2.2.1 Chức năng điều khiển
Chức năng chính và là chức năng quan trọng nhất của DCS là điều khiển tồn bộ các q trình cơng nghệ nhà máy .
DCS thực hiện tất cả các chức năng điều khiển cơ bản của một nhà máy .Các thành phần thực hiện các chức năng điều khiển cơ bản trong DCS gọi là các “ khối hàm “(Function Block). Mỗi khối hàm đại diện cho một bộ phận nhỏ nhất trong bài toán điều khiển. Việc thực hiện thiết kế chức năng điều khiển thực chất là cách kết hợp các khối hàm lại với nhau cho phù hợp.
- Chức năng thực hiện :
Thực hiện cho các vòng điều chỉnh phản hồi của các quá trình liên tục.Thành phần chính tham gia vào chức năng điều chỉnh phản hồi các q trình liên tục .Thành phần chính tham gia vào chức năng điều chỉnh tự động là các khối PID, các khối hàm chuyển đổi định dạng dữ liệu vào/ra và các khối hàm toán học.
- Chức năng thực hiện các thuật toán điều khiển tuần tự :
Thực hiện một số công đoạn làm việc theo chuỗi sự kiện nối tiếp trong nhà máy chức năng này vừa điều khiển từng công đoạn độc lập đồng thời quản lý toàn bộ chuỗi sự kiện xảy ra trong hệ thống. Có thể sự dụng chức năng này cho bài toán liên động hoăc kết hợp thực hiện các công đoạn liên tục trong nhà máy.
2.2.2 Chức năng vận hành và giám sát Giám sát tổng quan tồn bộ q trình Giám sát tổng quan tồn bộ q trình
DCS có các cơng cụ xây dựng đồ họa và thư viện phong phú, cho phép chúng ta biểu diễn tồn bộ q trình, thiết bị trong nhà máy một cách trực quan sinh động, cung cấp giao diện vận hành giám sát .Ta có thế nhận biết được trạng thái hoạt động của nhà máy thông qua các đối tượng đồ họa và các giao diện điều khiển.
Hiện thị giám sát các giá trị quá trình
Để vận hành và giám sát được toàn bộ nhà máy với nhiều thiết bị, tham số và trạng thái , DCS phân chia, sắp xếp và biểu diễn các tham số trạng thái dưới nhiều hình thức khác nhau nhằm tạo thuận lợi tối đa cho người vận hành.
Hình 2-4 Giám sát quá trình nghiền liệu nhà máy xi măng
Các biển q trình ta có thể xem trực tiếp qua các tag_name của nó, hoặc giám sát qua các đồ thị cho phép ta so sánh đánh giá chất lượng điều khiển và ra quyết định.
Cảnh báo các sự kiện quá trình
Bên cạnh các chức năng điều khiển giám sát trạng thái trạng thái, việc đưa ra các cảnh báo cho người vận hành và các gợi ý xử lý cũng là một yêu cầu khơng thể thiếu đối với bất kì một hệ DCS nào. Các cảnh báo trong hệ thống được chia nhiều cấp độ khác nhau :
- Cảnh báo nguy cơ (Warning) : Với các cảnh báo loại này, chỉ ra cho người vận hành biết rằng họ cần quan tâm đến tham số quá trình tương ứng và chưa cần phải can thiệp vào hệ thống .
- Bào động (Alarm) : Với các cảnh báo loại này, người vận hành phải thực hiện một vài gợi ý hoặc can thiệp nhỏ nhằm đưa hệ thống ra khỏi khu vực nguy hiểm.
- Báo lỗi (Failure) : Đây là tình trạng nguy hiểm phải thực hiện ngay các tác động để ngăn các rủi ro và tổn thất cho hệ thống .Thông thường khi xảy ra lỗi, hệ thống cũng đã thực hiện trước một số tác động đã được lập trình sẵn để ngăn chặn hiểm họa có thể xảy ra.
Hình 2-5 Cảnh báo sự kiện trong quá trình nghiện liệu Lập báo cáo dữ liệu
Đề hỗ trợ cho công tác giám sát quản lý, DCS cung cấp báo cáo cho từng biến quá trình ,các khu vực quan trọng theo định kỳ hoăc theo u cầu. Ngồi ra ln có các báo cáo thực hiện thường xuyên nhằm mục đích thu thập,lưu trữ và in ra thông tin về trạng thái hoạt động của hệ thống. Báo cáo về các cảnh báo, thơng điệp liên quan đến thiết bị, tín hiệu vào/ra và cả trạng thái của các khối hàm.
