ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP KIM ĐÌNH THÁI THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG CHO NHÀ MÁY CÁN THÉP THÁI NGUYÊN TRÊN NỀN SIMTAC S7-300 VÀ PHẦN MỀM WINCC Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Mã số: 6052 0216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Thái Nguyên - 2014 Công trình được hoàn thành tại Người hướng dẫn khoa học: (Ghi rõ họ tên, chức danh khoa học, học vị) Phản biện 1: Phản biện 2: Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại: Vào hồi giờ tháng năm 20 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Qua khảo sát tìm hiểu về nhà máy cán thép Thái Nguyên thì hiện tại nhà máy có khá nhiều các công đoạn được điều khiển thủ công và phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm của người vận hành. Bên cạnh đó, sự tiến bộ vượt bậc về khoa học kỹ thuật cũng như công nghệ tự động hóa cho thấy, việc nghiên cứu và cải tiến hệ thống tự động hóa của nhà máy cán thép nói chung và cho nhà máy cán thép Thái Nguyên nói riêng là thực sự cấp thiết để nâng cao hiệu quả sản xuất. Mặt khác, một trong những yếu tố ảnh hưởng quan trọng đến chất lượng thép chính là điều khiển quá trình nung phôi trong lò nung sao cho tiết kiệm chi phí nhất, chất lượng phôi sau khi nung đạt được nhiệt độ yêu cầu công nghệ đặt ra.Với ý nghĩa đó và được sự đồng ý của cán bộ hướng dẫn GS.TS Phan Xuân Minh, tôi đề xuất đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cho nhà máy cán thép Thái Nguyên trên nền Simatic S7-300 và phần mềm WinCC”. 2. Mục đích nghiên cứu Mục đích của nghiên cứu nhằm khai thác công nghệ tự động hóa hiện đại để nâng cấp và cải thiện hiệu quả nung phôi thép trong lò. Trên cơ sở đó, mục tiêu của nghiên cứu là: Phân tích và làm rõ được bài toán điều khiển nhiệt độ lò nung, làm rõ được các yêu cầu công nghệ đặt ra để từ đó thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho bốn vùng nung, tổng hợp hệ thống điều khiển và giám sát nhiệt độ lò nung trên nền Simatic S7-300 và phần mềm WinCC. 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung của nhà máy cán thép Thái Nguyên. Phạm vi nghiên cứu của đề tài: Luận văn lấy nhà máy cán thép Thái Nguyên làm địa điểm nghiên cứu, thời gian nghiên cứu từ tháng 03-2013 đến tháng 11-2013. 4. Phương pháp nghiên cứu Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm. Nghiên cứu lý thuyết về quy trình công nghệ và hệ thống tự động hóa nhà máy, phân tích và làm rõ bài toán điều khiển nhiệt độ lò nung, mô hình hóa các vùng lò nung, từ đó thiết kế và tổng hợp hệ thống điều khiển. Nghiên cứu tiến hành khảo sát thực địa tại nhà máy cán thép Thái Nguyên, có thực nghiệm và mô phỏng kết quả nghiên cứu. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học: Phân tích và làm rõ bài toán điều khiển nhiệt độ lò nung của nhà máy cán thép Thái Nguyên. Từ đó xây dựng mô hình toán học của bốn vùng lò nung, thiết kế bộ điều khiển cho từng vùng lò và cuối cùng là xây dựng trạm điều khiển lò nung, lập trình điều khiển và thiết kế giao diện giám sát khu vực lò nung. Ý nghĩa thực tiễn: Từ các kết quả nghiên cứu này sẽ đóng góp cho việc nâng cấp và cải tiến hệ thống tự động hóa nhà máy cán thép Thái Nguyên mà cụ thể là cho khu vực lò nung nhà máy. 6. Cấu trúc của luận văn Ngoài phần mở đầu và kết luận, bản luận văn được chia làm 3 chương. 3 CHƯƠNG 1 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ VÀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA TẠI NHÀ MÁY CÁN THÉP THÁI NGUYÊN 1.1. Giới thiệu nhà máy Nhà máy cán thép Thái Nguyên được khởi công xây dựng tháng 6/2002 với chủ đầu tư là công ty gang thép Thái Nguyên. Tất cả thiết bị chính trong dây chuyền là do hãng Danieli - Italia cung cấp. 1.2. Quy trình công nghệ cán thép Qui trình công nghệ của nhà máy cán thép Thái Nguyên được biểu diễn ở hình dưới đây: 4 Thu cuộn Đạt Ki ể m tra Cân nhập kho Đếm, đóng bó Cắt sản phẩm Ki ể m tra Buộc cuộn Cân nhập kho Phân loại, xếp riêng Không đạt Không đạt Đ ạ t Cán Block Làm nguội dây Máy tạo vòng Sàn lăn dải Sàn nguội Cắt phân đoạn Quenching Cán thanh ≤ Ф16 Cán thô Cắt đầu đuôi lần 1 Cán trung/tinh Cắt đầu đuôi lần 2 Cán thanh ≥ Ф18 Không H ồ i lò X ử lý Không đạt Ra lò Nung phôi Nạp phôi Ki ể m tra Phôi Đạt 5 1.2.1. Quy trình cán thép dây cuộn 