3.3.2.1 Các thiết bị của cấp giám sát.
- Hai máy tính giám sát, vận hành và 01 máy tính lập trình có các thông số kỹ thuật nhƣ sau:
Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát lò thổi
+ Bộ vi xử lý trung tâm: CPU core i3, 1GHz. + Bộ nhớ RAM: 4 GB
+ Ổ cứng 500GB.
+ Hệ điều hành Win7 – 32 bit Ultimate.
- Bộ chuyển mạch Switch có các thông số nhƣ sau :
+ 8 cổng 10/100Mbps. Băng thông Full Duplex cho mỗi port là 200Mbps. + Nguồn điện: 12VDC/500mA.
+ Kích thƣớc: 160x30x90mm.
3.3.2.2 Các thiết bị của cấp điều khiển.
- Chọn nguồn PS 407 4A
- Chọn bộ điều khiển PLC trung tâm CPU 414-2 DP mã 6ES7 414 – 2XK05 – 0AB0:
+ Tốc độ xử lý nhanh.
+ Có 1 cổng truyền thông TCP/IP và 2 cổng truyền thông Profibus DP.
- Dựa vào số lƣợng vào ra đã tính toán ở trên để xác định số lƣợng module I/O nhƣ sau :
+ 98 DI: chọn 5 module DI32xDC24V: 6ES7 321 – 1BL00 – 0AA0. Mỗi module có 32 đầu vào 24VDC.
+ 27 DO: chọn 2 module DO32xDC24V: 6ES7 322 – 1BL00 – 0AA0. Mỗi module có 32 đầu ra 24VDC.
+ 32 AI: chọn 5 module AI8x12Bit: 6ES7 331 – 7KF02 – 0AB0. Mỗi module có 8 đầu vào AI.
+ 6 AO: chọn 2 module AO4x12Bit: 6ES7 332 – 5HD01 – 0AB0. Mỗi module có 8 đầu ra AO.
Nhƣ vậy sẽ cần có 3 rack để gắn các thiết bị: - Rack #1: Gắn CPU 414-2 DP.
- Rack #2: Gắn 5DI và 2DO (rack số 1). - Rack #3: Gắn 5AI và 2AO (rack số 2).
Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát lò thổi
3.3.2.3 Các thiết bị cấp trƣờng.
Đối với hệ thống quay lò và nâng hạ súng oxy chọn biến tần Sinamic S120 của hãng Siemens vì:
+ Điều khiển chính xác, đáp ứng tốc độ nhanh, momen ổn định.
+ Dễ dàng khắc phục sự cố vì đây là dòng biến tần mà một khối controller CU có thể điều khiển một lúc nhiều biến tần và các thông số cài đặt đƣợc lƣu trên thẻ nhớ. Khi biến tần gặp sự cố thì chỉ cần thay thế biến tần vào là chạy chứ không cần phải khai báo thông số lại từ đầu nhƣ các dòng biến tần trƣớc. Điều này rất quan trọng đối với yêu cầu sản xuất liên tục.
Hệ biến tần S120 gồm :
- Control Unit :
+ Hệ quay lò dùng S120 - CU320 - 2DP là bộ điều khiển trung tâm, chƣơng trình điều khiển sẽ đƣợc nạp vào thẻ nhớ của CU này. CU này sẽ điều khiển 4 biến tần cho 4 động cơ quay lò.
+ Hệ nâng hạ súng chọn S120 – CU305 vì mỗi CU này chỉ cần điều khiển cho 1 biến tần nâng hạ súng.
Hình 3.4. Các Module của biến tần Sinamic
- Control Unit Adapter: CUA31 làm nhiệm vụ trung gian điều khiển giữa CU và khối chấp hành Power module ( PM).
Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát lò thổi
Sơ đồ nguyên lý mạch lực điều khiển hệ thống lò thổi tác giả trình bày trong phần phụ lục 1
3.4. Thiết kế truyền thông .
- Các máy tính vận hành, máy tính lập trình, PLC, biến tần tạo thành mạng LAN theo giao thức TCP/IP. Theo cách đó các máy tính vận hành, lập trình sẽ theo dõi và giám sát đƣợc các thiết bị cấp điều khiển (PLC), cấp trƣờng (biến tần).