An toàn hệ thống
Về an toàn hệ thống , để ngăn chặn các lỗi trong quá trình vận hành và đảm bảo an tồn cho hệ thống, DCS cung cấp khả năng phân chia quyền truy cập hệ thống cụ thể đến từng thiết bị và từng khối hàm. Mỗi người vận hành chỉ có quyền hạn và trách nhiệm trong một khu vực nhất định. Có thể đặt nhiều mức độ bảo mật an toàn khác nhau từ cấp các khu vực ,đến từng thiết bị trong nhà máy. Mỗi người vận hành sẽ có một tài khoản riêng và chỉ có quyền truy cập hệ thống trong một khu vực đã được định nghĩa từ trước và phải chịu trách nhiệm hồn tồn với khu vực đó. Điều này sẽ ngăn chặn lỗi vận hành.
2.3 Hệ thống điều khiển giám sát cho cơng đoạn nghiền liệu nhà máy xi măng Hồng Mai
Từ những yêu cầu tổng quan của một hệ DCS, hệ thống DCS cho quá trình nghiền liệu cho nhà máy xi măng Hoàng Mai sẽ gồm 3 phần : cấp trường, cấp điều khiển, cấp vận hành giám sát.
Hình 2-6 Cấu hình DCS cơng đoạn nghiền nhà máy xi măng Hoàng Mai Cấp trường
Gồm các thiết bị chấp hành như cảm biến, motor, van điều khiển có nhiệm vụ điều khiển các thao tác liên quan trực tiếp tới quá trình sản xuất như đo nhiệt độ , đo áp suất …đồng thời thực hiện các lệnh điều khiển từ cấp trên ra lệnh xuống.
Cấp điều khiển
Điều khiển tồn bộ quy trình của hệ thống. Nhận dữ liệu từ tín hiệu cảm biến ,van ,các thơng số quá trình, qua chương trình đã được lập trình sẵn, gửi lệnh xuống điều khiển các cơ cấu chấp hành như.
Cấp vận hành giám sát
Thực hiện việc giám sát trạng thái thiết bị trường. Hiện thị trạng thái thành phần hệ thống trên màn hình vận hành. Người vận hành có khả năng tác động, điều khiển từ phịng điều khiển trung tâm đối với các thiết bị trường. Cùng với chức năng vận hành, giám sát, cấp này cịn có khả năng lưu trữ các dữ liệu vào server của nhà máy, lập báo cáo định kỳ.
Từ những chức năng cơ bản trên, việc thiết kế hệ DCS cho quá trình nghiền liệu nhà máy xi măng Hoàng Mai sẽ gồm 2 phần :
- Thiết kế phần cứng, tủ điều khiển .
- Thiết kế giao diện vận hành giám sát và lập trình PLC.
Hiện tại phần mềm DCS điều khiển giám sát toàn bộ nhà máy là phần mềm PCS7 của Siemens. Do vậy, về phần cứng cũng như phần mềm ở đây, tôi chọn giải pháp đồng bộ của Siemens, tức là chọn PLC và phần mềm HMI của Siemens.
Cấp giám sát
Cấp điều khiển
THIẾT KẾ TỦ ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỘNG CƠ NGHIỀN 3.1 Máy nghiền liệu MPS5000B
3.1.1 Cấu tạo
Các thông số kỹ thuật của máy nghiền liệu
Bảng 3-1 Các thông số kỹ thuật của máy nghiền liệu Liệu vào
1 Kích thước hạt liệu vào < 70 mm 2 Độ ẩm (lớn nhất trên tổng khối lượng) 7%
Sản phẩm ra
1 Năng suất trung bình 320 tph
2 Độ mịn(trên sàng 80µm) 10%
3 Độ ẩm (lớn nhất trên tổng khối lượng) 1%
4 Nhiệt độ 90-1000C
Hệ thống nghiền
1 Kiểu nghiền con lăn đứng
2 Tuần hồn ngồi có
3 Cơng suất tiêu thụ tại điều kiện giới hạn(tại giới hạn động cơ-chỉ nghiền)
8 kWh/t
Hệ thống sấy
1 Tổng lượng nước phun theo liệu (4,5%) 15000 kg/h
2 Lượng nước còn dư (0,5%) 1700 kg/h
3 Lượng bay hơi 13300 kg/h
Tác nhân sấy
1 Lưu lượng 410000 Nm3/h
2 Nhiệt độ 950C
3 Áp suất -720 daPa
Thơng số chính cấu tạo máy nghiền
1 Đường kính bàn nghiền 5000 mm
2 Số con lăn 3
3 Đường kính con lăn 2800 mm
4 Thiết kế vỏ con lăn Ghép mảnh
5 Số lượng tấm lót bàn nghiền 39
6 Vật liệu bàn nghiền Thép đúc (hight Cr)
7 Vật liệu làm con lăn Thép đúc (hight Cr)
Hệ thống truyền động
2 Công suất truyền vào 3000 kW
4 Tốc độ ra 23,1 rpm
5 Tuổi thọ thiết kế lý thuyết 50000 h
6 Tiêu chuẩn ISO
Yêu cầu động cơ
1 Động cơ chính 3300/1000 kW/rpm
2 Động cơ bộ phận phân ly 132/1500 kW/rpm
3 Hệ thống gây áp lực con lăn 5,5/1500 kW
4 Quạt làm kín 11 kW
5 Truyền động phụ 90/1500 kW
3.1.2 Nguyên lý hoạt động
Liệu được cấp trực tiếp vào bàn nghiền, thực hiện quá trình nghiền bởi chuyển động quay của bàn nghiền quanh hệ thống 3 con lăn. Áp lực nghiền của các con lăn được tạo ra nhờ một hệ thống thủy lực tạo lực ép của các con lăn lên bàn nghiền để nghiền nhỏ các hạt. Do chuyển động quán tính nên các hạt dần chuyển động ra ngoài bàn nghiền. Tác nhân sấy được lấy từ hệ thống tháp trao đổi nhiệt hoặc từ lò đốt phụ và cấp vào máy nghiền qua hệ thống vành kim phun bố trí xung quanh bàn nghiền.
Các hạt được khí sấy thổi lên khỏi bàn nghiền đồng thực hiện quá trình sấy khơ. Các hạt sau đó được đưa lên hệ thống phân ly gồm 2 phần : Cánh phân ly tĩnh (các cánh phân ly được bố trí cố định dạng cánh chớp), cánh phân ly động (dạng lồng quay được nhờ trục truyền động qua mơtơ) . Các hạt thơ, trung bình, mịn va đập vào cánh phân ly tĩnh, các hạt thô bị mất động năng rơi trở lại bàn nghiền chỉ cịn các hạt trung bình, mịn đi qua được.
Tiếp đó các hạt trung bình, mịn va đập vào hệ thống cánh phân ly động, các hạt trung bình bị mất động năng rơi trở lại bàn nghiền qua phễu thu hồi chỉ còn lại những hạt mịn là đi qua được phân ly ra khỏi máy nghiền.
3.2 Các phương pháp khởi động động cơ khơng đồng bộ
Phương trình cân bằng mơmen trong q trình khởi động : M - 𝑀 = J
Trong đó:
M - Mômen điện từ của động cơ f1 (ω) 𝑀 - Mômen cản của tải: f2 (ω)
J - Mơmen qn tính. Ta thấy :
- Tăng tốc độ thuận lợi khi dω/dt > 0 → M > 𝑀 - (M - 𝑀 ) càng lớn thì tốc độ tăng càng nhanh.
- Máy có qn tính lớn thì thời gian khởi động 𝑡 lớn. Dòng điện khởi động 𝐼 (khi khởi động ω = 0 , s = 1) : 𝐼 = ( . ,) ( . ,) Thông thường : 𝐼 = (4 ÷ 7) 𝐼 ứng với điện áp 𝑈 Mômen khởi động 𝑀 : 𝑀 = , ( . ,) ( . ,) Yêu cầu khi khởi động động cơ :
- Mômen khởi động 𝑀 phải lớn để thích ứng với đặc tính tải.
- Dòng khởi động 𝐼 càng nhỏ càng tốt để không ảnh hưởng đến các phụ tải khác. - Thời gian khởi động 𝑡 cần nhỏ để máy có thể làm việc được ngay.
- Thiết bị khởi động đơn giản, rẻ tiền, tin cậy và ít tốn năng lượng .
Những yêu cầu trên là trái ngược nhau, vì thế tùy theo u cầu sử dụng và cơng suất của lưới điện mà ta chọn phương pháp khởi động thích hợp.
3.2.1 Khởi động trực tiếp
Hình 3-2 Khởi động trực tiếp
Đóng Aptomat nối trực tiếp dây quấn stato vào lưới ,động cơ quay. Ưu điểm :
- Thiết bị khởi động đơn giản. - Mômen 𝑀 khởi động lớn. - Thời gian khởi động 𝑡 nhỏ.
Nhược điểm
- Dòng khởi động 𝐼 lớn làm ảnh hưởng đến các phụ tải khác.
- Phương pháp này dùng cho những động cơ công suất nhỏ và công suất của nguồn lớn hơn nhiều lần công suất động cơ.
3.2.2 Khởi động bằng phương pháp đổi nối Y/∆
Hình 3-3 Khởi động bằng phương pháp đổi nối
Phương pháp này chỉ dùng cho động cơ lúc máy làm việc bình thường nối Δ, khi khởi động nối Y, sau khi tốc độ quay gần ổn định chuyển về nối Δ để làm việc.
