Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độc cho PRECALCINER

LỜI NÓI ĐẦU Trong quá trình thực tập tại nhà máy xi măng Tam Điệp em đã có dịp tìm hiểu về công nghệ sản xuất xi măng, cũng như hệ thống điều khiển tại nhà máy, đặc biệt là ứng dụng của PLC trong hệ thống điều khiển. Trong đồ án này em được PGS.TS Phan Xuân Minh giao nhiệm vụ tìm hiểu toàn bộ công nghệ sản xuất xi măng, đặc biệt là đi sâu nghiên cứu về Precalciner của nhà máy. Em đã xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát nhiệt độ cho Precalciner bằng cách sử dụng thiết bị khả trình PLC S7 – 300 thuộc họ Simatic của hăng Siemens. Ý tưởng này được xuất phát từ một số ưu điểm của PLC S7 – 300: Thuận lợi trong việc sửa chữa và thay thế. Dễ dàng tìm mua các thiết bị trên thị trường. Ngôn ngữ lập trình dễ sử dụng và kiểm tra. Khả năng kết nối truyền thông cao. Dễ dàng giám sát và điều khiển khi sử dụng WinCC. Tuy đã cố gắng hết sức nhưng do lần đầu tiên bắt tay vào thiết kế một hệ thống điều khiển phức tạp trong nhà máy và thời gian không có nhiều, nên đồ án không thể tránh khỏi những sai sót. Vì vậy, em mong sẽ nhận nhiều sự chỉ bảo của các thầy cô để đồ án của em sẽ được hoàn thiện và ứng dụng rộng rãi. Đồ án của em được hoàn thành ngoài sự cố gắng của bản thân, em còn nhận được sự chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo trong bộ môn, đặc biệt là PGS.TS Phan Xuân Minh, cùng các cán bộ kỹ sư trong xưởng Điện – Điện Tử của nhà máy xi măng Tam Điệp. Em xin trân trọng cám ơn sự giúp đỡ đó. PHẦN I CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CỦA NHÀ MÁY CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG 1.1 Giới thiệu chung về nhà máy: Công ty xi măng Tam Điệp được đặt tại xã Quang Sơn thị xã Tam Điệp tỉnh Ninh Bình, nằm gần quốc lộ 1 và đường sắt Bắc Nam nên rất thuận tiện cho việc giao thông vận tải. Công ty đã bắt đầu chạy thử đầu năm 2004 và đến đầu năm 2005 bao xi măng đầu tiên đã được bán ra thị trường. Dây chuyền sản xuất của công ty theo phương pháp khô với các thiết bị thuộc thế hệ mới, tiên tiến nhất trên thế giới. Mức độ cơ giới hóa và tự động hóa cao, định mức tiêu hao nhiên liệu thấp. Toàn bộ dây chuyển sản xuất của nhà máy từ khâu tiếp nhận nguyên vật liệu tới khâu xuất sản phẩm cho khách hàng đều được điều khiển tự động từ phòng điều khiển trung tâm thông qua hệ thống máy tính và hệ thống các tủ PLC của hãng Allen-Bradley ( Hoa Kỳ ). Việc thiết kế cung cấp thiết bị và phần mềm giám sát do các chuyên gia Đan Mạch đảm nhiệm. Ngoài ra công ty còn được trang bị hệ thống lọc bụi, xử lý nước thải và chống ồn hiện đại của thê giới. Công ty có nguồn nguyên liệu phong phú với chất lượng cao và ổn định rất phù hợp với việc sản xuất xi măng, kết hợp với dây chuyền thiết bị hiện đại, hệ thống phân tích nhanh bằng tia X quang, chương trình tối ưu hóa thành phần phối liệu và hệ thống điều khiển tự động với hàng nghìn các đầu đo, đảm bảo quá trình giám sát và điều khiển liên tục toàn bộ quá trình sản xuất, duy trì ổn đình chất lượng sản phẩm ở mức cao nhất. Các loại sản phẩm chính của công ty xi măng Tam Điệp là: PCB30, PCB40 và PCB50. Sản phẩm của công ty được đóng gói trong bao có 5 lớp giấy Karll hoặc bao phức hợp KPK, đảm bảo chất lượng xi măng tốt nhất khi đến tay người tiêu dùng. Tuy nhiên do dây chuyển mới được đưa vào hoạt động nên sảm phẩm xi măng của công ty chưa tìm được thị trường thích hợp vì vậy sản phẩm chính mà công ty bán vẫn là Clinker. Hiện nay với nhu cầu xây dựng mạnh mẽ của đất nước thì thị trường của sản phẩm xi măng vẫn còn rất rộng lớn, trong một ngày gân đây xi măng Tam Điệp sẽ là sản phẩm không thể thiếu được của mỗi công trình. 1.2 Giới thiệu về công nghệ nhà máy: 1.2.1 Khu nghiền liệu: Đá vôi được khai thác bằng phương pháp nổ mìn và vận chuyển về trạm đập bằng xe ô tô. Tại đây đá được đưa vào máy đập đê làm nhỏ kích thước, máy đập đá là loại máy va đập trực tiếp một rô to có gắn các thanh đập. Đá sau khi đập có kích thước khoảng 150mm và được vận chuyển về kho đồng nhất sơ bộ bằng hệ thống băng tải. Máy rải đá vôi (Stacker) có năng suất bình quân 600t/h rải đá vôi thành 2 đống trong kho. Đất sét được khai thác bằng phương pháp bốc xúc trực tiếp và vận chuyển về trạm chứa của nhà máy. Máy đập sét là loại máy đập 2 trục có răng, năng suất đập 250t/h. Đất sét sau khi đập cũng được vận chuyển về kho đồng nhất sơ bộ bằng hệ thống băng tải. Kho sét được trang bị 2 máy rải ( Stacker ) rải sét thành 2 đống dọc kho theo phương pháp đánh luồng. Năng suất rải của mỗi stacker bình quân là 280t/h. Thạch cao ở dạng cục, có thể chứa tại bãi ngoài trời gần với kho chứa tổng hợp. Trước khi đưa vào kho đồng nhất sơ bộ thạch cao cục được đập qua máy đập có năng suất 120t/h. Khối lượng mỗi loại trong kho là: + Than cám : 2 đông x 7500t + Thạch cao : 1 đống x 800t + Xỷ quặng : 1 đống x 5000t Kho chứa đá vôi được lắp đặt một máy cào ( Reclaimer ) kiểu 2 mái bừa, cắt ngang đống, xúc đá vôi vào băng tải ( 151.300 ) chạy dọc kho. Sau đó đổ vào băng (151.320 ) vận chuyển lên két chứa đá vôi ( 331.010 ) . Tốc độ của reclaimer được điều khiển tự động nhằm giữ két chứa ở một độ đầy nhất định ( đã đặt trước ) nhờ sự chỉ báo của tế bào trọng lượng gắn trên két chứa. Kho chứa đất sét cũng được trang bị một reclaimer ( 153.300 ) kiểu cào ngược, cắt ngang luống đưa sét vào băng tải chạy dọc kho sau đó đổ vào băng tải ( 153.340 ) có găn thiết bị định lượng ( 153.345 ) vận chuyển đất trực tiếp vào máy nghiền liệu. Quặng sắt và nguyên liệu giàu SiO2 cũng được reclaimer kiểu cần cẩu cào vào băng ( 224.700 ) chạy dọc kho đồng nhất và đưa vào các két chứa riêng biệt. Tôc độ của reclaimer ( 224.700 ) sẽ được điều khiển để giữ cho két chứa ở một độ đầy nhất định nhờ sự chỉ báo của các tế bào trọng lượng gắn trên két chứa. Trừ đất sét ( được định lượng qua băng 153.340 ), đá vôi, quặng sắt và nguyên liệu giàu SiO2 để được định lượng nhờ các băng cân trước khi đưa vào máy nghiền liệu. Máy nghiền đứng con lăn Atox được trang bị cho nghiền và sấy hỗn hợp nguyên liệu. Máy phân ly động ( 341. 021 ) được lắp liền trên máy nghiền liệu để phân loại bột liệu. Những hạt quá cỡ sẽ được quay lại bàn nghiền, những hạt thô văng ra khỏi bàn nghiền được cấp liệu rung ( 314.030 ) đưa vào hệ thống tuần hoàn vật liệu. Gồm băng tải ( 331.150 ) và gầu nâng ( 331.140 ) đưa trở lại máy nghiền. Trước khi vào máy nghiền, các kim loại lẫn trong nguyên liệu được tách ra bằng các thiết bị chi tách ( 331.110 ) và ( 331.120 ). Nguồn nhiệt cho sấy được sử dụng chủ yếu là khí thải lò nung sau quạt preheatr. Nhiệt độ khí thải lò nung được điều chỉnh bằng phương pháp phun nước trong tháp điều hòa khí thải GCT để giữ cho nhiệt độ ra khỏi máy nghiền liệu không đổi ( ở mức đặt trước, khoảng 940C ). Khí nóng từ lò nung không đủ nhiệt độ để sấy liệu bên trong máy nghiền thì một máy phát nhiệt ( Generator ) sẽ được khởi động cấp khí nóng bổ sung cho quá trình sấy vật liệu trong máy nghiền. Tỷ lệ phần trăm pha trộn của các loại vật liệu ( đá vôi, đất sét, xỷ, quặng và nguyên liệu giàu SiO2 ) được tính toán cân đối tự động bằng hệ thống điều chỉnh cân đối bột liệu trên cơ sở các hệt số chế tạo do phòng KTSX đưa ra phù hợp với quá trình nung luyện và chất lượng Clinker theo yêu cầu ( chế độ trực tuyến : online mode ). Tỷ lệ trên cũng có thể đặt trực tiếp nếu người vận hành chuyển sang chế độ ngoại tuyến ( off line mode ). Quá trình khởi động hệ thống vận chuyển nguyên liệu tới máy nghiền liệu Reclaimer ( 153.300 ) phải khởi động trước cùng với các băng tải để đất sét có thời gian tới các két chứa đá vôi, xỷ, quặng, nguyên liệu giàu SiO2. Có nghĩa là các băng cân ( 331.020, 331.060, 331.100 ) phải khởi động trễ một thời gian ( đã tính toán trước ) kể từ khi Reclaimer ( 153.300 ) bắt đầu khởi động. Trường hợp sau khi dừng khẩn cấp máy nghiền, vật liệu thô vẫn còn trong băng tải, khi khởi động lại thì người vận hành CCR có thể khởi động bình thường toàn bộ hệ thống vận chuyển mà không cần có thời gian trễ. Bột liệu sau khi được tập trung tai 4 cyclon được vận chuyển bằng máng khí động đưa vào xilô đồng nhất ( 361.040 ). Tốc độ của máy phân ly được điều chỉnh bởi kết quả phân tích độ min sản phẩm của phòng thí nghiệm. Lộ trình vận chuyển bột liệu qua gầu nâng ( 361.010 ) hoặc gầu nâng ( 361.100 ) được chọn bởi người vận hành CCR trước khi khởi động nhóm thiết bị vận chuyển. Khí và bụi sau cyclon lắng, được tuần hoàn lại máy nghiền liệu hoặc đưa qua lọc bụi tĩnh điện ( 341.390 ) ra ống khói nhờ quạt máy nghiền ( 341.090 ) và quạt khí thải ( 341.400 ). Có 5 vòng điều khiển cho quá trình nghiền liệu. 1.2.2 Khu vực lò nung: Xilô bột liệu được chế tạo bằng bê tông cốt thép có sức chứa 20.000 tấn bột liệu. Đáy xilô được bố trí 7 cửa xả liệu ứng với 7 khoang tròn hình nón và được sục khí bởi hệ thống 3 quạt thổi pít tông quay ( 361.BL.01- 03 ) nhằm đạt tới hiệu quả đồng nhất cao. Hệ thống đường ống cấp khí sục phức tạp và các hộp khí đặt tại đáy xilô tạo lên "tầng sôi" bột liệu xả qua 7 cửa tháo đáy theo chương trình. Mỗi lần xả gồm 3 cửa đáy tương ứng với 3 múi tam giác trong 42 múi tại đáy xilô. Mỗi chu ky bằng 60 giây. Trong chu kỳ xả đáy 12 phút, mỗi chu kỳ được sục đáy một lần. Quá trình suc khí xilô và xả đáy được điều khiển bởi 1 bộ PLC lắp đặt trong một hệ thống vi xử lý. Có 7 cửa tháo tại đáy xilô (361.040 ) mỗi cửa được lắp 2 van, một van vận hành bằng tay một van vận hành bằng khí nén. Sau khi bột liệu tập trung tại phễu nhận và theo chu kỳ xả tại các cửa tháo tương ứng. Sau khi tập trung tại phễu bột liệu qua van vận hành khí nén (361.050 ) vào cân cấp liệu lò nung. Việc tháo xả bột liệu từ cân cấp liệu lò nung nhờ van vận hành mô tơ ( 361.FG11 ). Bột đã qua cân được đưa vào preheater 2 nhánh 5 tầng nhờ máng khí động học ( 361.090 ),các van quay (361.120) và các đối trọng ( Flap Value ) (361.125) và vị trí ống nối giữa cyclone số 2 và cyclone số 1 của 2 nhánh A và B. Vị trí van phân chia liệu (361.095) được điều khiển để tình trạng khí giữa 2 nhánh là như nhau. Do có sức hút của quạt preheater khí nóng từ lò và calciner cuốn bột liệu vào cyclone. Tại cyclone quá trình trao đổi nhiệt xảy ra giữa bột liệu và khí nóng, bột liệu tăng dần nhiệt độ và xảy ra các phản ứng mất nước, phản ứng phân hủy khoáng sét. Quá trình canxi hóa xảy ra mãnh liệt khi bột liệu được đưa vào calciner. Trước khi vào lò nung mức độ canxi hóa đạt 90% - 95%, nhiệt độ bột liệu vào khoảng 860 – 8750C. Do có độ dốc và chuyển động quay của lò nung bột liệu được vận chuyển từ đầu lò tới máy làm lạnh clinker trên chiều dài 71m của lò. Khi ra khỏi lò nung bột liệu có nhiệt độ vào khoảng 13500C được rơi vào máy làm lạnh clinker kiểu ghi để làm nguội. Hệ thống điều khiển lò nung có 11 vòng điều chỉnh. Than cám 4A được reclaimer cào vào băng tải chạy dọc kho và được đưa tới két chứa nhờ hệ thống băng tải. Trước khi vào két chứa kim loại trong than được chia tách thải bỏ nhờ hai thiết bị phát hiện kim loại. Sau đó than được tháo từ két chứa vào máy nghiền, máy nghiền than là loại máy nghiền Atox kiểu 3 con lăn được lắp đặt cùng máy phân ly động kiểu RAKM. Có 4 mạch điều khiển được lắp đặt cho máy nghiền than. Sau khi nghiền, than mịn được đưa tới các vòi phun nhờ khí từ các quạt thổi cung cấp cho vòi phun