- PLC kết nối với biến tần theo giao thức Profibus
- Sử dụng dây tín hiệu để truyền dạng tín hiệu 4-20mA hoặc 24VDC từ cảm biến về PLC
Thiết lập cụ thể cấu hình truyền thông tác giả trình bày trong phần phụ lục 2.
3.5. Thiết kế phần mềm.
Xây dựng hệ thống SCADA cho hệ lò thổi tác giả sử dụng S7-400 và WinCC giúp chúng ta có thể nâng cao tính linh hoạt trong sản xuất, khả năng giám sát, lƣu trữ dữ liệu, cảnh báo và xác định lỗi để xử lý lỗi thông qua một giao diện thân thiện với ngƣời vận hành. PLC đƣợc lập trình tuân theo quy trình công nghệ. Quy trình công nghệ đƣợc mô phỏng cùng với chƣơng trình WinCC và PLCSim.
3.5.1. Phần mềm điều khiển trên STEP7.
Phần mềm STEP7 là phần mềm chuyên dụng cho họ PLC S7 – 300/400 của hãng Siemens có một vài đặc điểm sau phù hợp cho việc thiết kế hệ thống điều khiển, giám sát lò thổi :
+ Khai báo cấu hình cứng cho một trạm PLC họ S7 – 300/400. + Cấu hình mạng truyền thông cho trạm.
+ Soạn thảo, cài đặt chƣơng trình điều khiển . + Quan sát chƣơng trình và gỡ rối chƣơng trình.
- Có thƣ viện đầy đủ với các hàm chuẩn phục vụ cho một số yêu cầu thông dụng nhƣ hàm scale FC105, hàm unscale FC106, hàm điều khiển PID FB41… Ngoài ra phần HELP hữu ích trong việc lập trình và gỡ rối chƣơng trình.
Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát lò thổi
Đối với hệ thống điều khiển và giám sát lò thổi là một hệ thống tƣơng đối lớn nên để quản lý tốt chƣơng trình và thuận tiện cho việc sửa chữa sau này chúng ta sẽ sử dụng phƣơng pháp lập trình có cấu trúc.
Với kiểu lập trình có cấu trúc toàn bộ chƣơng trình điều khiển đƣợc chia nhỏ thành các khối FC và FB mang một nhiệm vụ cụ thể riêng và đƣợc quản lý chung bởi khối OB1.
Hình 3.5. Lập trình có cấu trúc
Trong đó :
- Khối OB1 (Organization Block): Khối tổ chức và quản lý chƣơng trình điều khiển chính.
- Khối FC (Program Block): Khối chƣơng trình với những chức năng riêng giống nhƣ một chƣơng trình con hoặc một hàm. Một chƣơng trình ứng dụng có thể có nhiều khối FC và các khối FC này đƣợc phân biệt với nhau bằng một số nguyên sau nhóm kí tự FC. Ví dụ nhƣ FC1, FC2..
- Khối FB (Function Block): Là loại khối FC đặc biệt có khả năng trao đổi một lƣợng dữ liệu lớn với các khối chƣơng trình khác. Các dữ liệu này phhải đƣợc tổ chức thành khối dữ liệu riêng có tên gọi là Data block. Một chƣơng trình ứng dụng có thể có nhiều khối FB và các khối FB này đƣợc phân biệt với nhau bằng một số nguyên sau nhóm kí tự FB. Ví dụ nhƣ FB1,FB2…
- Khối DB (Data Block): Khối chứa các dữ liệu cần thiết để thực hiện chƣơng trình. Các tham số của khối do ngƣời dùng tự đặt. Một chƣơng trình ứng
Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát lò thổi
dụng có thể có nhiều khối DB và các khối DB này đƣợc phân biệt với nhau bằng một số nguyên sau nhóm kí tự DB. Ví dụ: DB1,DB2,...
Chu trình vòng quét chƣơng trình thể hiện nhƣ sau :
Quét các dữ liệu vào / ra Nạp vào vùng nhớ đệm Thực hiện các bƣớc chƣơng trình Chuyển dữ liệu từ vùng nhớ đệm đến đầu ra Vòng quét của chƣơng trình
Hình 3.6. Chu trình vòng quét chương trình
Cụ thể đối với hệ thống điều khiển và giám sát lò thổi này thì trong vòng quét chính OB1 thực hiện gọi các khối hàm :
FC1 : Hàm điều khiển nghiêng lò và nạp liệu rời : có chức năng thực hiện
nhiệm vụ điều khiển cơ cấu quay lò thông qua biến tần, nạp liệu rời theo yêu cầu công nghệ.
FC2 : Hàm điều khiển súng oxy : có chức năng thực hiện nhiệm vụ điều
khiển cơ cấu nâng hạ súng oxy thông qua biến tần. Đồng thời có chức năng thực hiện các hàm đóng mở van on/of f và các van tỉ lệ của súng oxy.
FC3 : Hàm đọc tín hiệu đầu vào analog : có chức năng thực hiện nhiệm vụ
đọc các tín hiệu đầu vào AI phục vụ cho việc điều khiển và giám sát.
FC4 : Hàm xuất tín hiệu đầu ra analog : có chức năng thực hiện xuất các tín
Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát lò thổi
FC5 : Hàm đọc tín hiệu Encoder quay lò : có chức năng xử lý các dây tín
hiệu của Encoder quay lò để chuyển đổi thành tín hiệu góc quay 0 – 360 ° phục vụ điều khiển và giám sát cơ cấu quay lò.
FC6 : Hàm đọc tín hiệu Encoder súng oxy : có chức năng xử lý các dây tín
hiệu của Encoder gắn với trục động cơ nâng hạ súng để chuyển đổi thành tín hiệu độ dài 0 – 12m phục vụ điều khiển và giám sát cơ cấu nâng hạ súng.
FC7 : Hàm truyền thông giữa PLC – biến tần : có chức năng tạo truyền
thông giữa PLC và biến tần quay lò, nâng hạ súng.
Ghi dữ liệu điều khiển từ PLC xuống biến tần sử dụng hàm SFC15 trong thƣ viện của STEP7.
Đọc dữ liệu từ biến tần lên PLC sử dụng hàm SFC14 trong thƣ viện của STEP7.
FC10 : Hàm điều khiển hệ thống làm mát khí hóa và van cánh lật trên hệ
thống lọc bụi Ventury : Có chức năng làm mát hệ thống lọc bụi và lấy hơi nóng
phục vụ cho mục đích khác và điều khiển đóng mở, trạng thái van cánh lật trên đƣờng ống Ventury.
Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát lò thổi
OB1 “Chƣơng trình chính”
FC1
“Điều khiển nghiêng lò và nạp liệu”
FC2
“Điều khiển súng oxy”
FC3 “Tín hiệu đầu vào
analog” FC5 “Encorder quay lò” FC6 “Encorder súng oxy” FC7
“Đọc ghi dữ liệu với biến tần”
FC10 “Làm mát khí hóa”
FC11 “Tạo cảnh báo Arlam”
FB41 “Hàm PID” FC105 “SCALE ” FC106 “UNSCALE” FC8 “Control word” FC4
“Tín hiệu đầu ra analog”
Hình 3.7. Cấu trúc lập trình của hệ thống lò thổi
Lƣu đồ thuật toán và chƣơng trình điều khiển chi tiết tác giả trình bày trong phần phụ lục 3
3.5.2.Thiết kế phần mềm giám sát điều khiển trên Wincc 7.0
Giao diện HMI sẽ giúp nhân viên vận hành điều khiển và giám sát một cách chặt chẽ và tổng quan nhất quá trình hoạt động của toàn bộ hệ thống. Do đó việc
Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát lò thổi
xử lý đƣợc một cách nhanh chóng nhất, tránh tình trạng ảnh hƣởng đến chất lƣợng sản xuất.
Với giao diện điều khiển ngoài việc hiển thị đầy đủ các thông số quá trình sản xuất, nó còn bổ sung thêm chức năng cảnh báo bằng hình ảnh. Đây là phƣơng pháp sử dụng ngày càng rộng rãi giúp ngƣời vận hành có thể biết đƣợc vấn đề đang xảy ra ở đâu, thiết bị nào và phƣơng pháp xử lý. Khi một lỗi nào đó xảy ra trong hệ thống, trên màn hình hiển thị sẽ báo lỗi và hiển thị hình của thành phần bị lỗi. Ngoài ra, hệ thống cũng cung cấp đầy đủ các tính năng cơ bản của hệ thống:
+ Bảo vệ tự động: Đƣa ra các cảnh báo hoạt động, báo động khi có sự cố. + Lƣu trữ, báo cáo và thống kê: Cập nhật dữ liệu về trạng thái và lƣu trữ lại các giá trị sản xuất.
Hình 3.8. Các chức năng của giao diện HMI
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