Ưu điểm
- Điện áp đặt vào động cơ giảm √3 lần. - Dòng điện khởi động giảm 3 lần.
- Thích hợp cho khởi động khơng tải hoặc các phụ tải nhẹ. Nhược điểm
3.2.3 Khởi động bằng máy biến áp tự ngẫu
Hình 3-4 Khởi động bằng máy biến áp tự ngẫu
Khởi động bằng máy biến áp tự ngẫu dùng mở máy cho cơng suất và qn tính lớn : máy bơm, máy nén khí…
Quy trình khởi động :
- Đóng AT1, đóng AT cấp điện cho máy biến áp tự ngẫu. - Đóng K1, động cơ bắt đầu khởi động .
- Khi tốc độ đạt 70-80% định mức, ngắt K1, đóng K2. - Ngắt MBA ra bằng ngắt AT.
Ưu điểm
- Nếu đặt tỉ số = k (lần) > 1 thì dịng khởi động 𝐼 giảm 𝑘 lần. Nhược điểm
3.2.4 Khởi động bằng cuộn kháng mắc vào stato
Hình 3-5 Khởi động bằng cuộng kháng mác vào stato
Đây là phương pháp khá phổ biến và hiệu quả cao. Cho phép khởi động các loại phụ tải nhẹ hoặc không tải.
Quy trình
- Đóng AT cấp điện cho mạch điêu khiển. - Đóng K1, động cơ bắt đầu khởi động.
- Khi tốc độ đạt 70-80% định mức, đóng K2 ngắn mạch kháng. Ưu điểm
- Rẻ tiền, tin cậy, đơn giản.
- Nếu đặt tỉ số = k (lần) > 1 thì dịng khởi động 𝐼 giảm k lần. Nhược điểm
- Mô men khởi động giảm 𝑘 lần. 3.2.5 Khởi động bằng biến tần
Ưu điểm
- Cho phép mở rộng dải điều chỉnh và nâng cao tính chất động học của hệ thống điều chỉnh tốc độ.
- Hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ bằng biến tần có kết cấu đơn giản, làm việc được trong nhiều môi trường khác nhau.
- Khả năng điều chỉnh tốc độ động cơ dễ dàng.
- Có khả năng đáp ứng cho nhiều ứng dụng khác nhau.
- Các thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều động cơ cùng một lúc (dệt, băng tải ...). - Đầy đủ các chức năng bảo vệ động cơ : Quá dòng, quá áp, mất pha, đảo pha … - Có thể kết nối mạng với hệ thống điều khiển trung tâm, động cơ xoay chiềù. Nhược điểm
- Đòi hỏi người lắp đặt và vận hành thiết bị phải có kiến thức nhất định. - Chi phí đầu tư ban đầu cao.
3.2.6 Khởi động bằng phương pháp Soft Starter
Hình 3-7 Khởi động bằng phương pháp Soft Starter Ưu điểm
- Khởi động và dừng động cơ nhẹ nhàng, có điều khiển.
- Có các chức năng bảo vệ động cơ quá tải, ngược pha, mất pha … - Giá thành thấp (Thấp hơn so với biến tần).
3.2.7 Phương pháp khởi động qua điện trở nước
Hình 3-8 Phương pháp khởi động qua điện trở nước Trong đó :
1. Bình chứa dung dịch 𝑁𝑎 C𝑂 . 2. Động cơ nâng hạ điện cực. 3. Điện cực ở vị trí max. 4. Điện cực ở vị trí min.
5. Cơng tắc tơ loại bỏ điện trở phụ.
6. Cảm biến vị trí 𝑆 đo 𝑅 , 𝑆 đo 𝑅 . 7. Động cơ chính.
Động cơ khơng đồng bộ rơto dây quấn có cơng suất lớn ( hàng nghìn kW) được khởi động theo phương pháp đưa điện trở phụ vào rôto.
Bộ khởi động được thiết kế riêng chỉ có nhiệm vụ khởi động cho động cơ với bộ phận chính là thùng điện trở phụ đựng dung dịch Na2CO3. Nồng độ dung dịch được tính tốn để có điện trở phù hợp với yêu cầu khởi động.
Ưu điểm
- Mômen khởi động 𝑀 lớn. - Dòng điện khởi động 𝐼 nhỏ. Nhược điểm
- Chỉ áp dụng được với động cơ KĐB rô to dây quấn .
- Động cơ rôto dây quấn chế tạo phức tạp hơn rơto lồng sóc nên giá thành đắt hơn, bảo quản khó khăn hơn và hiệu suất cũng thấp hơn.
Động cơ nghiền liệu trong nhà máy xi măng Hoàng Mai – Nghệ An sử dụng là động cơ 122-RL1M01 với công suất P =3300 kW, điện áp 6 kV, là động cơ roto dây quấn nên tôi