calciner và vòi phun chính của lò. Dầu MFO được một thiết bị gia nhiệt hâm sấy tới nhiệt độ 120 – 1300C và được bơm tới vòi phun cho giai đoạn sấy và khởi động lò nung. Ngoài ra dầu còn được cung cấp tới các generator phát nhiệt cho sấy máy nghiền liệu và máy nghiền than. 1.2.3 Khu vực nghiền – đóng bao: Xi măng thành phẩm được hệ thống vít tải, gầu nâng và mang khí động học vận chuyển vào 4 xilô chứa. Để đồng nhất và tháo xi măng ra khỏi xilô, hệ thống các quạt thổi được lắp đặt để sục khí vào khoang trộn. Xi măng được tháo ra tại đáy duy nhất cho mỗi xilô bên trong khoang trộn rồi qua các van điều khiển lưu lượng vào hệ thống máng khí động học và gầu nâng đến két chứa cho các máy đóng bao. Máng khí động học xả xi măng rời trực tiếp ra các xe ô tô. CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CỦA NHÀ MÁY 2.1 Hệ thống điều khiển: Hệ thống điều khiển của nhà máy gồm có 12 bộ PLC lắp đặt cho các công đoạn sau: + Đập đá vôi, đập đất sét + Kho đá vôi, đất sét + Nghiền liệu + Cấp liệu lò nung + Nung Clinker + Nghiền than + Nghiền sơ bộ + Đập phụ gia, thạch cao + Nghiền xi măng + Đóng bao 1 + Đóng bao 2 PLC là bộ điều khiển logic khả trình có những chức năng quan trọng nhất để điều khiển hoạt động toàn nhà máy: + Điều khiển đóng mạch PID + Điều khiển trình tự động cơ + Phát hiện sai lỗi vận hành + Xử lý báo động + Quét tín hiệu analog, tín hiệu số + Thông tin với hệ thống ECS/OP Station + Thông tin với các PLC khác Các bộ cáp cho kết nối mạng của hệ thống bao gồm: + 1 bộ 500m cáp Ethernet cho kết nối mạng tại vị trí kỹ thuật vận hành + 1 bộ 12km cáp Ethernet cho mạng PLC kể cả phạm vi kết nối giữa phòng điều khiển trung tâm và phòng điều khiển tại chỗ + 1 bộ 4km cáp Device Net cho mạng cáp từ hệ thống PLC đến các thiết bị được điều khiển từ xa hoặc tại chỗ. + Một modul kỹ thuật FLS – ACE/PLC nhãn hiệu FLSA + Một modul tài liệu FLS – ACE/PLC nhãn hiệu FLSA 2.2 Các vị trí vận hành: a. Tại phòng điều khiển trung tâm: Gồm 6 vị trí: - 5 giao diện vận hành gồm máy tính, chuột, bàn phím để điều khiển quá trình. Trong đó có 2 máy tính chủ có dung tích ổ cứng và bộ nhớ gấp đôi máy tính thường, cùng các thiết bị phụ để bảo vệ máy tính chủ. Máy in cho phép in các báo động, máy in lazer cho báo cáo, máy in mầu để copy các màn hình cần thiết. - Một vị trí kỹ thuật lập trình gồm 1 máy tính chủ 32 phần mềm PC AnyWhere: phần mềm chương trình PLC AutoCAC Light; Microsoft Office For Window, phần mềm ECS/Op Station cho giao diện HMI b. Tại phòng điều khiển tại chỗ: Có 4 phòng điều khiển tại chỗ cho các công đoạn sau: - Đập đá vôi - Đập đất sét - Đập thạch cao - Đóng bao xi măng Thiết bị điều khiển tại mỗi phòng điều khiển tại chỗ gồm: - 1 máy tính chủ màn hình 21 inch, chuột bàn phím - Giá đỡ và các thiết bị đầu nối Ngoài hệ thống điều khiển còn được trang bị các modul: - Modul phần mềm FLS - SDR cho thu nhận dữ liệu, báo động, ghi chép báo cáo và các chức năng khác. - Modul phần mềm FLS - ECS/Op Station hiệu FLSA - Một modul kỹ thuật FLS - ACE cho hệ thống các giao diện vận hành, hiệu FLSA 2.3 Chức năng của hệ thống: Việc đánh giá hệ thống tự động điều khiển quá trình dựa trên cơ sở khái niệm về hệ thống FLS - ACE/System (Adaptable Control Engineering ) bao gồm các giao diện vận hành cho người và thiết bị dựa trên hệ thống FLS - ECS/Op Station và các bộ điều khiển logic khả lập trình cho việc điều khiển và thu nhận dữ liệu quá trình dựa trên hệ thống FLS - ACE Allen Bradley PLS System. Hệ thống điều khiển các quá trình chính bao gồm việc giám sát và điều khiển các công đoạn sau: - Nghiền liệu - Cấp liệu lò nung - Lò nung - Máy làm nguội - Nghiền than - Nghiền sơ bộ xi măng - Nghiền xi măng Hệ thống điều khiển các quá trình chính dựa trên cơ sở hệ thống máy tính tại vị trí vận hành trung tâm cho giao diện HMI. Các PLC phân tán và các Modules I/O ( lắp đặt trong các trạm ) cho việc điều khiển môtơ, xử lý báo động và điều khiển vòng. Thông tin giữa các vị trí vần hành trung tâm và hệ thống PLC phân tán sẽ được thưc hiện thông qua hệ thống mạng Ethernet tốc độ cao. Hệ thống điều khiển tại chỗ bao gồm: - Đập đá vôi - Đập đất sét - Đập thạch cao - 2 xưởng đóng bao Các hệ thống điều khiển tại chỗ này dựa trên cơ sở vị trí vận hành tại chỗ cho giám sát và điều khiển, hệ thống PLC và các Modul I/O cho điều khiển môtơ, xử lý báo động và các vòng điều khiển. Các phòng điều khiển tại chỗ được kết nối tới hệ thống điều khiển quá trình chính thông qua hệ thống mạng Ethernet. Người vận hành hệ thống điều khiển quá trình chính ( tại phòng điều khiển trung tâm ) có thể theo dõi, giám sát tình trạng có liên quan tới các công đoạn vận hành tại chỗ. Cho mỗi công đoạn các màn hình sau đây được xác định: a. Hiển thị Mimic ( Mimic display ): - Trong Mimic các phần của công đoạn được đại diện bằng các hình thể tiếp nối với các loại vật liệu và lưu lượng khí. - Mỗi mô tơ, van mở hay ngắt được hiển thị thông tin về 256 tình trạng khác nhau như: chạy, dừng, báo lỗi, tại chỗ, bình thường, mở, ngắt - Mỗi thông tin trạng thái được hiển thị mầu được mô tả nguyên văn trên vị trí vận hành. - Các giá trị analog được hiển thị cùng với các mầu khác nhau tương ứng với các mức báo động bằng số hoặc bằng mô hình các thanh. - Các đường cong hướng cho các giá trị kiểm soát có thể được đưa vào hình ảnh mimic. b. Hiển thị start - up ( Start - up display ): - Các mimic đăc biệt được thiết kế để khởi động, dừng các nhóm thiết bị qua các chương trình điều khiển PLC cùng các thông tin về báo động, khoá liên động cho các nhóm dừng và khởi động. c. Hiển thị vòng PID ( PID loop display ): - Việc điều khiển vòng cùng với thưc đơn bộ điều khiển và hình ảnh đường cong điều khiển dựa trên 3 chế độ vận hành: + Chế độ Auto + Chế độ Manual + Chế độ Force down - Việc điều khiển vòng được thực hiện từ các cửa sổ Pop – up ( PID Faceplate ) sử dụng chuột cùng với các hình thể trong PID Facepiate. Facepiate hiển thị điểm đặt, đầu vào quá trình, đầu ra bộ điều khiển và có thể nhập vào sơ đồ mimic. d. Xem xet báo động: - Các thông tin về báo động quá trình và hệ thống có thể xảy ra cùng. với thời gian xuất hiện - Mỗi tín hiệu analog có thể có trên 10 mức khác nhau. Mỗi mức đại . diện cho 1 mức báo động - Trong PLC, mỗi báo động được đánh dấu thời gian tại thời điểm ghi và xoá, cho phép phân tích báo động các máy đơn hoặc phân xưởng. e. Các đường cong về hướng: - Cung cấp thông tin về năng suất máy móc và quá trình trong thời kỳ và so sánh sự phát triển các giá trị quá trình khác nhau cùng với các dữ liệu thực tế và dữ liệu đã qua. - Xác định các nhóm cùng với 4 đường cong dữ liệu kiểm soát. - Các đường cong đã qua và đường cong tại thời điểm thực tế. f. Các báo cáo: - Các báo cáo quá trình chứa đựng 16 giá trị điểm khác nhau về giá trị vận hành như sản phẩm, mức tiêu tốn nguyên, nhiên liệu... được báo cáo tự động trong 24h. - Báo cáo tháng hoặc giá trị trung bình ngày, báo cáo năm với tính toán tháng hoặc giá trị trung bình tháng, số giờ làm việc liên tục của thiết bị. - Các báo cáo về báo động - Các báo cáo về sự việc xảy ra - Báo cáo về hướng cùng với 4 đường cong 2.4 Giám sát và điều khiển FLF - ECS Expert: a. Thiết bị tối ưu hoá quá trình bao gồm: - 1 máy tính chủ với bộ nhớ 128Mbyte dung tích ổ cứng 10Gbyte màn hình 21 inch chuột và bàn phím. - 1 máy in lazer b. Điều khiển lò nung: - 1 modul điều khiển lò FLS - ECS/Fuggy Expert, hiệu FLSA: điều khiển giám sát lò nung khi lò đã nạp tới 70% năng suất nhằm ổn định lò nung, chất lượng Clinker, kinh tế về nguyên liệu và sản phẩm tối đa dựa trên mức. - Nhóm điều khiển zôn nung: + Xử lý tổn thất gạch chịu lửa + Ổn định vận hành + Chất lượng Clinker tốt + Sản phẩm tối đa - Nhóm điều khiển quá trình cháy: + Mức CO đúng + Mức O2 đúng + Tiết kiệm về nhiên liệu với nhiệt độ khí gas thải ra là nhỏ nhất. - Nhóm điều khiển điểm đặt dẫn động: + Cấp liệu lò nung + Nhiên liệu tới lò + Tôc độ quạt khí thải c. Điều khiển khởi động lò nung: - Modul điều khiển khởi động lò FLS - ECS/Fuzzy Expert hiệu FLSA: điều khiển và giám sát lò nung từ khi cấp liệu tới khi cấp liệu đạt 70% năng suất. - Nhóm điều khiển khởi động lò bao gồm các mục tiêu: + Làm tăng tốc độ lò và cấp liệu lò nung tới mức sản xuất mong muốn. + Điều khiển tiêu tốn nhiệt trong phần nung theo chức năng. + Điều khiển điểm đặt nhiệt độ cho Calciner theo chức năng. - Điều khiển điểm đặt cho dẫn động: + Tốc độ lò + Cấp liệu lò + Nhiên liệu cấp cho lò d. Điều khiển máy làm nguội: Modul phần mềm FLS - ECS/Fuzzy Expert điều khiển máy làm nguội nhãn hiệu FLSA bao gồm: Nhóm điều khiển máy làm nguội clinker bao gồm những mục tiêu sau: + Điều khiển dòng chảy + Ổn định áp suất dưới ghi + Ổn định và tối đa lượng gió 2 và gió 3 + Tối ưu hoá lượng gió làm mát + Những mục tiêu mới do khách hàng qui định - Điều khiển điểm đặt cho đẫn động: + Áp suất ghi số 1. + Tốc độ các ghi + Lưu lượng gió của tất cả các quạt e. Điều khiển máy nghiền xi măng: - Modul phần mềm FLS - ECS/fuzzy Expert điều khiển máy nghiền xi măng nhãn hiệu FLSA bao gồm: việc điều khiển máy phân ly trong giai đoạn nghiền xi măng nhằm đạt chất lượng xi măng và sản lượng tối đa. - Nhóm điều khiển máy nghiền xi măng gồm các mục đích sau: + Độ mịn tối ưu + Sản phẩm tối đa và phần quay lại máy nghiền là tối thiểu. + Những mục tiêu do khách hàng xác định. - Điều khiển điểm đặt cho các dẫn động: + Tốc độ máy phân ly + Cấp liệu mới tới máy nghiền f. Máy quét Scanner: - Hệ thống được trang bị một máy quét nhiệt độ vỏ lò nung để giám sát theo dõi nhiệt độ vỏ lò và gạch chịu lửa. Thiết bị scanner là một máy quét tia hồng ngoại tốc độ cao để đo nhiệt độ vỏ lò nung. Cứ mỗi vòng quay của vỏ lò nung, toàn bộ nhiệt độ vỏ lò được thu về với 1 hình chữ nhật 20 - 30cm trên màn hình máy quét. - Máy quét Scanner không chỉ là 1 thiết bị báo động đáng tin cậy mà còn sử dụng để đánh giá tình hình gạch chịu lửa lát trong lò, tức là xác định mức độ hao mòn lớp lót cũng như phát hiện và mức độ mảng nóng phát triển, độ dày của lớp bảo vệ và hình dạng của vòng đỡ lò, mức độ vùng đốt, giúp cho người vận hành tại phòng điều khiển trung tâm có giải pháp phù hợp nhằm tránh hư hại lớn cho lớp lót và duy trì lo nung tiếp tục hoạt động dài ngày, có hiệu quả. - Một máy tính chủ bộ nhớ 128Mbyte, dung tích ổ cứng 10Gbyte, màn hình 21 inch, chuột, bàn phím và máy in màu được lắp đặt trong phòng điều khiển trung tâm để theo dõi và giám sát nhiệt độ vỏ lò. CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG MẠNG ETHERNET TOÀN NHÀ MÁY 3.1 Giới thiệu chung: 3.1.1. Giới thiệu chung: Hệ thống điều khiển tự động của nhà máy được kết nối bởi mô hình mạng Ethernet, dựa trên mô hình 7 lớp OSI. Nguyên tắc đấu nối hình sao Star, điều khiển logic kiểu Bus hoặc kiểu mạch vòng Token Ring. Phương pháp đường truyền bao gồm : Control Net (CN), RS-232, RS485, Data Highway Plus (DH+), twisted Pair, Fiber Optical. Phần mềm quản lý mạng là WinNT4.0 Server, phần mềm điểu khiển và vận hành là Plain Guide, OP Station và RSLogic5000. Các trạm vận hành và hệ thống các tủ PLC được máy chủ quản lý bằng các địa chỉ IP ( Internet Potcol), cấp phát nhờ dịch vụ DHCP của WinNT4.0Server Hệ thống điều khiển tự động gồm 5 trạm vận hành trung tâm, 5 trạm điều khiển cục bộ và 40 tủ PLC Cabinet. 3.1.2. Hệ thống máy tính quản lý mạng, điều khiển và vận hành: Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống máy tính quản lý mạng toàn nhà máy 3.1.3 Quản lý mạng Ethernet : Bao gồm 2 máy chủ ECS được cấp phát địa chỉ IP1 và IP2. Mỗi máy chủ đấu nối với 1 Ethernet Switch (bộ chuyển mạch mạng thượng tầng ), quản lý hệ thống mạng bằng địa chỉ IP, qua Ethernet Switch. Một trong 2 máy chủ đóng vai trò Back Up Server ( máy chủ sao lưu, dự phòng ). Chúng chạy song hành nhờ dịch vụ đồng bộ dữ liệu của WinNT Server. Ngoài ra còn có 4 bộ chuyển mạch Ethernet Switch khác phục vụ cho các trạm điều khiển và vận hành cục bộ là 131, 133, 222, 641(1), 641(2). 3.1.4. Điều khiển và vận hành: Bao gồm 5 trạm điều khiển vận hành trung tâm tại phòng điều khiển trung tâm, 5 trạm điều khiển và vận hành cục bộ 131, 133, 222, 641(1), 641(2).Chúng liên kết với nhau nhờ các bộ chuyển mạch Ethernet Switch và địa chỉ IP cấp phát bởi máy chủ ECS. 3.1.5 Lập trịnh PLC và vận hành mô phỏng( lập trình mờ ): Gồm 2 máy trạm lập trình PLC SMART STAION và 1 máy trạm vận hành mô phỏng Fuzzy Epress. Lập trình mờ- Hệ chuyên gia : kiến trúc điều khiển và vận hành giả định, mô phỏng chạy thử và tối ưu hoá quy trình vận hành sản xuất. 3.1.6 Phòng thí nghiệm : Gồm 1 hệ thống lấy mẫu tự động, 1 trạm phân tích quang phổ X-RAY và 1 trạm quản lý chất lượng QCX. 3.1.7 Hệ thống giám sát Cem-Scanner : Gồm 1 trạm Cem-Scanner kết nối với 2 trạm giám sát độc lập LON WORK tại lò nung và vi lò. 3.1.8 Phần còn lại : Các máy in báo cáo quá trình vận hành và sản xuất thường nhật, thường kỳ, tự động và cảnh báo “nóng ”. Chúng được được nối bởi bộ Print Server, liên kết trực tiếp với tất cả các trạm thông qua các bộ chuyển mạch Ethernet Switch với IP được cấp phát bởi máy chủ ECS. 3.2 Hệ thống mạng lưới đấu nối : gồm 5 phần 3.2.1 Điều khiển trung tâm: Mọi thiết bị được đấu nối với Ethernet Switch U11.1 và U11.2 bằng truyền thông cáp xoắn. Hai máy chủ ECS với địa chỉ IP1, IP2 được đấu nối với 2 Switch U11.1 và u11.2. 05 trạm vận hành OP-Station được đánh địa chỉ IP11/12/13/14/15 cũng đấu nối tới U11.1 và U11.2 với truyền thông cáp xoắn Ethernet. Các hoạt động của chúng dựa trên cơ sở phân cấp và điều hành của WinNT4.0. Tuỳ theo sự phân cấp của máy chủ ECS mà mỗi trạm vận hành có chức năng vận hành giống nhau hoặc khác nhau. Một lệnh điều khiển hoặc vận hành từ OP-Station bất kỳ được máy chủ ECS cập nhật, thông qua hệ thống mạng Ethernet chuyển tải xuống từng bộ phận làm việc tương ứng. 02 trạm theo dõi tổng thể quá trình sản xuất của nhà máy là Plant Guide được đánh địa chỉ IP31/IP32 và được đấu nối với U11.1. 2 trạm Plant Guide sử dụng phần mềm Plant-Guide chạy trên nền hệ điều hành WinNT, đóng vai trò giám sát chặt chẽ mọi hoạt động, phát hiện và cảnh báo sự cố. 02 trạm lập trình PLC Smart Station được đánh địa chỉ IP21/IP22 đấu nối với U11.1 và U11.2 cho phép sửa đổi, thay đổi trực tiếp hoặc gián tiếp (Online/Ofline) mọi vị trí trên dây chuyền sản xuất của nhà máy. Hệ thống QCX, lấy mẫu tự động và X-RAY được đấu nối với U11.2 có địa chỉ IP51/71 và 72. Trạm lập trình mờ Fuzzy Expert đấu nối tới U11.1, 4 máy in báo cáo, cảnh báo được đấu nối tới 1 Print Server, từ đây đấu nối trực tiếp tới 2 máy chủ ECS. 3.2.2 Đập đá và sét 131/133: Là một trạm vận hành Local Control có vị trí đặc biệt là cách xa trung tâm nhà máy. Trạm vận hành đập đá và sét liên kết với điều khiển trung tâm bằng truyền thông sợi quang đa mode, chế độ Half Duplex. Để thực hiện được điều này, nhà máy sử dụng 1 bộ Switch quang tại tram 131 cho phép ghép nối và truyền nhận tín hiệu quang với 731 và với 151/153 một cách chính xác và nhanh nhất. 02 trạm vận hành OP-Station Local 131/133 được đánh địa chỉ IP16/17 cho phép hiện thị và vân hành mọi hoạt động tại trạm đập đá và sét. Thiết lập chế độ thời gian thực của băng tải, công suất máy đập và đồng bộ quá trình liên động với CCR. Vì những lý do kỹ thuật và địa hình, rõ ràng hệ thống Ethernet tại trạm đập đá và sét 131/133 là hệ thống mạng phức tạp nhất của nhà máy. Đòi hỏi yêu cầu lắp đặt, chạy thử và vận hành phải tuyệt đối chính xác. Từ 131/133, người ta còn sử dụng 3 bộ chia quang Split Fiber, phân làm 3 đoạn, mỗi đoạn dài 1km để kết nối liên động với PLC tại 151/153. Do vậy, tổn thất đường truyền nếu có tại 151/153 là điều hoàn toàn dễ hiểu và có thể xảy ra. 3.2.3 Kho tổng hợp(thạch cao, than, phụ gia)222 Tại 222, trạm vận hành tại chỗ OP-Station Local được đánh địa chỉ IP18 cho phép thiết lập thông số với quá trình tiếp nhận,chuyển tải Thạch Cao, Phụ Gia, Than cho quá trình xi măng. Đồng bộ tín hiệu với CCR trong quá trình liên động toàn nhà máy. Đấu nối với CCR bằng truyền thông sợi quang. Bố trí 1 Ethernet Hub thực hiện việc tiếp nhận, phân chia đường truyền và tín hiệu. 3.2.4 Phân xưởng đóng bao 641 (1) và 641 (2): Tương tự như 222. Trạm điều hành cục bộ OP-Station Local tại 641/1 và 641/2 được đánh địa chỉ IP19/IP20 cho phép đồng bộ tín hiệu với CCR băng truyền thông sợi quang bằng 2 Ethernet Hub. 3.3 Hoạt động của mạng Ethernet của nhà máy: 3.3.1.Hoạt động chung: Trong quá trình điều khiển và vận hành, 1 mệnh lệnh sau khi được người vận hành đưa vào hệ thống sẽ được máy chủ ECS xác nhận địa chỉ IP nơi gửi và nơi thực thi mệnh lệnh.Tín hiệu dựa trên cơ sở cấu trúc mạng hình sao STAR thiết lập 1leadline nhanh nhất, ngắn nhất bằng các cơ sở sẵn có về cấu trúc vật lý như tốc độ truyền, số bít truyền, số khung truyền, khoảng cách trưyền….Từ trạm điều hành trung tâm, gói dữ liệu bao gồm những thông số được máy chủ thiết lập theo tiêu chuẩn Ethernet được gửi đi. Tại các bộ chuyển mạch Ethernet Switch, gói dữ liệu được đưa vào bộ nhớ đệm và chờ đợi Ethernet Switch lựa chọn một cổng địa chỉ thích hợp để gửi tới bộ phận hạng mục thực thi. Cơ chế lựa chọn cổng địa chỉ của ES là cơ chế Logic mạch vòng-Token Ring. Với cơ chế này, ES sẽ quét tất cả các cổng đầu ra và lựa chọn một cổng tương ứng với thông số mà máy ECS gửi , ở đấy chính là điạ chỉ IP.Trong trường hợp có lỗi hoặc không tìm thấy địa chỉ IP cần thiết, gói dữ liệu sẽ trả lại 1 xung tín hiệu gọi là bít dừng (Bit Stop).Máy chủ ECS sẽ phát hiện và thông báo với trạm vận hành. Lúc này, 1mệnh lệnh có thể thực hiện lại từ đầu hoặc huỷ bỏ. Theo cấu trúc vật lý Ethernet của nhà máy tại một số hạng mục,người ta thiết lập thêm nhiều cơ chế mạch vòng Token Ring, Conrol net, Device Net, LON worknet khác cho việc thưc thi mệnh lệnh một cách chính xác và triệt để, Để thực hiện được điều này, người ta sử dụng thêm một số Ethernet Hub và Ethernet Switch khác cho các hạng mục như đập đá và sét 131/131;kho tổng hợp(thạch cao, than, phụ gia)222; phân xưởng đóng bao 641(1); phân xướng đóng bao 641(2).Các Ethernet Hub và Ethernet Switch này thực hiện cơ chế mạch vòng Token Ring tương tự như tại điều khiển trung tâm.Gói dữ liệu được chuyển vào bộ đệm, được lựa chọn địa chỉ IP đầu ra và được trưyền đi với tốc độ cho phép. Tính linh hoạt của Ethernt ngoài việc có thể thiết lập nhiều cơ chế Logic mạch vòng Token Ring và trường Bus trên cơ sở cấu trúc vật lý mạng hình sao Star. Nó cũng cho phép thực hiện cơ chế liên kết cơ chế dữ liệu kiểu trường Bus tại từng hạng mục. Tiêu biểu là tiêu chuẩn giao diện RS-485 và CN(Control Net)bằng cáp xoắn đôi cho việc liên kết giữa các PLC Cabinet tại các hạng mục. Quá trình thực thi 1 mệnh lệnh trong điều khiển và tự động hoá của nhà máy cho ta thấy cấu trúc Ethernet tiêu biểu. Đó là cấu trúc phân tán theo lớp với tốc độ cao, chính xác tuyệt đối và dễ dàng sửa đổi, nâng cấp mở rộng.Mặc dù vậy, nó cũng đòi hỏi khả năng vận hành và quản trị mạng lưới chấp nhận được. 3.3.2. Cấu trúc mạng –Topology: - Cấu trúc hình sao-Star: Trạm trung tâm ECS quan trọng hơn tất cả các nút khác, ECS sẽ điều khiển truyền thông của toàn mạng. Các thành viên khác như các trạm vận hành, các tủ PLC, các trạm SLC, được kết nối gián tiếp với nhau qua trạm trung gian ECS. Liên kết về mặt vật lý là điểm - điểm, về mặt logic vẫn có thể là đa điềm. Trong nhà máy, mạng Ethernet có cấu trúc hình sao về mặt vật ._.lý nhưng lại có cấu trúc logic như 1 mạch vòng và 1 hệ bus. Bởi các trạm từ 131 đến 641 vẫn có thể hoạt động tại bản thân nó ngay cả khi không có sự điều hành của trạm trung tâm tại 731. Nhờ có Ethernet Switch/Hub hiện đại và cáp truyền dẫn quang tốc độ cao lên tới 100Mps, cấu trúc hình sao hoàn toàn có thể đảm đương các chức năng điều khiển tự động của nhà máy. Với cấu trúc hình sao, nhà máy có khả năng nâng cấp và mở rộng hệ thống mạng dễ dàng. Star Hình 3.2 Sơ đồ nối dây hình sao - Control Net : Dựa trên cơ sở cấu trúc Bus. Tất cả các thành viên của mạng đều nối trực tiếp với 1 đường dẫn chung. Có thể thấy ở hầu hết các hệ thống PLC và SLC tại các phân xưởng. Từ các tủ PLC Cabinet nối tới các tủ I/O, nối tới các bộ SLC của các thiết bị, các động cơ, các đầu đo, van... Trong hệ thống Ethernet của nhà máy, cấu trúc Control Net phát huy tính năng của nó giúp hoàn thiện quá trình liên động của hệ thống. Đáp ứng yêu cầu tương thích của các cấu trúc Profibus, CAN, LON Work. Có 3 loại cấu trúc Control Net-Bus : - Daisy Chain: mỗi trạm được nối mạng trực tiếp tại giao lộ của 2 đoạn dây dẫn, không qua đoạn dây nối phụ vào. - Trunk-line/ Drop-line: mỗi trạm được nối qua một đường nhánh(Drop-line) để đến đường trục(trunk-line). - Mạch vòng không tích cực: chỉ khác với trunk-line/ drop-line ở chổ đường truyền được khép kín. - Profibus DP: Thể hiện rõ ở hệ thống lấy mẫu tự động 731PT01A01 Profibus DP được phát triển nhằm đáp ứng các yêu cầu cao về tính năng thời gian trao đổi dữ liệu dưới cấp trường. Như giữa thiết bị khả trình PLC hoặc máy tính cá nhân công nghiệp với các thiết bị trường phân tán như I/O, các thiết bị đo, truyền động và van. Các dịch vụ truyền thông cần thiết được định nghĩa qua các hàm DP-Decentral Periphery cơ sở theo chuẩn EN50170. DP còn hỗ trợ các dịch vụ truyền thông tuần hoàn, phục vụ tham số hoá, vận hành và chuẩn đoán các thiết bị truờng thông minh PLC PC PLC I/O TbÞ §o §Çu Dß Van Hình 3.3 Profibus DP cho các thiết bị trường. - Device net: Thể hiện rõ ở hạng mục Silo CF và cấp liệu lò nung 361 Hệ thống được hãng Allen Bradley phát triển dựa trên cơ sở của CAN chuẩn hoá quốc tế ISO11898.Sử dụng nối mạng cho các tiết bị đơn giản ở cấp chấp hành. Chuẩn hoá bởi IEC62026-3. Không đơn thuần là chuẩn giao thức cho lớp ứng dụng của CAN(Controller Area Network)mà còn bổ sung 1 số chi tiết thực hiện lớp vật lý và đưa ra các phương thức giao tiếp kiểu tay đôi(Peer-to-peer)hoặc chủ /tớ (Master/Slave).Cấu hình mạng đường trục/đường nhánh, chiều dài nhánh hạn chế dười 6m. 3 tốc độ quy định125,250,500KBPS tương ứng với chiều dài tối đa đường trục là 500, 250, 100m. 3.4. Hệ thống PLC CCABINET: PLC nhìn chung bao gồm bộ cung cấp nguồn 24 VDC SITOP của hãng Siemens, bộ điều khiển và sử lý Control Logic 1747 và 1756, các bộ đầu vào/ ra tương tự -số, các kênh I/O, các điểm đo, các bộ bổ trợ ghép nối như EthernetAdapter, Ethernet Adapter Repeater… của hãng Rockwell. PLC Cabinet cho phép ghép nối các bộ điều khiển logic lập trình được trên một hệ thống mở, liên kết với nhau bởi hệ thống mạng Ethernet và phần mềm điều khiển RSLogic chạy trên WinNT Server. 3.4.1. PLC Cabinets Bao gồm 40 PLC Cabinet chính và nhiều PLC phụ trợ cùng hệ thống tủ bảng PLC phân bổ đều trên các hạng mục của nhà máy. Chúng liên kết với nhau giữa PLC chủ yếu bằng phương pháp đấu nối Control Net(CN) hoặc DH+. 3.4.2. PLC Cabinet được chia thành 2 loại sau: - TS8205: chứa các bộ xư lý CPU,các bộ điều khiển! Tiêu chuẩn: EN60439-1 Điện áp tiêu thụ cho mạch: 24 VDC Các giới hạn cho phép: ±10% với VAC; ±5% với VDC Lớp rào chắn,bảo vệ: IP54 Bảo vệ chống lại tăng điện áp:Rào chắn Điều khiển vận hành: sáng sủa, khô giáo, ít bụi, độ ẩm 90%, nhiệt độ cho phép -5oC tới 40oC, trong 24h liên tục nhiệt độ trung bình cao nhất +35oC. - AE1110: chứa các bộ chuyển đổi vào /ra số và tương tự, các điểm đo, các hệ thống rơle an toàn. Tiêu chuẩn EN60439-1 Điện áp tiêu thụ cho mạch:24 VDC Giới hạn cho phép: ±10% với VAC; ±5% với VDC Mức bảo vệ: IP65 Bảo vệ quá áp:Rào chắn Điều kiện vận hành: sáng sủa, khô giáo, ít bụi, đọ ẩm 100% nhiệt đọ cho phép- 25oC tới 50oC,trong 24h liên tục nhiệt độ trung bình cao nhất+45oC. Hệ thống tiếp đất:TN-S 3.4.3. PLC cho các hạng mục như sau: KÝ HIỆU HẠNG MỤC HẠNG MỤC CABINNETS 131CS01 Limstone &Shale Đập đá và sét 05 222 CS01 Gypsum Coal Additive Kho tổng hợp 03 341 CS01 Raw Mill Nghiền thô 03 361 CS01 Kiln Feed Cấp liệu lò nung 05 431 CS01 Kiln Lò nung Clinker 05 441 CS01 Cooler Làm nguội Clinker 03 461 CS01 Coal mill Nghiền than 03 541 CS01 PreGrinder Mill Tiền nghiền xi măng 04 541 CS02 Cement Mill Nghiền xi măng 04 641 CS01 Packing Plant 1 Đóng bao 1 03 641 CS02 Packing Plant 2 Đóng bao 2 01 731 CS01 Ethernet Mạng thượng tầng 01 3.4.4.Nguyên tắc điều khiển và vận hành hệ thống PLC: Việc nhập một chương trình giá trị logic vào trong bộ điều khiển được sử dụng bởi phần mềm. Khi đó, bộ điều khiển được đặt ở chế độ chạy RUN,bắt đầu vòng điều khiển và vận hành. Vòng điều khiển, vận hành sẽ thực thi tiến trình cho truớc trừ khi bị thay đổi bởi chương trình logic. Operating Cycle Vßng VËn Hµnh Input Scan Program Scan Overhead Service Comms Output Scan (1) (2) (3) (4) (5) Hình 3.4 Chu kỳ điều khiển và vận hành hệ thống PLC Kiểm tra/ quét tín hiệu lối vào: quá trình được thực hiện bởi bộ điều khiển để kiểm tra và đọc tất cả dữ liệu lối vào, thông thường kéo dài khoảng ms. Kiểm tra/ quét chương trình: quá trình được thực hiện bởi bộ xử lý để tiến hành những chỉ thị/lệnh của chương trình. Thời gian kiểm tra nhiều hay ít phụ thuộc những lệnh được thực hiện và mỗi trạng thái chỉ thị trong suốt thời gian kiểm tra. Kiểm tra tín hiệu lối ra: quá trình được thực hiện bởi bộ điều khiển để kiểm tra và ghi lại tất cả tín hiệu lối ra, thông thường kéo dài cỡ ms. Kết nối dịch vụ: một phần của vòng điều khiển và vận hành là việc kết nối tới các thiết bị khác như 1 HHT hoặc PC. Giữ lại và truyền qua; thời gian trả cho việc quản lý bộ nhớ và những lần nâng cấp hoặc đăng nhập bên trong. 3.4.5. Các kiểu đầu nối PLC: - IP-Internet Protocol: Theo giao thức Internet. - DH+ - Data Highway Plus: Băng thông rộng có mở rộng. - CN – Control Net: Điều khiển mạng ở dạng giao thức gần và cục bộ. - OLM – Optipcal Link Module: Bộ kết nối quang. - DP – Profibus DP 3.5. Bộ xử lý điều khiển ( Process controller) - Kiểu bộ điều khiển thường dùng là bộ Series Control Logic với các cổng tuần tự vào ra (I/O Series) cho Control Logic và FLEX I/O. - Bộ vi xử lý Control Logic là bộ điều khiển chính, được ghép nối với cấu hình đơn lẻ. - Sự kết nối tới hệ thống HMI được thực thi theo kiểu 1 cấu hình Ethernet dư (để thừa khoảng trống). - Tín hiệu vào/ra-TS8205AB2 và –TS8205AB3.Phương tiện kết nối CN-Control Net là loại cáp điện động trục(Electrical Coax Cable) khi các tủ I/O là cùng phòng với tủ CPU. Nếu các tủ I/O nằm ở phòng/nhà khác nhau thì phương tiện/phương thức Control Net là cáp quang(Fiber Optic ). - FLEX I/O được đặt trong tủ cửa kéo I/O- AE1110AB1. Việc kết nối tới các tủ I/O này được thực hiện theo đường kết nối CN. Phương tiện cho CN này là cáp quang. - việc kết nối tới hệ thống PLC tổng được thực hiện theo đường kết nối DH+. Phương tiện cho DH+ là cáp đôi xoắn điện 3.6 Các bộ cung cấp nguồn: - Cho Control Logic: 1 nguồn cấp bên trong thường được cấp nguồn đầy đủ và liên tục, cần thiết cho hệ thống dẫn phía sau. - Một bộ cấp nguồn bên ngoài Simens 24vdc thường được sử dụng cho các tín hiệu vào/ra. - Một bộ cấp nguồn bên ngoài Simens 24vcdc cấp tới trạm điều hành cục bộ( local Operator Station). 3.7. Hệ thống chuyển mạch quang FIBER SWICHES 3.7.1 Ethernet Switch: Ethernet Switch được chế tạo nhằm tăng băng thông sử dụng cho các ứng dụng trong đó mỗi cổng của Ethernet Switch được nối đến một địa chỉ mạng và hoạt động với tốc độ lớn nhất mà mạng đó cho phép. Ethernet Switch vừa đóng vai trò như một bộ dẫn đường Router. Mỗi cổng Ethernet Switch lưu giữ một địa chỉ thiết bị nối đến cổng đó. Do vậy, Ethernet Switch Phải đủ bộ nhớ tương ứng với cổng để chứa địa chỉ của tất cả các nút có thể nối vào nó. Ethernet Switch sử dụng địa chỉ được lưu giữ tại mỗi cổng để truyền đi một gói được nhận trên một cổng đến cổng thích hợp. Hoạt động này được gọi là Switching. Chức năng Switching được thực hiện khi địa chỉ đích của khung Ethernet, mỗi đoạn Ethernet nối đến một cổng của Ethernet Switch tạo thành một miền va chạm CSMA/CD riêng biệt. Hiện tượng va chạm phát sinh trên một đoạn Ethernet do đó sẽ không truyền đến đoạn khác. PC PC PC PC PC PC Ethernet Switch Hình 3.5 Sơ đồ đầu nối của Ethernet Switch Etherne Switch có thể cho phép chọn lựa tốc độ truyền 10/100Mbps bằng việc thiết lậpcho các cổng. Nó cũng cho phép chọn lựa chế độ Hafl Duplex hoặc Full Duplex để đặt cho các giới hạn khoảng cách truyền bằng cách thiết lập cầu nối (Jumper Setting) trong các modul cổng hoặc tự động điều chỉnh. 3.7.2 Các thông số quan trọng: a. Tổng quan: - Tốc độ chung chuyển dữ liệu: - 2380.800 Frames p/s cho 16 Port 100 Mbps( VD:Magnum QS5116) - Tốc độ truyền dữ liệu: - 1.190.400 Frames p/s cho 8 Port 100 Mbps( VD Magnum S580/5108) - Tốc độ truyền dữ liệu: 10Mbps &100Mbps - Số lượng bảng địa chỉ lớn nhất: 24K nốt địa chỉ (12K trong loại 8 Port) - Trễ đường truyền: 5µs+ thời gian gói (100 to 100Mbps) 15µs+ thời gian gói (10 to 10Mbps và 10 to 100Mbps) b. Các tiêu chuẩn Ethernet phù hợp: - Ethernet V1.0/V2.0 IEEE 802.3: 10BASE-T - Ethernet V1.0/V2.0 IEEE802.3u:100 BASE-TX,100BASE-FX c. Độ dài lớn nhất theo từng đoạn kết nối của mạng thượng tầng 10Mbps: - Cáp xoắn không bọc: 100m (328 Feet) - Cáp xoắn có bọc: 150m(492Ft) - Cáp quang đa mode 10BASE-FL: 2km(6562Et) - Cáp quang đơn mode 100BASE-FL: 10km(62,810Ft) d. Độ dài lớn nhất theo từng đoạn kết nối dựa trên tiêu chuẩn Fast Ethernet: - 10BASE-T (CAT3,4,5 UTP): 100m - 100BASE-TX (CAT 5UTP): 100m - Cáp xoắn có bọc:150m - 100BASE-FX, HDX,sợi quang đa mode: 412m - 100BASE-FX, FDX, sợi quang đa mode: 2km - 100BASE-FX, bước sóng ngắn HDX sợi quang đa mode: 300m - 100BASE-FX, HDX, sợi quang đơn mode: 412m - 100BASE-FX,FDX,sợi quang đơn mode: 15m e. Kết nối sợi quang đa mode: - Kiểu SC( hàm sập- snap in):100BASE-FX - Kiểu ST( kẹp xoắn –twist lock):100BASE-FX - Kiểu MTRJ( phích cắm-plug in):100BASE- FX - Kiểu VF45 ( phích cắm-plug-in): 100BASE-FX - Kiểu ST( kẹp xoắn- twist lock):10ASE-FL f .kết nối sợi quang đơn mode: - Kiểu ST( kẹp xoắn-twist lock):100BASE-FX g. Đèn báo LED cho mổi cổng: - LK: Steady On: sẵn sàng On khi liên kết truyền cho vận hành - ACT: hoạt động: trạng thái làm việc với việc kích hoạt các cổng nhận - FDX/HDX: On-chế đọ Full Duplex; OFF- chế độ Haff Duplex - 100/10: On-tốc độ 100Mbps; OFF - tốc độ 10Mps h. môi trường vận hành: - Nhiêt độ bao quanh: 0-500 C - Nhiệt độ khoang chứa:-20-600 C - Độ ẩm cho phép:10%- 95% (không ngưng tụ nước) i. Nguồn cung cấp: - Công tắc đầu vào ON/OFF, đầu cắm đạt tiêu chuẩn IEC. - Điện áp lối vào: 110-240 VAC ( tự động điều chỉnh) - Tần số lối vào: 47 -63 hz (tự động điều chỉnh) - Công suất tiêu thụ:20W (8 cổng) và 35W (16 cổng) k. Nguồn cấp 48 VDC (Option) - Điện áp nối vào: 36 -70 VDC ( tự động và điều chỉnh) PH ẦN II THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ CHO PRECALCINER CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TIỀN NUNG PRECALCINER 1.1 Cấu tạo và chức năng của Precalciner: Mỗi một Precalciner bao gồm các thiết bị chính sau đây: - 1 khoang xoáy - 1 buồng calciner xoáy - 1 ống dẫn để nối xuống buồng trộn - 1 bộ phận đánh lửa - 1 buồng đốt than ngang đặt trên đỉnh của khoang xoáy Trong mỗi đường có: - 1 màng chắn có điều chỉnh đặt ở phần cuối của buồng trộn - 1 buồng trộn Hình 2.1 Các bộ phận chính trong precalciner 1.2. Thiết kế của khoang xoáy: Than được bơm vào bởi một mỏ phun đơn nằm ngang được đặt ở đỉnh của khoang xoáy. Khoang xoáy gồm có một buồng xoáy và một buồng nung vôi xoáy. Cả hai khoang xoáy đều được cấu tạo theo kiểu xoắn ốc. Một phần của không khí cháy ( khoảng 25% ) được bơm vào buồng xoáy và cân chứa liệu thô được đưa vào buồng nung vôi xoáy. Tác dụng của cấu tạo xoắn ốc là để phát ra luồng không khí nóng theo phương tiếp tuyến. Hỗn hợp khí cháy và liệu thô được đưa qua ống dẫn bụi và tới đáy của buồng trộn nơi mà khí cháy thải ra từ lò cũng được đẩy vào. Tỉ lệ khí oxy khi ra khỏi Precalciner ( khoảng 4% - 5% ) chỉ thị rằng khoảng 80% nhiên liệu đã được sử dụng trước khi đưa đến buồng trộn. Tại buồng trộn sự cháy của không khí bơm vào được hoàn tất làm cơ sở để điểm xoáy thừ hai. 1.3. Nguyên lý của buồng trộn: Ở đáy của buồng trộn bao gồm một màng ngăn có điều chỉnh, nó được thiết kế đặc biệt để tạo ra hai vùng xoáy với mục đích là để trộn giữa hai dòng chảy. Một là từ lò dòng kia từ khoang xoáy và buồng nung, sau đó hoàn thành tiến trình phản ứng ( Phản ứng đốt cháy và phản ứng khử CO2 ). Dòng khí được thoát ra theo cổ hẹp của màng ngăn có điều chỉnh, tại đây lưu lượng của dòng khí được thay đổi một cách phù hợp, ngăn dòng liệu trực tiếp đi vào buồng lò. Màng ngăn điều chỉnh đồng thời điều khiển sự phân tán của không khí cháy giữa lò nung và Precalciner theo điểm chung được tạo ra bởi hệ thống làm mát. Từ khi xảy ra sự trao đổi nhiệt xuất hiện cho đến khi phản ứng khử CO2 xảy ra mạnh, nhiệt độ trung bình của liệu trong Precalciner thấp hơn. Nguyên nhân là bởi thời gian đốt cháy than ngắn hơn và nó được tính toán để sao cho hiệu suất của nó không quá thấp. Thực tế nếu số lượng cacbon không được đốt cháy hết sẽ rất có hại, bởi hiệu xuất của phản ứng khử CO2 thấp điều đó sẽ dẫn đến nhiệt độ sẽ thấp vì đây là phản ứng toả nhiệt. Động học của quá trình đốt cháy nhiên liệu rắn ( than ) là rất phức tạp, vì các tham số của quá trình luôn bị xáo trộn trong khi đốt, vì vậy để đảm bảo cho sự cháy, các vấn đề sau đây phải được đặc biệt lưu ý: - Nhiệt độ - Sự chuyển động hỗn loạn của hỗn hợp khí cháy - Chất lượng khí cháy - Sự oxy hoá - Thời gian của quá trình cháy Để biểu diễn quan hệ của các tham số trên người ta dựa vào đặc trưng: - Sự đốt cháy than xuất hiện trong khoang độc lập dưới sự có mặt của không khí sạch. - Vai trò của khoang xoáy là đặc biệt cần thiết từ đó cho phép một tâm nhiệt được tạo ra ( nhiệt độ khoảng 150000C ) ở tâm của khoang xoáy. Điều đó đã tạo ra thuận lợi cho sự đốt cháy của hoạt tính như sau: + Nhanh chóng đưa chất đốt đến nhiệt độ đặt + Chất đốt được xới trộn đều (để cháy ) Trong thực tế, nhiết độ cao ở tâm của khoang xoáy được duy trì cố định bởi một hệ thống điều khiển. Hệ thống mà điều chỉnh số lượng không