truyền thông công nghiệp”, NXB KHKT, 2009 2. Tạp chí “Tự động hóa ngày nay”, số 124/2011
3. Nguyễn Doãn Phƣớc, “Tự động hóa với Simatic S7-300”, NXB KHKT, 2008
4. Trần Thu Hà, “Lập trình với S7 và WinCC 6.0, NXB Hồng Đức, 2008
5. Trƣờng ĐH CN Hà Nội,” Hệ thống SCADA và DCS”, 2008
6. http://dien-tudong.com/ 7. http://w3app.siemens.com/
PHỤ LỤC
PHỤ LỤC 1 : Sơ đồ nguyên lý mạch lực điều khiển động cơ
1. Mạch lực của các động cơ quay lò : Mạch lực động cơ quay lò #1 .
Trong đó :
+ CU320-2 : Bộ điều khiển trung tâm của hệ biến tần quay lò.
+ CUA31 : Bộ chuyển đổi giữa bộ điều khiển trung tâm ( CU320-2) và khối lực ( PM340).
Mạch lực tủ điều khiển động cơ quay lò #3,4 :
PHỤ LỤC 2 : Thiết lập cấu hình mạng truyền thông a. Cấu hình mạng LAN
- Cấu hình địa chỉ IP cho các máy tính vận hành và lập trình : + Máy tính vận hành 1 : 192.168.9.1
+ Máy tính vận hành 2 : 192.168.9.2 + Máy tính lập trình :192.168.9.3
Sau đó đánh địa chỉ IP nhƣ hình và nhấn OK.
b. Cấu hình địa chỉ IP, địa chỉ Profibus DP cho PLC và BT.
- Trƣớc tiên cần thiết lập phần cứng cho PLC và biến tần trên phần mềm STEP7. Mở STEP7 và đặt tên cho chƣơng trình “Project_LT2”, sau đó Insert trạm PLC S7- 400. Kích vào phần “Hardware”. Chọn rack, nguồn nuôi CPU, CPU, module mở rộng:
Rack #1: CPU414-2DP. Rack #2: 5DI+ 2DO. Rack #3 : 5AI +1AO.
- Sau đó “Save and Compile” để kiểm tra lỗi. Ta đƣợc cấu hình cứng sau gồm có : Trạm ET3 và ET4 là hai rack mở rộng của CPU S7-400.
Một trạm của biến tần quay lò (CU320 – 2). Hai trạm của biến tần súng oxy (CU305 ).
- Định địa chỉ IP cho PLC là 192.168.9.4 bằng cách chọn “Object Properties” của module CP trên rack của CPU.
- Định địa chỉ Profibus cho các phần tử của hệ thống nhƣ sau : PLC : 2 Rack mở rộng #1 : 3 Rack mở rộng #2 : 4 Biến tần quay lò : 7 Biến tần súng oxy #1 : 8 Biến tần súng oxy #1 : 9
- Thực hiện định địa chỉ Profibus – DP cho CPU nhƣ hình sau ( Các phần tử còn lại cũng có cách làm tƣơng tự ):
- Định địa chỉ của IP của các biến tần sử dụng phần mềm STATER.
Sau đó đánh địa chỉ IP của biến tần quay lò: 192.168.9.5 nhƣ hình và nhấn OK (Làm tƣơng tự đối với biến tần súng oxy lần lƣợt là 192.168.9.6 và 192.168.9.7).
Sau khi đã định địa chỉ IP và Profibus –DP xong, ta tiến hành lƣu và download chƣơng trình xuống thiết bị để sẵn sang cho việc lập trình phần mềm.
PHỤ LỤC 3 : Lƣu đồ thuật toán và chƣơng trình điều khiển PLC.
Các khối hàm cần chèn của hệ thống.
a.Thực hiện chƣơng trình điều khiển nghiêng lò và nạp liệu với các yêu cầu sau
- Lò sẽ đƣợc điều khiển bằng tay điều khiển, có 2 hƣớng quay thuận (hƣớng quay về phía phòng vận hành chính ) và quay ngƣợc ( quay về phía bàn ra thép).
Động cơ quay lò có 2 cấp tốc độ : Tốc độ 1 : 150 vòng / phút.
Tốc độ 2 : 300 vòng/phút. - Điều kiện cho phép quay lò :
Nguồn lực của các động cơ quay lò phải đƣợc bật. Nguồn cấp cho phanh của các động cơ phải bật. Súng ở vị trí > 6m.
Không có lỗi của các biến tần.
Không nhấn nút dừng khẩn cấp ở các bàn điều khiển.
Lƣu đồ thuật toán điều khiển nghiêng lò: Các vị trí dừng lò gồm có ra thép, lấy mẫu, vị trí thẳng đứng
Bắt đầu Kết thúc Tín hiệu tay trang ĐK quay lò Đủ điều kiện quay lò
- Lệnh Move “control word “ xuống biến tần, - Move tốc độ xuống biến tần,
- Lệnh mở phanh Đến cực hạn cần dừng lò Dừng lò ở các vị trí cần dừng S Đ S S Đ Đ
Thực hiện move từ điều khiển vào các biến tần :
Thực hiện mở phanh cho các động cơ quay lò ( có điện phanh mở, mất điện phanh đóng ).
Điều khiển hệ thống nạp liệu Bắt đầu Kết thúc Thời gian thổi oxy = 1 phút KL liệu = KL đặt
Dừng rung các silo liệu S
Đ
S
Đ
Rung các silo chứa liệu
Thời gian thổi = 5
phút
Xả silo trung gian chứa Dolomit S
Đ
Thời gian thổi = 8
phút
Xả 2 silo trung gian chứa vôi S
Đ
Xả silo trung gian chứa quặng
Thời gian thổi = 3 phút S Đ 1 1
b. Thực hiện chƣơng trình điều khiển nâng hạ súng :
Yêu cầu cho phép nâng, hạ súng : Vị trí cao nhất của súng : 12m.
Lò ở vị trí thẳng đứng mới cho phép hạ súng xuống dƣới 6m.
Có nƣớc làm mát súng + nƣớc dập bụi Ventury + nƣớc thân lò mới cho phép xuống súng dƣới 6m.
Không có lỗi biến tần.
Không nhấn nút dừng khẩn cấp, nâng khẩn cấp súng.
Tạo bit điều kiện tự động nâng súng gồm : Nƣớc làm mát súng, nƣớc Ventury ( Có 2 cảm biến ), nƣớc làm mát thân lò < 50 m3/h.
- Lƣu đồ thuật toán điều khiển nâng hạ súng : Bắt đầu Kết thúc Kiểm tra tín hiệu nạp gang phế Đủ điều kiện hạ súng
- Lệnh Move “control word “ xuống biến tần, - Move tốc độ xuống biến tần,
- Lệnh mở phanh Vị trí súng = 2m Dừng hạ súng S Đ S S Đ Đ Đủ điều kiện nâng súng
- Lệnh Move “control word “ xuống biến tần, - Move tốc độ xuống biến tần,
- Lệnh mở phanh Vị trí súng = 6m Dừng nâng súng S S Đ Đ
- Chƣơng trình điều khiển hệ thống nâng hạ súng
Nâng súng :
Hạ súng :
Move tốc độ “0” vào biến tần.
Move các tốc độ vào biến tần súng: