Mô hình phân cấp chức năng hệ thống lò thổi đƣợc xây dựng gồm các cấp chức năng nhƣ sau :
Hình 3.1. Mô hình phân cấp chức năng hệ thống điều khiển giám sát lò thổi
3.1.2 Nhiệm vụ của hệ thống điều khiển và giám sát lò thổi.
- Điều khiển và giám sát liên động hệ thống quay lò, nâng hạ súng…
- Thực hiện truyền thông giữa RTU với các động cơ quay lò và nâng hạ súng oxy...
- Giám sát các tín hiệu cảm biến nhiệt độ, áp suất, lƣu lƣợng, trạng thái đóng mở các van on/off , van tỉ lệ.
Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát lò thổi
- Thực hiện cảnh báo các nguy cơ, các sự cố thiết bị cho công nhân vận hành. - Thực hiện lƣu lại lịch sử trạng thái hoạt động của các thiết bị trong hệ thống.
Hình 3.2. Sơ đồ khối các thành phần cơ bản của lò thổi.
3.2 Cấu trúc điều khiển giám sát của hệ thống.
Với các yêu cầu đặt ra cho hệ điều khiển và giám sát lò thổi, cấu trúc của hệ thống thể hiện ở hình sau :
Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát lò thổi ` ` ` PLC Máy tính vận hành 1 Máy tính vận hành 2 Máy tính lập trình Switch
Biến tần quay lò Biến tần súng oxy Cảm biến Van điều tiết
P ro fib us – D P T C P /IP T C P /IP T C P /IP T C P /IP T /h 2 4V D C , 4 -2 0m A T/h đk khác
Hình 3.3. Cấu trúc hệ thống điều khiển giám sát lò thổi
Máy tính vận hành (MTVH) 1, 2 dùng để cho công nhân vận hành giám sát
và điều khiển hệ thống. Mỗi máy tính đƣợc cài đặt phần mềm Wincc 7.0, đây là phần mềm của hãng Siemens. Các thông số của cảm biến, van… đƣợc giám sát trên các MTVH.
Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát lò thổi
Máy tính lập trình dành riêng cho kỹ thuật viên phục vụ sửa chữa bảo trì và
theo dõi hệ thống. Trên máy tính này đƣợc cài đặt cả phần mềm lập trình của S7– 400, phần mềm giám sát điều khiển Wincc 7.0 và phần mềm biến tần STATER.
Switch là bộ chuyển mạch có nhiệm vụ tạo kết nối mạng LAN cho các máy
tính vận hành, máy tính lập trình và PLC
PLC là thiết bị logic khả trình có chức năng điều khiển và thu thập dữ liệu từ các thiết bị trƣờng
Các biến tần quay lò, nâng hạ súng oxy, các rack mở rộng của PLC đƣợc kết nối truyền thông với PLC bằng đƣờng truyền Profibus DP.
Trên cơ sở cấu trúc đã xây dựng, trong phần tiếp theo tác giả sẽ thiết kế cấu hính phần cứng, hệ truyền thông và phần mềm.
3.3 Thiết kế phần cứng
3.3.1 Số lƣợng tín hiệu đo và điều khiển của hệ thống.
- Để điều khiển và giám sát cần thu thập các tín hiệu đo và điều khiển. Các tín hiệu này là các công tắc, nút nhấn, cảm biến…Các tín hiệu cần thu thập có thể chia ra nhƣ sau:
+ Digital Input (DI): Giá trị nhị phân để nhận biết các tín hiệu dạng nút nhấn, công tắc.
+ Digital Output (DO): Giá trị nhị phân để xuất ra điều khiển contactor, đèn chỉ thị…
+ Analog Input (AI): Giá trị đo lƣờng của các cảm biến nhiệt độ, áp suất, lƣu lƣợng…
+ Analog Output (AO): Giá trị xuất ra điều khiển các van tỉ lệ 4-20 mA. Danh mục số lƣợng các đầu vào ra của hệ thống.