khí của đường gió ba bơm vào khoang xoáy như là một chức năng điều khiển nhiệt độ. Hệ thống được sử dụng để điều chỉnh lượng không khí cháy chính xác nhất có thể tuỳ theo lượng chất đốt được sử dụng. Kinh nghiệm cho thấy rằng sự có mặt của điểm nóng này không kéo theo sự tạo cặn của liệu hay bụi bẩn, lớp gạch chịu lửa được bảo vệ bởi một lớp vật liệu đặc biệt. Precalciner do đó cho phép thay đổi lượng bụi than đưa vào sử dụng. 1.4. Công thức hoạt động: Dòng liệu rời cyclon 4 và được đẩy vào dòng khí của đường gió ba chảy từ hệ thống làm mát theo phương tiếp tuyến. Nó được phân tán ra và được đưa vào khoang xoáy qua một hệ thống các thanh chắn định vị trong đường ống dẫn của đường liệu vào. Cấu tạo hình xoắn ốc kết hợp với nhiệt độ cao đã tạo ra sự trao đổi nhiệt lớn. Nó tiếp diễn và hoàn thành ở trong buồn trộn, nơi mà khí và dòng liệu rời khỏi khoang xoáy trộn lẫn với khí nóng thoát ra từ lò nung. Nhiệt độ ngọn lửa được điều khiển theo số lượng của không khí đi vào trong khoang xoáy nhiều hay ít. Nó được đo bởi một pyromet quang học. Tốc độ dòng khí tăng lên đồng thời cùng với sự tăng nhiệt độ. Dung tích của Precalciner cho phép quá trình cháy được điều chỉnh và tối ưu hoá như là một chức nắng đặc thù. Sự trao đổi nhiệt giữa khí đốt và liệu được kéo dài là nhờ đường ống dẫn dài nối giữa buồng trộn và đường vào cyclon 4. Sự cân bằng của hai hệ thống khí, một của lò, một của hệ thống hai Precalciner được quy định bởi một màng ngăn định vị ở cuối của buồng trộn. Mục đích của nó là để ngăn chặn sự đổ trực tiếp của dòng liệu từ Precalciner vào lò. 1.5. Pyromet quang học: Đây là thiết bị đo nhiệt độ dựa trên cường độ bức xạ đơn sắc của đối tượng đo nhiệt độ mô tả bằng định luật Plank. Nguyên lý đo nhiệt độ của pyromet quang học là dựa trên phép so sánh cường độ bức xạ đơn sắc trong vùng bước sóng quan sát được của đối tượng đo nhiệt độ với cường độ ánh sáng của dây tóc bóng đèn mẫu ( hay còn gọi là đèn hoả kế ). Thường thì việc so sánh này được thực hiện bởi con người, nhưng ở nhà máy có thêm một thiết bị đo nhiệt độ này có gắn kèm thêm một hệ thống tự động so sánh vì vậy loại bỏ được sai số chủ quan của con người. 1.6. Phễu cấp than: Phễu này chỉ đơn thuần làm nhiệm vụ chứa than mịn đưa đến từ máy nghiền than và cấp xuống một cân Schesk ( Cân này có nhiệm vụ đo lưu lượng than được cấp để xác định điểm đặt cho van cấp than ), ở đáy phễu có một đĩa xoáy, đĩa này xoay tròn nhằm tạo lực ly tâm để văng than tới đường ống dẫn than, đồng thời để tránh tắc, ứ đọng than. Sau đó nhờ một hệ thống quạt gió để đưa tới Precalciner. Ngay phần đuôi phễu có gắn một van, đó chỉ là loại van ON - OFF tưc là loại chỉ có thể đóng hoàn toàn hay mở hoàn toàn, thực ra trong quá trình chạy bình thường van này không được điều chỉnh và để mở 100%, van chỉ được điều chỉnh khi gặp sự cố: ví dụ như gặp sự cố ngừng hoạt động thì ta phải đóng van này lại để ngừng cấp than cho Precalciner. 1.7. Van cấp than và động cơ hỗ trợ: Tín hiệu nhiệt độ lấy từ Precalciner được quy về tín hiệu lưu lượng than tương đương, sau đó lưu lượng này được so sánh với lưu lượng than thực được cấp và tìm ra sai số để từ đó đưa tín hiệu điều khiển vào động cơ servo. Đây là động cơ phụ trợ cho việc mở đóng van cấp liệu (động cơ này là động cơ không đồng bộ 3 pha công suất 200W ). Van cấp liệu đây là loại van đóng mở phần trăm, tương ứng với một độ mở van nào đó là một lưu lượng cố định của than được cấp. Một điều cần lưu ý là trên các van đóng mở phần trăm đều có hai tín hiệu là ZSL ( zone sensor high ) là các tín hiệu báo vị trí tối đa của độ mở van, hoạt động của chúng như sau: giả sử góc mở của van được khống chế trong khoảng [ min ; max ], tại vị trí min đặt một công tắc báo ứng với ZLS và ở vị trí max là ZSH thì khi động cơ làm quay van đến các tiếp điểm trên mà động cơ không dừng lại ( quá góc mở ) thì ZSL ( ZSH ) sẽ đưa tín hiệu lên PLC tương ứng để dừng động cơ ( trước khi đưa lên PLC các tín hiệu này được chuyển sang tín hiệu logic là ZLL (zone logic low ) và ZLH ) Như vậy bài toán điều khiển mà ta đã xây dựng ở trên đã nêu ra đối tượng điều khiển chí là Precalciner, và các thiết bị tham ra trực tiếp vào mạch vòng điều khiển chính gồm có: Precalciner, van cấp than và động cơ điều khiển van. Ta cần phải điều khiển nhiệt độ của Precalciner sao cho chất lượng của Clinker sau khi ra khỏi lò đạt yêu cầu đặt ra. Precalciner là một đối tượng nhiệt truyển thống, đây là một đối tượng phức tạp nhiều đầu vào và nhiều đầu ra, và có thể có các nhiễu. Các đầu vào chính có thể chỉ ra ở đây như: lưu lượng than, lưu lượng dầu, lưu lượng gió...Nhưng với yếu tố đầu ra quan tâm là nhiệt độ của Precalciner thì hai đầu vào chính ảnh hưởng nhiều nhất là lưu lượng than và dầu nặng MFO. Mặt khác như đã nói ở trên dầu ít được sử dụng, người ta thường sử dụng dầu để đốt nóng Precalciner lúc ban đầu, ta cần nhiệt độ của Precalciner một cách nhanh chóng so với lúc trước đó nhiệt độ lò rất thấp do dừng hệ thống để sửa chữa hoặc tu bổ hoặc khi lượng than thổi vào Precalciner là 100% nhưng vẫn không đủ lượng nhiệt yêu cầu thì ta sẽ dùng thêm dầu MFO để đốt thêm. Còn bình thường để điều chỉnh nhiệt độ cho Precalciner người ta thường điều chỉnh lượng than và điều chỉnh lượng gió là đủ. Vì thế để đơn giản ta chỉ quan tâm đến đầu vào của Precalciner là lưu lượng than được thổi vào và đầu ra của Precalciner là nhiệt độ yêu cầu. Nhiệu độ của Precalciner được đo bởi cặp nhiệt điện loại XK ( hoặc pyromet quang học ), dải đo 00 ÷ 13700 Tín hiệu nhiệt độ phản hồi này ( thực chất nó chính là dòng điện quy chuẩn có dải từ 4mA ÷ 20mA ) được so sánh với tín hiệu nhiệt độ đặt cho Precalciner để lấy sai số đưa vào bộ PID để xử lý. Để điều khiển nhiệt độ của Precalciner ta sử dụng hai hệ thống điều khiển: - Hệ thống điều khiển lượng nhiên liệu ( than bụi ) cung cấp cho mỏ đốt - Hệ thống điều khiển lưu lượng không khí cấp 3 để đốt cháy nhiên liệu. Hệ thống điểu khiển lượng nhiên liệu ( than bụi ): đại lượng dùng làm căn cứ điều chỉnh là nhiệt độ Td của khí thải ( mang theo bột liệu ) khi ra khỏi calciner. Bộ điều chỉ PID1 sẽ cho tín hiệu điều khiển tốc độ động cơ dẫn động vít tải cung cấp than bụi. Động cơ này có thể là động cơ điện một chiều nhưng thường dùng là động cơ không đồng bộ 3 pha. Ta có thể đưa ra mô hình hệ thống điều khiển nhiệt độ của Precalciner như sau: Hình 2.2 Mô hình hệ thống điều khiển nhiệt độ Precalciner Hệ thống điều khiển lưu lương không khí cấp 3: Bộ điều khiển PID2 dùng điều chỉnh tỷ lệ nhiên liệu ( thông qua tín hiệu tốc độ động cơ dẫn động vít tải ) và không khí cấp 3 để đốt bằng tác động thay đổi độ mở van V2. Sẽ có một cảm biến đo hàm lượng khí O2 trong khí thải để hiệu chỉnh lượng không khí ( gió ) cung cấp cho mỏ đốt. Lưu lượng than buị tuy không đo được nhưng tốc độ vít tải ( động cơ ) sẽ phản ảnh mức độ cung cấp than bụi ( nhiều/ít ). Cho nên sẽ được dùng làm căn cứ để điều chỉnh lưu lượng không khí cấp 3 để đốt. Vì thực tế lưu lượng than có quan hệ với lượng khí thông qua một hệ số tỷ lệ α nhất định. Van điều khiển gió là loại van tỷ lệ.Quan hệ tỷ lệ giữa lưu lượng than và lượng gió được liên kết cứng với nhau thông qua van tỷ lệ này.Vòng điều khiển gió chỉ có tác dụng hiệu chỉnh lại lưu lượng gió để có được phản ứng cháy xảy ra hoàn toàn và hàm lượng các chất khí thải đạt yêu cầu. Từ đây ta có thể đưa ra mô hình hệ thống điều khiển gió Hình 2.3Mô hình hệ thống điều khiển gió 1.8 Mô hình hóa đối tượng: Các phần từ tham gia vào hệ thống điều khiển ở đây bao gồm: Van cấp than. Van cấp gió. Động cơ servo điều chỉnh độ mở van cấp than. Động cơ xoay chiều ba pha điều chỉnh van cấp gió. - Precalciner. 1.8.1 Van cấp than: Đây là một khâu tác động nhanh đầu vào là tín hiệu điều khiển từ động cơ servo hay cũng chính là góc quay của động cơ và đầu ra là độ mở của van tương ứng với một lưu lượng nhất định của than được cấp xuống cho Precalciner. Van cấp than được mô tả toán học trong miền toán tử laplace là một khâu tích phân ( vì đây là loại van từ khác với van khí nén được biểu diễn bởi một khây khuếch đại ). Song trong thực tế hằng số thời gian của van là rất nhỏ ( khoảng 3 – 5s ) so với hằng số thời gian của Precalciner ( vài trăm giây ). Tức là khi van đã ở chế độ xác lập rất lâu ta mới có Precalciner ở chế độ xác lập. Vậy để đơn giản cho quá trình khảo sát nhưng không mất đi tính chính xác ta bỏ hằng số thời gian T của van lúc bấy giờ mô hình toán học của va chỉ còn là: 1.8.2 Van cấp gió: Đây là loại van tỷ lệ, có tín hiệu điều khiển từ động cơ xoay chiều và độ mở van thay đổi theo tín hiệu điều khiển than theo một tỷ lệ nhất định. Quan hệ này được liên kết cứng trong cấu hình của hệ thống. Van cấp gió được mô tả toán học trong miền toán tử laplace là một khâu khuếch đại. 1.8.3 Động cơ điều chỉnh van cấp than: Đây là động cơ xoay chiều ba pha, đầu vào của động cơ là tín hiệu điều khiển từ bộ PID và tín hiệu ra của động cơ là góc quay của động cơ. Ta biết rằng động cơ xoay chiều ba pha có thể mô tả bởi một khâu quán tính bậc nhất có trễ. Dựa vào các thông số trên nhãn máy ta tính toán được mô hình của động cơ 1.8.4 Động cơ điều khiển van gió: Cũng là động cơ xoay chiều ba pha giống như động cơ điều khiển van cấp than nhưng có công suất nhỏ hơn. Mô hình của động cơ là: 1.8.5 Precalciner: Đây là một đối tượng nhiệt truyền thống được mô tả bởi một khâu quán tính bậc nhất có trễ: Để đơn giản ta coi đầu vào của Precalciner là lưu lượng than và lưu lượng gió cấp ba, còn đầu ra là nhiệt độ. Các tham số đầu vào và đầu ra khác ta coi là không thay đổi. Dựa vào các thông số của nhà máy ta có mô hình của Precalciner là: 1.9 Nhiệm vụ điều khiển: Yêu cầu đặt ra với chất lượng của hệ thống điều khiển: Hệ thống phải ổn định theo thời gian. Sai lệch giữa nhiệt độ đặt và nhiệt độ thực của hệ thống là không quá lớn ( sai số trong phạm vi cho phép ). Thời gian xác lập phải không được quá lớn Độ quá điều chỉnh không vượt quá 20%. Từ các yêu cầu chất lượng đặt ra với hệ thống ta xây dựng được các phương pháp điều khiển, ở đây ta chọn phương pháp điều khiển tối ưu đối xứng để mong có được chất lượng yêu cầu đặt ra là tốt nhất. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO HỆ THỐNG CẤP THAN VÀ CẤP GIÓ 2.1 Giới thiệu bộ điều khiển PID: Hơn 50 năm qua và cho đến ngay nay bộ điều khiển PID vẫn được sử dụng rộng rãi trong các bộ điều khiển công nghiệp, là một phần tử không thể thiếu được trong quá trình tự động khống chế nhiệt độ, mức, tốc độ. Do tính đơn giản trong cấu trúc cũng như trong nguyên lý làm việc, dễ hiểu, dễ sử dụng và dễ dàng thay đổi tham số của bộ điều khiển, từ đó thay đổi đặc tính động và tĩnh của đối tượng điều khiển. Bộ điều khiển PID được xây dựng từ 3 thành phần cơ bản: Khuyếch đại tỷ lệ P, thành phần tích phân I, thành phần vi phân D. Nó được sử dụng theo phương pháp hồi tiếp: PID Đối tượng điều khiển x e u y Hình 2.4 Mô hình điều khiển dùng PID. Bộ điều khiển PID tương tự có thể mô tả bằng phương trình vi phân: (1) Trong đó : e(t) : tính hiệu vào u(t) : tính hiệu ra KP : hệ số khuếch đại của luật điều khiển tỷ lệ TI : hằng số thời gian tích phân TD : hằng số thời gian vi phân Từ (1) ta có hàm truyền đạt: Với: KP : hệ số khuyếch đại KI : hệ số tích phân KD : hệ số vi phân Bộ điều khiển PID số có thể mô tả bằng phương trình sai phân: uk = uk-1 + r0.ek + r1.ek-1 + r2.ek-2 Hàm truyền đạt: 2.2 Phân tích các luật điều khiển 2.2.1 Luật điều khiển tỉ lệ P: u = Kp.e Hàm truyền đạt: W(s) = Kp => W(jω) = Kp = A(ω). eiφ(ω) A(ω) h(t) Kp Kp 0 ω 0 Hàm quá độ t φ(ω) 0 ω Đặc tính tần biên pha Hình 2.5 Các đường đặc tính của luật tỷ lệ Nhận xét: Từ đặc tính tần biên pha ta thấy quy luật tỉ lệ phản ứng như nhau ở mọi giải tần số. Góc lệch pha giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra là bằng 0. Điều đó có nghĩa là tác động điều khiển sẽ xuất hiện ngay sau khi có tín hiệu sai lệch. Khi hệ số Kp có giá trị nhỏ, tín hiệu ra của bộ điều khiển nhỏ, nên đáp ứng quá độ có sai số lớn. Khi tăng hệ số khuyếch đại Kp trong giới hạn nào đó thì hệ thống sẽ ổn định, sai lệch tĩnh có xu hương giảm. Khi tăng Kp lên một giới hạn nào đó thì đáp ứng của hệ thống bắt đầu dao động và hệ thống mất ổn định. Vì thế tăng Kp trong 1 giới hạn nhất định. + Ưu điểm: Tác động nhanh, chính xác, thời gian qua độ ngắn Tqd + Nhược điểm: Luôn luôn tồn tại sai lệch tĩnh. 2.2.2 Luật điều khiển tích phân I: Hàm truyền đạt: A(ω) h(t) 0 ω Hàm quá độ t φ(ω) 0 ω đặc tính tần biên pha Hình 2.6 Các đường đặc tính của luật tích phân. Nhận xét: Ở tần số cao thì quy luật tích phân phản ứng chậm. Tín hiệu ra luôn luôn chậm pha so với tín hiệu vào 1 góc . Tín hiệu đầu ra u(t) tiếp tục tăng mãi cho đến khi nào sai số điều khiển còn tồn tại. Khi tín hiệu tác động tích lũy đủ, sai số giảm tới 0. Vì thế bộ điều khiển tích phân còn được gọi là bộ điều khiển chậm sau. + Ưu điểm: Triệt tiêu sai lệch tĩnh + Nhược điểm: Tác động chậm, dễ dao động, gây mất ổn định cho hệ thống. Vì thế trong thực tế ít sử dụng quy luật điều khiển này, thường kết hợp với quy luật tỉ lệ. 2.2.3. Luật điều khiển tỉ lệ - tích phân PI: Là sự kết hợp của quy luật điều khiển tỉ lệ và quy luật điều khiển tích phân, đây là bộ điều khiển kha phổ biến, đem lại hiệu quả cao: Hàm truyền đạt: A(ω) h(t) kp kp 0 ω 0 t Hàm quá độ φ(ω) 0 ω đặc tính tần biên pha Hình 2.7 Các đường đặc tính của luật tỷ lệ tích phân. Nhận xét: Quy luật tỉ lệ - tích phân PI có 2 tham số cần điều chỉnh Kp và TI. Thông số thời gian tích phân TI có ảnh hưởng rất lớn tới chất lượng của hệ thống. Việc đặt giá trị TI không phù hợp sẽ làm cho quá trình quá độ của hệ thống xấu đi, đôi khi hệ thống trở nên mất ổn định. Ưu điểm: + Tốc độ tác động nhanh ( nhờ có thành phần PI ) + Sai lệch tĩnh giảm ( nhờ có thành phần I ) 2.2.4. Luật điều khiển tỉ lệ - vi phân PD: Kết hợp của quy luật tỉ lệ và vi phân: Hàm truyền đạt: A(ω) h(t) KP KP 0 ω 0 t hàm quá độ φ(ω) 0 đặc tính tần biên pha ω Hình 2.8 Các đường đặc tính của luật tỷ lệ vi phân Ưu điểm : Tác động nhanh ( hơn cả quy luật PI ). Nhược điểm: Tồn tại sai lệch tĩnh, bị ảnh hương của nhiễu cao tần. 2.2.5. Luật điều khiển tỉ lệ - vi tích phân PID Hàm truyền đạt: A(ω) A(t) KP 0 ω 0 t φ(ω) Hàm quá độ 0 ω Đặc tính tần biên pha Hình 2.9 Các đường đặc tính của luật tỷ lệ vi tích phân. Nhận xét: Nếu chọn tham số thích hợp, thì có 1 bộ điều khiển hoàn hảo, tác động nhanh hơn cả quy luật P, không tồn tại sai lệch tĩnh. Đáp ứng mọi quá trình trong công nghiệp. Trên cơ sở phân tích các quy luật điều khiển, ta có thể rút ra một số nhận xét cần thiết khi làm quá trình tổng hợp hệ thống. Ta thấy ảnh hưởng của các tham số KP, KI, KD ảnh hưởng tới chất lượng của hệ thống ( chất lượng được đánh giá thông qua các chỉ tiêu: Tpđ, St, σmax ). Chúng ảnh hưởng lẫn nhau, phụ thuộc lẫn nhau. Rise Time Overshoot Settling Time Steady State Error Kp Giảm Tăng Thay đổi ít Giảm KI Giảm Tăng Tăng Triệt tiêu KD Thay đổi ít Giảm Giảm Thay đổi ít Khi thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống, ta nên đi theo từng bước như sau: Từ hệ thống mạch hở, xác định chỉ tiêu chất lượng cần cải thiện. Thêm bộ điều khiển ti lệ để cải thiện thời gian tăng tốc. Thêm bộ điều khiển tích phân để triệt tiêu sai lệch tĩnh. Điều chỉnh KP, KI, KD cho đến khi đạt được chỉ tiêu chất lượng mong muốn, ta có thể tham khảo thêm đặc tính của các tham số ở bảng._. tại cổng PIW304 với chu kỳ lấy mẫu là Ta = 250ms và cất giữ giá trị uk = u(kTa) trích được vào ô nhớ MW0, trước hết ta cần phải khai báo chu kỳ phát tín hiệu báo ngắt Ta = 250ms ( nhờ Step7 ) cho module CPU và tiếp theo viết các lệnh sau vào khối OB35: L PIW304 T MWO Local block của các khối OB30_OB38 có dạng chung giống như OB35 cho trong bảng sau: TÊN HÌNH THỨC KIỂU GIÁ TRỊ VÀ Ý NGHĨA OB35_EV_CLASS BYTE Bit 0 – 3 =1 ( coming event ). Bit 4 – 7 = 1 ( Event class 1 ) OB35_SCAN_1 BYTE Báo OB35 đã được thực hiện bằng giá trị 16#36 OB35_PRIORITY BYTE Có giá trị là 11 ( thứ tự ưu tiên ) OB35_OB_NUMBR BYTE 35. Là chỉ số của khối OB35 OB35_RESERVED_1 BYTE Dự trữ ( của hệ điều hành ) OB35_RESERVED_2 BYTE Dự trữ ( của hệ điều hành ) OB35_PHASE_OFFSET WORD Thời gian trễ ( milliseconds ) OB35_REDERVED_3 INT Dự trữ ( của hệ điều hành ) OB35_EXC_FREQ INT Chu kỳ thời gian thực hiện ( milliseconds ) OB35_DATE_TIME DATE_AND_TIME Thời điểm OB35 bắt đầu được thực hiện OB35_EXC_FRED chứa chu kỳ phát tín hiệu ngắt ( mặc định là 100ms hoặc đã được quy định tại thành Ta nhờ Step7 ). OB35_PHASE_OFFSET chứa khoảng thời gian trễ kể từ khi xuất hiện tín hiệu báo ngắt cho tới khi OB35 được gọi. Thông thường ô nhớ này có nội dung bằng 0, song trong một số trương hợp ứng dụng người ta vẫn phải gán cho nó một giá trị dương khác 0 nhằm tránh nguy cơ nhiều khối OB35 ÷ OB38 cùng được thực hiện một lúc dễ gây ra lỗi về thời gian cho hệ thống. Như đã nói, ngay khi phát hiện thấy một trong các khối OB35÷OB38 có trong Load Memory, hệ thống sẽ tự động tích cực chế độ phát tín hiệu báo ngắt theo chu kỳ 100ms. Chu kỳ Ta = 100ms mặc định này có thể sửa lại được nhờ công cụ phần mềm Simatic Manager nhưng giá trị sửa lại đó là cố định trong suốt quá trình thực hiện chương trình ứng dụng sau này, tức là ta chỉ có thể sửa lại chu kỳ Ta phát tín hiệu ngắt khi CPU ở chể độ STOP và phải sử dụng Simatic Manager để nạp tham số mới cho CPU. Linh hoạt hơn so với việc sửa đổi lại chu kỳ Ta, ta có thể tích cực hoặc hủy bỏ chế độ ngắt theo chu kỳ bằng những hàm có sẵn trong hệ điều hành và do đó không cần phải chuyển CPU về trạng thái STOP. Cụ thể là: Hàm SFC39 ( tên hình thức DIS_IS ) có tác dụng che ngắt. Hàm SFC40 ( tên hình thức EN_IRT ) có tac dụng bỏ mặt nạ che ngắt. Hàm SFC41 ( tên hình thức DIS_AIRT ) có tác dụng che tất cả các ngắt có mức ưu tiên cao hơn tín hiệu ngắt đang được xử lý. Hàm SFC42 ( tên hình thức EN_AIRT ) có tác dụng bỏ mặt nạ che tất cả cho các ngắt có mức ưu tiên cao hơn tín hiệu ngắt đang được xử lý. 4.6.2 Khai báo cấu hình cho PLC Slot Module Oder number MPI… I… Q… 1 PS 307 10A 6ES 307 – 1KA00 – 0AA0 2 CPU314 2 3 4 AI4/AO4x14/12bit 256…271 256…263 4.6.3 Chương trình điều khiển viết trong khối OB35: Giải thích các biến - MD1, MD6 : Cổng ra của hàm FC105 xử lý tín hiệu của cảm biến nhiệt độ và nồng đọ khí. - MD2, MD7 : Đầu ra của bộ lọc(bộ tiền xử lý). - MD3, MD8 : Tín hiệu báo lỗi tín hiệu của (FB41, DB2), (FB41,DB3). - MD4, MD9 : Đầu ra của bộ điều khiển PID cho than , gió. - MD5, MD10 : Tín hiệu báo lỗi tín hiệu của (FB41,DB1), (FB41, DB4) Chương trình điều khiển viết trong khối OB35 : Chương trình điều khiển than CALL "SCALE" //xử lý cổng analog vào1 IN :=PIW256 HI_LIM :=1.370000e+003 LO_LIM :=0.000000e+000 BIPOLAR:=FALSE RET_VAL:=LW1 OUT :=MD1 //giá trị nhiệt độ phản hồi về CALL "CONT_C" , DB2 //tạo bộ tiền xử lý 1 COM_RST :=FALSE MAN_ON :=FALSE PVPER_ON:=FALSE P_SEL :=FALSE I_SEL :=TRUE INT_HOLD:=FALSE I_ITL_ON:=FALSE D_SEL :=FALSE CYCLE :=T#1000MS SP_INT :=8.500000e+002 PV_IN :=MD2 PV_PER :=W#16#0 MAN :=0.000000e+000 GAIN :=1.000000e+000 TI :=T#2M42S TD :=T#0MS TM_LAG :=T#2S DEADB_W :=0.000000e+000 LMN_HLM :=3.200000e+003 LMN_LLM :=-3.200000e+003 PV_FAC :=1.000000e+000 PV_OFF :=1.000000e+000 LMN_FAC :=1.000000e+000 LMN_OFF :=0.000000e+000 I_ITLVAL:=0.000000e+000 DISV :=0.000000e+000 LMN :=MD2 //tín hiệu ra của bộ tiền xử lý LMN_PER := QLMN_HLM:= QLMN_LLM:= LMN_P := LMN_I := LMN_D := PV := ER :=MD3 //tín hiệu báo lỗi CALL "CONT_C" , DB1 //bộ diều khiển PID1 COM_RST :=FALSE MAN_ON :=TRUE PVPER_ON:=FALSE P_SEL :=TRUE I_SEL :=TRUE INT_HOLD:=FALSE I_ITL_ON:=FALSE D_SEL :=TRUE CYCLE :=T#1000MS SP_INT :=MD2 PV_IN :=MD1 PV_PER :=W#16#0 MAN :=0.000000e+000 GAIN :=1.170000e-006 TI :=T#5M49S4MS TD :=T#1M27S4MS TM_LAG :=T#2S DEADB_W :=0.000000e+000 LMN_HLM :=2.764800e+004 LMN_LLM :=-2.764800e+004 PV_FAC :=1.000000e+000 PV_OFF :=1.000000e+000 LMN_FAC :=1.000000e+000 LMN_OFF :=0.000000e+000 I_ITLVAL:=0.000000e+000 DISV :=0.000000e+000 LMN :=MD4 //tín hiệu ra của bộ PID1 LMN_PER := QLMN_HLM:= QLMN_LLM:= LMN_P := LMN_I := LMN_D := PV := ER :=MD5 //tín hiệu báo lỗi 1 CALL "UNSCALE" //xu ly cong analog ra 1 IN :=MD4 HI_LIM :=1.000000e+001 LO_LIM :=0.000000e+000 BIPOLAR:=FALSE RET_VAL:=LW2 OUT :=PQW256 //tín hiệu đi điều khiển động cơ than Chương trình điều khiển gió CALL "SCALE" IN :=PIW262 HI_LIM :=1.000000e+000 LO_LIM :=0.000000e+000 BIPOLAR:=FALSE RET_VAL:=LW20 OUT :=MD6 //giá trị nồng độ CO2 phản hồi về CALL "CONT_C" , DB3 //bộ tiền xử lý 2 COM_RST :=FALSE MAN_ON :=FALSE PVPER_ON:=FALSE P_SEL :=TRUE I_SEL :=FALSE INT_HOLD:=FALSE I_ITL_ON:=FALSE D_SEL :=FALSE CYCLE :=T#1000MS SP_INT :=8.000000e-001 //giá trị đặt của CO2 PV_IN :=MD7 PV_PER :=W#16#0 MAN :=0.000000e+000 GAIN :=1.000000e+000 TI :=T#8MS TD :=T#0MS TM_LAG :=T#2S DEADB_W :=0.000000e+000 LMN_HLM :=1.000000e+000 LMN_LLM :=0.000000e+000 PV_FAC :=1.000000e+000 PV_OFF :=1.000000e+000 LMN_FAC :=1.000000e+000 LMN_OFF :=0.000000e+000 I_ITLVAL:=0.000000e+000 DISV :=0.000000e+000 LMN :=MD7 //tín hiệu ra của bộ tiền xử lý 2 LMN_PER := QLMN_HLM:= QLMN_LLM:= LMN_P := LMN_I := LMN_D := PV := ER :=MD8 CALL "CONT_C" , DB4 //bộ điều khiển PID2 COM_RST :=FALSE MAN_ON :=TRUE PVPER_ON:=FALSE P_SEL :=TRUE I_SEL :=TRUE INT_HOLD:=FALSE I_ITL_ON:=FALSE D_SEL :=FALSE CYCLE :=T#1000MS SP_INT :=MD7 PV_IN :=MD6 PV_PER :=W#16#0 MAN :=0.000000e+000 GAIN :=7.1430000e-002 TI :=T#8MS TD :=T#0MS TM_LAG :=T#2S DEADB_W :=0.000000e+000 LMN_HLM :=2.764800e+004 LMN_LLM :=-2.764800e+004 PV_FAC :=1.000000e+000 PV_OFF :=1.000000e+000 LMN_FAC :=1.000000e+000 LMN_OFF :=0.000000e+000 I_ITLVAL:=0.000000e+000 DISV :=0.000000e+000 LMN :=MD9 //tín hiệu ra của bộ PID2 LMN_PER := QLMN_HLM:= QLMN_LLM:= LMN_P := LMN_I := LMN_D := PV := ER :=MD10 //tín hiệu báo lỗi 2 CALL "UNSCALE" //xử lý cổng analog ra 2 IN :=MD9 HI_LIM :=1.000000e+001 LO_LIM :=0.000000e+000 BIPOLAR:=FALSE RET_VAL:=LW0 OUT :=PQW262 //đưa ra điều khiển động cơ gió CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG TRÊN NỀN WINCC 5.1 Tổng quan về WinCC: WinCC là Giao diện Máy_ Ngươời Tích hợp đầu tiên trên thế giới. Với WinCC, ta có một chơương trình trực quan hóa cho phép chúng ta dễ dàng quan sát tất cả các khía cạnh của những quá trình tự động hóa. WinCC kết hợp kiến trúc hiện đại của dòng Windows NT (kể từ 4.0) với một thiết kế đồ thị lập trình. WinCC bao gồm tất cả các phần tử cần thiết để giải quyết những nhiệm vụ bộ kiểm tra và điều khiển quá trình. Yêu cầu cấu hình cài đặt: Hệ điều hành: Window NT 4.0 Work station / Server. 5.1.1 Cấu hình trong WinCC 5.0 Ta có ba lựa chọn cấu hình thiết kế trong WinCC: - Single-User Project: Đây là thiết kế một trạm vận hành đơn. Việc tạo cấu hình, kết nối với bus quá trình và lưu trữ dữ liệu của project được thực hiện ở đây. - Multi-User Project:Cho phép cấu hình nhiều client và một serve, tất cả làm việc chung trong một project. Tối đa 16 client được truy nhập vào một server. Có thể đặt cấu hình trong server hoặc trong một vài client. Dữ liệu của project được lưu trữ trong server và cung cấp cho các client, client thực hiện vận hành hệ thống. Từ Single-User Project ta có thể chuyển sang Multi - User Project được. - Multi-Client Project:Đây là loại project mà một client có thể truy nhập vào nhiều server. Đối với dự án của chúng ta sẽ chọn “ Single-User Project” và chọn phím “OK” để thừa nhận. Sau đó nhập tên cho dự án và chọn đường dẫn cho dự án. Nếu muốn mở một dự án đã tồn tại, hộp thoại “ Open” sẽ cho phép tìm kiếm các file có đuôi “.mcp”, tiếp theo là khởi động Wincc. Nó sẽ tự động mở lại dự án cũ mà ta đã làm việc trước đó. Nếu dự án được tích cực trước đó, khi thoát ra khỏi Wincc, nó sẽ tự động mở lại trạng thái tích cực. Sau khi thực hiện tạo một dự án như trên thì trong Wincc Explorer có dạng như sau: Và mọi công việc thiết kế một giao diện sẽ được tiến hành trên dự án mà ta đã tạo ra ở trên. 5.1.2 WinCC EXPLORER Tất cả các phần của WinCC đều được khởi động từ WinCC EXPLORER. Từ cửa sổ này ta có thể xâm nhập vào tất cả các thành phần mà một project giao diện người-máy cần có cũng như việc xây dựng cấu hình cho các phần riêng rẽ đó. - Chức năng của WinCC EXPLORER: WinCC EXPLORER bao gồm tất cả các chức năng quản lý, đặt cấu hình và khởi động chạy runtime (computer, driver, tag …). - Thành phần: + Đặt cấu hình. + Hướng dẫn đặt cấu hình. + Gọi và lưu trữ project. + Quản lý project: mở, lưu, di chuyển, và sao chép. + Chức năng in ấn mạng cho nhiều người sử dụng (Client-Server environment). + Thể hiện cấu hình dữ liệu. + Điều khiển và đặt cấu hình các cấp bậc của các picture/kiến trúc hệ thống (chẳng hạn bằng cách thể hiện cây thư mục). + Cài đặt thông số tổng thể như: Ngôn ngữ, hệ thống/đường dẫn người dùng. + Feed back documention. + Lập báo cáo các trạng thái của hệ thống. + Chuyển đổi giữa chạy thực và đặt cấu hình . + Thử các chế độ (mode) như: Mô phỏng khi chạy (simulation), trợ giúp hoạt động đặt cấu hình dữ liệu, chuyển đổi các picture, thể hiện trạng thái và lập thông báo. 5.1.3 Các module chức năng - Thiết kế đồ hoạ (Graphic Designer): Hiển thị và liên kết các hình ảnh quá trình. - Ấn bản các Action (Global Script): Tạo ra các thuộc tính động của project cho các yêu cầu riêng. - Hệ thống cảnh báo (Alarm Logging): Đưa ra các thông báo, cảnh báo - Lưu trữ các giá trị đo của quá trình (Tag Logging): Lập báo cáo về tình trạng của hệ thống. 5.2 Các thành phần cơ bản trong một project của WinCC: Một project bao gồm các thành phần: - Computer: Quản lý tất cả các trạm vận hành (Work Station) và trạm chủ (Server) nằm trong project. - Tag Management Là khu vực quản lý tất cả các kênh, các quan hệ logic, các biến quá trình (Tag Process), biến nội (Tag internal) và các nhóm biến (Tag Group). - Các kiểu dữ liệu (Data Type):Chứa các kiểu dữ liệu được gán cho Tag và các kênh. - Editor:Sử dụng trình soạn thảo để soạn thảo và điều khiển một project hoàn chỉnh. 5.2.1. Các trình soạn thảo chuẩn của WinCC - Graphic Designer: Là trình soạn thảo tạo giao diện đồ hoạ, nó cung cấp các đối tương đồ hoạ và các bản mẫu cho phép tạo các hình ảnh của các quá trình từ đơn giản tới phức tạp. Những đặc tính động có thể được tạo ra cho từng đối tượng đồ hoạ riêng. Người sử dụng tạo ra các đối tượng đồ hoạ và có thể được lưu trữ vào trong thư viện. - Alarm Logging: Cho phép hiển thị các thông báo trong quá trình chạy (runtime) nhờ việc thu thập và lưu trữ các kết quả của quá trình. Có hai loại: Khối thông báo (Message Block), các lớp thông báo (Message Classes), loại thông báo (Message Type), hiển thị thông báo và báo cáo. - Tag Logging: Tag Logging được sử dụng để thu thập dữ liệu từ các quá trình để hiển thị và lưu trữ. Thời gian thu thập và lưu trữ có thể được lựa chọn. Để hiển thị những giá trị quá trình trên dạng Trend và dạng Table được thực hiện qua “WinCC Online Trend” và “Table Control” của Graphic Designer. - Report Designer: Report Designer là một hệ thống tích hợp các báo cáo để cung cấp tài liệu theo thời gian định trước hoặc theo sự kiện điều khiển của các thông báo, các thao tác, các nội dung lưu trữ, các dữ liệu hiện thời hoặc dữ liệu lưu trữ trong các dạng báo cáo của người sử dụng hoặc có thể lựa chọn các dạng layout trong project. Nó cung cấp đầy đủ các giao diện cho người sử dụng với các công cụ đồ hoạ và đưa ra các kiểu báo cáo khác nhau. 5.2.2. Các hệ thống layout chuẩn và các print job có sẵn - Global Scrip: Là ngôn ngữ thông dụng cho phép tạo ra các hàm giống như trong C và các action, có thể sử dụng trong một project hoặc nhiều project phụ thuộc vào loại hàm được tạo ra. - Text Library: Cho phép soạn thảo các văn bản để sử dụng trong khi chạy runtime bởi các module khác nhau. Có nhiều ngôn ngữ được định nghĩa để sử dụng cho các văn bản hiển thị trong quá trình chạy runtime. - User Administrator: “User Administrator” được sử dụng để xác định và giám sát quyền truy nhập của người sử dụng. Tạo ra tính bảo mật của hệ thống. - Cross Reference: “Cross Reference” được sử dụng để tìm và hiển thị tất cả các vị trí của các đối tượng sử dụng như: Tag, picture, hàm …Với hàm Linking tên của các tag có thể bị thay đổi nhưng không bị mâu thuẫn trong cấu hình. 5.2.3 Các lựa chọn cơ bản trong WinCC - Client Server: Với chức năng Client Server, WinCC có thể được ứng dụng để vận hành nhiều trạm cùng cấp trong một hệ thống mạng. - Redundancy: WinCC Redundancy cho phép vận hành với chế độ dự phòng, song song hai máy tính server. Nếu một trong hai máy tính server bị sự cố thì máy còn lại sẽ vận hành toàn bộ hệ thống. Sau khi máy bị sự cố hoạt động trở lại thì nội dung những thông báo và các dữ liệu lưu trữ được sao chép lại. - User Achives: Là một hệ thống cơ sở dữ liệu được đặt bởi người sử dụng. Dữ liệu từ quá trình kỹ thuật có thể được hiển thị trực tiếp và lưu trữ trong máy tính server. Công thức điều khiển và các giá trị đặt được cất tại “User Achives”, khi cần sử dụng thì chỉ việc gọi ra. - Tag và Tag Group: Tag là một thành phần trung gian cho việc truy nhập các giá trị quá trình. Mỗi Tag được đặc trưng bằng một tên duy nhất và một kiểu dữ liệu. Có hai loại Tag cơ bản : + Internal Tag: Còn gọi là các biến nội, biến này có thể được tính toán và chỉnh sửa trong WinCC, không có địa chỉ trên PLC. + External Tag: Biến ngoài, được gán địa chỉ và kết nối với PLC. 5.3 Kết nối giao diện giữa WinCC và PLC: 5.3.1 Mục đích ghép nối: Để nhằm mục đích điều khiển và giám sát hệ thống một cách hiệu quả, nên ta chọn giải pháp thiết lập một giao diện người máy. Phần giao diện này được viết bằng phần mềm chuyên dụng là “ Wincc” cuả hãng Siemen. Với phần mềm giao diện này, cho phép ta thiết kế một giao diện bất kỳ từ đơn giản tới phức tạp. Giao diện được lập ra, sau khi kết nối với PLC, cho phép ta điều khiển, giám sát toàn bộ tình trạng hoạt động của hệ thống. Giúp người điều khiển có thể quản lý tốt hệ thống từ đặt thông số hoạt động, theo dõi và xử lý kịp thời khi có sự cố xảy ra, người điều khiển chỉ ngồi trong phòng và điều khiển hoạt động cho cả một hệ thống một cách chính xác. Bởi vì mọi thông tin về tình trạng hoạt động của nó được lưu trữ và đưa ra cho người điều khiển biết thông qua cảnh báo lỗi xuất hiện khi xảy ra. Do không có điều kiện để ghép nối thực, nên công việc ghép nối này được thực hiện trên mô phỏng trực tiếp giữa phần mềm Wincc với Step 7 thông qua PLC sim. Mặc dù vậy vẫn đảm bảo chính xác các yêu cầu đặt ra của hệ thống, minh hoạ chính xác chương trình lập trong PLC. 5.3.2 Phương thức ghép nối: 5.3.2.1. Chọn kênh truyền thông: Để thực hiện việc kết nối giữa Wincc với Step7, trước hết ta phải chọn kênh truyền thông. ở đây phương thức truyền thông được lựa chọn phụ thuộc vào PLC sử dụng. Đối với họ SIMATIC PLC có phạm vi từ vài trăm tới vài nghìn đầu vào ra, thì việc lựa chọn một kênh truyền thông rất quan trọng. Trong hệ thống của chúng ta sẽ chọn “ SIMATIC S7 Protocol Suite”, cho phép truyền thông với với họ S7. Trong “ SIMATIC S7 Protocol Suite”, quản lý các kênh truyền thông như Industrial Ethernet, Industrial Ethernet II, MPI,… Trong dự án của chúng ta chọn kênh truyền thông MPI . MPI là một kênh truyền thông dùng để quản lý các trạm PLC của chúng ta. Trong MPI có địa chỉ mặc định là 2, đây là địa chỉ được sử dụng để kết nối với Step 7. Ngoài ra, ta phải thiết lập các giá trị cho trao đổi dữ liệu giữa Wincc với Step 7 như làm trong hộp thoại sau. Tất cả các kênh trên đều chịu sự quản lý của “Tag Mangement”, trong đó chức năng chính là quản lý mọi quan hệ logic, mọi biến ngoại, biến nội, các nhóm Tag. ở đây ta phải lưu ý rằng, mọi công việc kết nối đều thông qua trực tiếp các Tag. Nên ta chọn phương thức ghép nối chủ yếu bằng cách gán Tag trực tiếp cho đối tượng, vì thế ta chọn “ Wincc Tags” như trong hộp thoại dưới đây. 5.3.2.2 Cách thức tạo ra kênh truyền thông: Từ “Tag Mangement”, chọn “ Add New Driver”, trong hộp thoại tiếp theo ta chọn “SIMATIC S7 Protocol Suite”. Để tạo ra một sự liên kết mới, nhắp chuột vào biểu tượng “ +” khi đó các kênh truyền thông có sẵn xuất hiện. Ta nhắp chuột phải trên kênh MPI, ở phía trên ta chọn “ Add New Driver connection” như hộp thoại dưới đây. Trong “ Add New Driver connection” xuất hiện dưới đây, ta nhập tên cho trạm PLC trong khung “Name” và kết thúc bằng phím “ OK” như hộp thoại dưới đây. Và đây chính là một trạm PLC có chức năng quản lý mọi địa chỉ vào, ra, các biến nhớ trong chương trình PLC thông qua các Tag ngoại. Như vậy là ta đã tạo xong một trạm PLC, và từ đây ta sẽ thiết lập hàng loạt các Tag ngoại để truy nhập các địa chỉ trong PLC mà ta đã lập trình. Cách tạo một Tag ngoại: Trước hết, ta phải nói rằng, Tag ngoại “ External Tag” là một biến ngoại, có chức năng truy cập các địa chỉ vào, ra trong PLC. Theo sự truy cập địa chỉ này mà ta có thể thực hiện việc kết nối giữa Wincc với Step 7. Với “Tag group” là một nhóm các Tag đơn được tổ chức thành một cấu trúc để dễ dàng trong việc quản lý cũng như truy cập. Cấu hình tạo ra một Tag group cũng tương tự như việc tạo ra một Tag ngoại. Chỉ có điều khác là trong Tag group ta phải thiết lập ra các Tag đơn có kiểu dữ liệu, truy cập địa chỉ khác nhau. ở đây, ta sẽ đưa ra các bước tạo một Tag ngoại, để tạo ra một Tag ngoại ta thực hiện các bước sau. - Nhắp chuột phải vào PLC mà ta đã tạo ra, sau đó vào “New Tag”. - Trong hộp thoại “ Tag Properties” hãy đặt tên Tag, chọn kiểu dữ liệu như trong ví dụ của hộp thoại dưới đây. Trong hộp thoại này ta có thể thiết lập các giá trị ban đầu cho Tag bằng cách nhắp chuột vào “ Limits/ Reporting. Từ đây, ta tạo ra giá trị ban đầu là “0” hay bằng “1” cho Tag bằng cách tick vào ô “ Start Velue”. Đối với Tag group cũng thực hiện đặt các thông số tương tự như trên. 5.3.4 Truy nhập địa chỉ cho Tag: Tuỳ theo mục đích ghép nối mà ta truy cập địa chỉ vào, ra hay biến nhớ. Nói chung, cách truy cập này đảm bảo cho quá trình kết nối giữa giao diện trên Wincc với Step 7. Cách thức thực hiện truy cập