Hệ Thống Chức năng Số lƣợng I/O
Động cơ quay lò và
+ Sử dụng 4 động cơ không đồng bộ 45KW đƣợc điều khiển bởi 04 biến tần
+ 4DI phản hồi tín hiệu của automat
Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát lò thổi HỆ THỐNG QUAY LÒ các thiết bị đi kèm.
+ Sử dụng 01 encoder tuyệt đối để xác định vị trí góc quay của lò.
cấp nguồn lực cho các biến tần.
+1DO + 4DI điều khiển đóng mở Contactor cấp điện cấp nguồn lực cho biến tần điều khiển + 1DO + 5DI điều khiển đóng mở phanh và phản hồi tín hiệu Automat. + 10DI để nhận các bit tín hiệu của Encoder.
Bàn điều khiển chính.
+ Thực hiện các thao tác quay lò, nâng hạ súng oxy. Các đèn chỉ thị và các thông số dòng điện của các động cơ quay lò và động cơ nâng hạ súng oxy (ở chế độ MAN). + 20DI + 10DO + 5 đầu ra AO để phục vụ việc hiển thị giá trị dòng điện ra đồng hồ cơ. Động cơ nâng hạ súng oxy. + Sử dụng động cơ không đồng bộ 45KW đƣợc điều khiển bởi biến tần
+ 2DO +2DI điều khiển đóng mở phanh và phản hổi tín hiệu Automat và Contactor
Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát lò thổi HỆ THỐNG NÂNG HẠ SÚNG OXY + Encoder tuyệt đối. + Cảm biến và van đóng cắt.
+ Sử dụng 01 Encoder tuyệt đối 25bit để xác định vị trí chiều cao của súng. + Súng có 2 đƣờng nƣớc vào và nƣớc hồi gồm các cảm biến nhiệt độ, lƣu lƣợng nƣớc.
+ Súng có 1 đƣờng khí: có thể là khí oxy hoặc là khí N2 có các cảm biến đo nhiệt độ và lƣu lƣợng và van đóng cắt nhanh. + 25DI nhận các bit tín hiệu trả về của Encoder + 8AI để nhận nhiệt độ và lƣu lƣợng nƣớc vào, ra súng. + 4DO và 8DI để điều khiển đóng mở các van đóng ngắt nhanh và phản hổi cực hạn báo đóng/mở van. HỆ THỐNG NẠP LIỆU RỜI Động cơ rung liệu.
Tạo độ rung cho liệu rơi xuống Silo có cân. Ở đây chúng ta mô phỏng 4 silo nên cần 4 động cơ rung.
+ 4DO điều khiển cho 4 động cơ rung liệu + 8 DI nhận phản hồi cực hạn của các xilanh đóng mở silo. Phễu liệu trung gian.
Nơi chứa liệu , đo khối lƣợng của liệu trƣớc khi cho xuống silo tổng .
+ 4DO + 8DI để điều khiển xilanh đóng mở silo trung gian và lấy các tín hiệu báo đóng và báo mở của xilanh .
Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát lò thổi
Phễu liệu tổng
Nơi chứa liệu trƣớc khi cho vào lò và cũng đƣợc đo khối lƣợng.
+ 2DO + 4DI để điều khiển xilanh đóng mở silo liệu tổng và lấy các tín hiệu báo đóng và báo mở của xilanh.
Loadcell Cảm biến để đo khối lƣợng của các silo liệu + 4AI để nhận các tín hiệu cân từ các Loadcell HỆ THỐNG LỌC BỤI
Cảm biến Đo nhiệt độ, áp suất và lƣu lƣợng của nƣớc dập bụi Ventury.
+ 20AI
Van cánh lật
Có chức năng thay đổi độ rộng của đƣờng ống hút đầu vào của quạt gió Ventury.
+ 1AO và 1AI để điều khiển đóng mở van
TỔNG SỐ LƢỢNG ĐẦU VÀO/RA CỦA PLC
+ DI : 98 + DO : 27
+ AI : 32 + AO : 6
Bảng 3.1. Số lượng tín hiệu vào ra của hệ thống
3.3.2 Chọn thiết bị cho các cấp của hệ thống. 3.3.2.1 Các thiết bị của cấp giám sát. 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