địa chỉ được thực hiện như sau. - Nhắp chuột vào nút “ Select” để mở hộp thoại “ Address Properties”, - Từ hộp thoại này, ta có thể chọn các kiểu dữ liệu, địa chỉ vào, ra, hay biến nhớ như trong hộp thoại sau. Lưu ý rằng tuỳ thuộc vào kiểu đối tượng mà trong chương trình lập trình PLC đã lập cho nó, mà ta truy nhập địa chỉ cho chính xác. Tránh trường hợp gán nhầm địa chỉ dẫn tới lỗi cho hệ thống. Dưới đây là một hộp thoại gán địa chỉ cho Tag ngoại như ví dụ dưới đây: Lưu ý rằng, trong khung dữ liệu “ Data” có nhiều kiểu dữ liệu cho ta chọn như DB, Bitmemory, Input, Output. Và tương ứng với mỗi một kiểu dữ liệu là một kiểu địa chỉ khác nhau có thể là kiểu “ Word” hoặc kiểu “Byte”… Tiếp theo ta có thể đặt địa chỉ tuyến tính cho các Tag khi cần thiết, chức năng này chỉ cần thiết khi truy nhập các Tag ngoại, công việc này được tiến hành như sau. Chọn “Linear Scaling” và cho tích cực các trường “Process Value Range” và “ Tag value Range” Sau đó tiến hành đặt các giá trị cho các khoảng giá trị trên như ví dụ trong hộp thoại sau. Chú ý rằng, nếu muốn sử dụng các số dương hay âm để truy cập cho các Tag thì phải sử dụng một Tag tín hiệu. 5.4 Địa chỉ kết nối với PLC của các thiết bị trong hệ thống: Hệ thống van: Tên đối tượng Tag ghép nối Địa chỉ Van điều khiển lượng than V1 Q8.1 Van trao đổi nhiệt V2 Q8.2 Van trao đổi nhiệt V3 Q8.3 Van dẫn gió 3 vào Precalciner V4 Q8.4 Van điều khiển gió 3 V5 Q8.5 Van cấp bột liệu từ cyclon tầng 5 V6 Q8.6 Van cấp dầu V7 Q8.7 Van cấp bột liệu từ cyclon tầng 4 V8 Q8.8 Hệ thống cảm biến: Tên đối tượng Tag ghép nối Địa chỉ Cảm biến nồng độ O2 “Nong_do_O2” Q4.1 Cảm biến nồng độ CO2 “Nong_do_CO2” Q4.2 Cảm biến nồng độ NO2 “Nong_do_NO2” Q4.3 Cảm biến nhiệt độ than “Nhiet_do_than” Q4.4 Cảm biến lưu lượng than “Luu_luong_than” Q4.5 Cảm biến nhiệt độ gió “Nhiet_do_gio” Q4.6 Cảm biến lưu lượng gió “Luu_luong_gio” Q4.7 Cảm biến áp suất gió “Ap_suat_gio” Q4.8 Cảm biến nhiệt độ Calciner “Nhiet_do_1” Q4.9 Cảm biến áp suất Calciner “Ap_suat” Q4.10 Cảm biến tốc độ động cơ cấp than “Toc_do_thuc” Q4.11 Cảm biến tốc độ động cơ cấp gió “Toc_do_thuc_1” Q4.12 Cảm biến báo sự cố “Bao_su_co” Q4.13 Thông số PID điều khiển hệ thống: Tên đối tượng Tag ghép nối Địa chỉ Kp điều khiển than Kp DD124 Ki điều khiển than Ki DD16 Kd điều khiển than Kd DD20 Kp điều khiển gió Kp_1 DD24 Ki điều khiển gió Ki_1 DD28 Kd điều khiển gió Kd_1 DD32 Hệ thống động cơ: Tên đối tượng Tag ghép nối Địa chỉ Động cơ điều khiển van cấp than “ĐC1” Q4.1 Động cơ điều khiển van cấp gió “ĐC2 Q4.2 Động cơ điều khiển van cấp dầu “ĐC3” Q4.3 Động cơ điều khiển băng tải “ĐC5” Q4.5 Động cơ điều khiển khí từ lò nung lên Calciner “ĐC6” Q4.6 5.5Giao diện giám sát hệ thống: 5.5.1 Giới thiệu: - Từ giao diện giới thiệu ta có thể truy cập vào giao diện chính bằng cách click vào nút “ Precalciner”. Để xem toàn bộ hệ thống - Nêu muốn thoát khỏi chương trình thì click vào nút “ Exit “. 5.5.2 Giao diện chính: Giao diện chính gồm có : Hai hệ thống tháp trao đổi nhiệt 5 tầng. Mỏ đốt. Hệ thống van cấp than, dầu cho mỏ đốt. Hệ thống van cung cấp gió ba cho Calciner. Calciner Ngoài ra ta có thể truy nhập để xem đồ thị nhiệt độ của quá trình cháy bằng cách click vào nút “ Đồ thị “ sau đó chọn “ Đồ thị nhiệt độ “ Khi hệ thống có lỗi thì nút “ Cảnh báo ” sẽ chuyển sang màu đỏ, để phát hiện lỗi từ vị trí nào của hệ thống ta click vào nút này. Ta có thể cài đặt thông số Kp, Ki, Kd của bộ điều khiển gió và bộ điều khiển than khi click vào nút “ ĐK Than “ , “ ĐK Gió “. Ta cũng có thể giám sát tốc độ của động cơ cấp than và động cơ cấp gió khi click vào nút “ ĐC1 “ và “ ĐC2 “ Từ giao diện chính ta có thể giám sát được toàn bộ tình trạng hoạt động của hệ thống. Calciner Bunrner là phần hiện thị số liệu của mỏ đốt bao gồm: + Nhiệt độ dầu cung cấp. + Áp suất dầu cung cấp. + Lượng dầu cung cấp cho mỏ đốt. + Phần trăm cháy của dầu. + Giá trị nhiệt độ đặt của Calciner. + Giá trị nhiệt độ thực của Calciner. Bảng hiện thị nồng độ của các khí có trong Calciner khi quá trình nung xảy ra: + Nồng độ khí O2. + Nồng độ khí CO. + Nồng độ khí NO2. Bảng hiển thị nhiệt độ, lưu lượng của than và gió cung cấp cho mỏ đốt trong một giờ. 5.5.3 Đồ thị: Muốn xem đồ thị biểu diễn nhiệt độ của Calciner theo thời gian ta click vào nút “ Đô thị nhiệt độ “ Bên phải cửa sổ là đồ thị nhiệt độ của Calciner theo thời gian. Bên trái cửa sổ là thông số của nhiệt độ được ghi chi tiết theo từng thời điểm. Cứ một giây giá trị của nhiệt độ lại được cập nhật và gửi về bảng thống kê. Nếu click vào nút hình máy in của bảng thông số nhiệt độ thì tất cả các thống kê này sẽ được in ra một file văn bản, đây là chức năng Report của WinCC. Điều này giúp cho người vận hành có thể giám sát được nhiệt độ của hệ thống một cách triệt để nhất. Ngoài ra các nút còn lại sẽ cho ta thầy đồ thị của nồng độ các khí có trong thành phần cháy của Calciner. Như:O2, CO2, NO2. 5.5.4 Giám sát động cơ: Chức năng này cho ta giám sát được tốc độ của động cơ theo từng thời điểm, điều này giúp cho việc so sánh tốc độ thực và tốc độ đặt của động cơ rất thuận tiện. Các trạng thái làm việc của động cơ cũng được hiển thị trên giao diện giám sát, như: động cơ dừng, động cơ đang chạy, động cơ bị hỏng. Động cơ làm việc ở trạng thái nào thì đèn tín hiệu ở trạng thái đó sẽ nhấp nháy. Ví dụ: động cơ đang chạy việc thì đèn xanh sẽ nhấp nháy. Động cơ cấp than cũng được giám sát với giao diện giống như của động cơ điều khiển gió. 5.5.5 Chức năng điều khiển: Việc nhập tham số điều khiển cho bộ điều khiển than và bộ điều khiển gió được thực hiện từ giao diện điều khiển than và điều khiển gió. Các tham số Kp, Ki, Kd của bộ điều khiển lưu lượng than sẽ được nhập từ cửa sổ này sau khi ấn nút “ Chấp nhận “ số liệu sẽ được truyền xuống PLC qua địa chỉ được khai báo từ trước. Nếu như nhập sai ta có thể hủy bỏ và nhập lại. 5.5.6 Giao diện cảnh báo Nếu có cảnh báo ta chỉ cần truy nhập vào nút “ cảnh báo “ từ đó ta có thể biến nào đang được cảnh báo.Như ở trên ta thấy nut “ nhiệt độ “ chuyển sang mà đỏ tức là biến nhiệt độ đang được cảnh báo. Truy nhập vào đó ta được bảng báo cáo. Từ bảng báo cáo ta có thể biết được thời gian, ngày, giờ xảy ra sự cố để có thể giám sát quy trách nhiệm cho tổ, ca đã vận hành gây ra sự cố. KẾT LUẬN Qua thời gian nghiên cứu, làm việc và được sự chỉ bảo tận tình của cô giáo PGS.TS Phan Xuân Minh. Em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình với các nhiệm vụ: Nghiên cứu công nghệ và hệ thống điều khiển sản xuất xi măng. Khảo sát hệ thống Precalciner của nhà máy. Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ cho Precalciner. Thiết kể hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu trên nền WinCC. Đồng thời em cũng xin phép được đề xuất các ý kiến phát triển đồ án, để đồ án hoàn thiện hơn và có thể đưa vào áp dụng trong thực tế: Xây dựng quan hệ mờ giữa lưu lượng gió và lưu lượng than cung cấp cho mỏ đốt của Precalciner. Để từ lượng than cung cấp ta có thể biết được lượng gió cần thiết để đảm bảo phản ứng cháy xảy ra hoàn toàn. Do thời gian không có nhiều và lần đầu tiên bắt tay vào thiết kế một hệ thống phức tạp nên đồ án không thể tránh được nhưng thiếu sót, do đó em mong nhận được nhiều sự chỉ bảo góp ý của các thầy giáo, cô giáo để đổ án của chúng em có thể được hoàn thiện hơn nữa. Qua đây em cũng bầy tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình đến các thầy cô giáo trong bộ môn, đặc biệt là cô giáo PGS.TS Phan Xuân Minh cung tập thể cán bộ kỹ sư xưởng Điện – Điện Tử nhà máy xi măng Tam Điệp đã giúp đỡ em rất nhiều tron quá trình làm đồ án. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Doãn Phước: Lý thuyết điều khiển tuyến tính. Nhà xuát bản Khoa học và Giáo dục,2002. [2] PGS.TS Phan Xuân Minh; Nguyễn Doãn Phước; Vũ Vân Hà: Tự động hóa với Simatic S7 – 300 . Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật 2002. [3] Nguyễn Văn Hòa: Cơ sở tự động hóa. [4] Phạm Công Ngô: Lý thuyết điều khiển tự động. [5] Tài liệu kỹ thuật về nhà máy xi măng Tam Điệp Mục Lục Lời nói đầu…………..……………………………………………………...1 Phần 1: Nghiên công nghệ sản xuất xi măng và hệ thống điều khiển của nhà máy...........................................................................................2 Chương 1 Công nghệ sản xuất xi măng……………………………………………….3 Giới thiệu chung về nhà máy……………………………………………3 1.2 Giới thiệu các công đoạn trong nhà máy………………………………..4 Chương 2 Cầu trúc hệ thống điều khiển của nhà máy…………………………...…..9 2.1 Hệ thống điều khiển……………………………………………………..9 2.2 Các vị trí vận hành………………………………………………………9 2.3 Chức năng của hệ thống……………………………………………….10 2.4 Giám sát và điều khiển FLF - ECS Expert…………………………….13 Chương 3 Hệ thống mạng Ethernet toàn nhà máy……………………………….....16 Giới thiêu chung………………………………………………………16 Hệ thống mạnh lưới đầu nối…………………………………………..17 Hoạt động của mạng Ethernet………………………………………...19 Hệ thống PLC Cabinet………………………………………………..22 Bộ xử lý điều khiển ( Process controller)…………………………….25 3.6 Các bộ cung cấp nguồn……………………………………………….25 3.7 Hệ thống chuyển mạch quang FIBER SWICHES……………………25 Phần 2: Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ cho Precalciner……….28 Chương 1 Nghiên cứu quá trình tiền nung Clinker…………………………………29 Cấu tạo và chứng năng của PRECALCINER………………………...29 Thiết kế khoang xoáy…………………………………………………30 Nguyên lý buồng trộn…………………………………………………31 Công thức hoạt động………………………………………………….31 Pyromet quang học……………………………………………………32 Phễu cấp than………………………………………………………….32 Van cấp than và động cơ servo hỗ trợ………………………………...32 Mô hình hóa đối tượng:……………………………………………….35 1.9 Nhiệm vụ điều khiển…………………………………………………..36 Chương 2: Thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống cấp than và cấp gió……...…..37 2.1 Giới thiệu bộ điều khiển PID…………………………………………..37 2.2 Phân tích các luật điều khiển…………………………………………..38 2.3 Xác định tham số cho bộ điều khiển bằng phương pháp tối ưu đối xứng……………………………………………………………………………….43 2.4 Mô phỏng hệ thống cấp than trên nền Matlab Simulink………………48 2.5 Mô phỏng hệ thống cấp gió trên nền Matlab Simulink:……………….49 2.6 Mô phỏng tổng hợp hệ thống…………………………………………..51 Chương 3 Giới thiệu về PLC S7 – 300……………………………………………….53 3.1 Tổng quan về PLC…………………………………………………….53 3.2 Cấu tạo và hoạt động của PLC………………………………………..54 3.3 Lập trình cho PLC…………………………………………………….56 3.4 Các ứng dụng của PLC………………………………………………..57 3.5 PLC thuộc họ Simatic của hãng Siemens……………………………..58 3.6 Kỹ thuật lập trình……………………………………………………...65 Chương 4 Chương trình điều khiển………………………………………………….66 4.1 Cấu trúc chương trình………………………………………………….66 4.2 FC105………………………………………………………………….66 4.3 FC106………………………………………………………………….68 4.4 Giới thiệu về module mềm PID……………………………………….71 4.5 Điều khiển liên tục với FB41 CONT_C……………………………….72 4.6 Chương trình điều khiển trong khối OB35 ……………………………79 Chương 5 Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát hệ thống trên nền WinCC….88 5.1 Tổng quan về WinCC…………………………………………………88 5.2 Các thành phần cơ bản trong một project của WinCC……………….90 5.3 Kết nối giao diện giữa WinCC và PLC……………………………….92 5.4 Địa chỉ kết nối với PLC của các thiết bị trong hệ thống……………..97 5.5Giao diện giám sát hệ thống………………………………………….100 Kết Luận………………………………………………………………….107 Tài liệu tham khảo ._.