1.2.2. Quy trình cán thép thanh tròn trơn vằn 1.3. Hệ thống cung cấp điện 1.3.1. Trạm biến áp trung áp a. Trạm biến áp 35KV ngoài trời: b. Trạm biến áp 22kV trong nhà 1.3.2. Trạm máy phát 110 kVA 1.3.3. Trạm lọc sóng hài bậc 5, bậc 7 và bù công suất 1.3.4. Hệ thống tủ điện 1.4. Hệ thống tự động hóa 1.4.1. Các tủ điều khiển 1.4.2. Hệ thống điều khiển phân tán 1.5. Kết luận chương 1 Tổng quan về nhà máy cán thép Thái nguyên, qui trình công nghệ, hệ thống cung cấp điện và hệ thống tự động hóa là các nội dung chính đã được trình bày trong chương 1. Vấn đề tìm giải pháp nâng cao chất lượng điều khiển cho nhà máy là một vấn đề rất lớn. Do vậy, trong khuôn khổ luận văn này, tác giả tập trung vào nghiên cứu các phương pháp điều khiển nâng cao chất lượng của hệ thống lò nung. 6 CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG 2.1. Cấu tạo và hoạt động của lò nung nhà máy cán thép Thái Nguyên 2.1.1. Cấu tạo lò nung TT1 12 4 12 3 Discharging Can nhiÖt T§N KK thõa TT2 Van x¶ 2 KK ra Van x¶ kªnh khãi Van x¶ 1 KK vµo Charging Vïng sÊy Vïng nung è ng khãi Kick off1 Kick off2 Hình 2.1. Lò nung phôi cán thép Lò nung của nhà máy cán thép Thái Nguyên là loại lò đốt liên tục sử dụng dầu, kiểu đáy bước, có công suất nung 50 tấn/h. 2.1.2. Các yêu cầu điều khiển lò nung a. Điều khiển hoạt động lò nung b. Điều khiển nhiệt độ và điều khiển đốt 7 c. Kiểm soát khí thừa d. Kiểm soát quá áp lò e. Kiểm soát áp suất khí đốt f. Bảo vệ bộ thu hồi khỏi nhiệt độ cao g. Bảo vệ mạch làm nguội đáy bước. h. Hệ thống camera theo dõi lò nung i. Dịch vụ hỗ trợ lò nung 2.2. Phát biểu bài toán điều khiển quá trình nung 2.2.1. Yêu cầu nhiệt độ từng vùng nung 2.2.1.1. Vùng sấy 2.2.1.2. Vùng nung 2.2.1.3. Vùng đồng nhiệt 2.2.2. Bài toán điều khiển nhiệt độ lò nung Với yêu cầu nhiệt độ từng vùng như trên nên mỗi vùng đều được bố trí các mỏ đốt (đốt bằng dầu với không khí). Tại mỗi mỏ đốt đều có các van điều khiển bằng tay để điều chỉnh lưu lượng dầu, khí nén hóa mù dầu và điều chỉnh lưu lượng không khí. Riêng với từng cụm mỏ đốt cho các vùng chỉ có 1 van điều khiển lưu lượng dầu và 1 van điều khiển lưu lượng không khí. Bài toán điều khiển nhiệt độ lò nung chính là điều chỉnh tự động các van này sao cho nhiệt độ từng vùng ổn định và duy trì theo yêu cầu đặt ra. Việc đo lường và điều khiển nhiệt độ cho bốn vùng nung là hoàn toàn tương tự nhau. Cho nên nghiên cứu tập trung chủ yếu vào vùng 1(vùng sấy), các vùng còn lại là hoàn toàn tương tự. Bài toán điều khiển đặt ra là: Với các vùng lò nung là vùng sấy, vùng nung và 2 vùng đồng nhiệt thì với giá trị nhiệt độ đặt trước (theo yêu cầu công nghệ) ở mỗi vùng cần điều khiển van cấp 8 dầu (và từ đó điều khiển không khí theo tỷ lệ tối ưu nhất) sao cho nhiệt độ vùng ổn định tại nhiệt độ đặt trước đó. Nhiệt độ của mỗi vùng được đo bằng hai cặp nhiệt loại “S” ở hai bên lò. Giá trị nhiệt độ đo được so sánh với giá trị nhiệt độ đặt trước (được người vận hành cài đặt trên giao diện giám sát). Sai lệch giữa hai giá trị nhiệt độ này được đưa vào bộ điều khiển để có tín hiệu điều khiển van cấp dầu và từ đó điều khiển nhiệt độ của vùng. 2.3.1. Mô hình toán học vùng 1 Hình 2.2. Đối tượng điều khiển vùng 1 Tiếp theo ta đi xác định hàm truyền của thiết bị đo, thiết bị chấp hành và của vùng 1 để từ đó xây dựng hàm truyền của đối tượng điều khiển vùng 1. 2.3.1.1. Hàm truyền thiết bị đo Trong hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung thì thiết bị đo gồm: can nhiệt (loại S) và bộ chuyển đổi đo chuẩn. () 1 m m k Gs s τ = + (hoặc một khâu bậc hai ổn định). Vì hằng số thời gian τ (khoảng 0.005s) rất nhỏ so với hằng số thời gian của vùng nhiệt (100s), tức là phép đo có động học nhanh hơn nhiều so với động học quá trình, do đó ta có thể bỏ qua quán tính của thiết bị đo và coi đặc tính của thiết bị đo như một khâu khuếch Thiết bị đo 0÷550l/h Biến đk 0÷1400 0 C Biến cần đk T 4÷20mA Tín hiệu đo 4÷20m A Tín hiệu đk Thiết bị chấp hành Nhiệt độ vùng 1 Đối tượng điều khiển vùng 1 [...]... PLC S7300 kết quả thực nghiệm trên đối tượng có mô hình tương đương lò nung cho thấy thiết kế đưa ra là thích hợp 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Với đề tài nghiên cứu là Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung của nhà máy Cán thép Thái Nguyên chúng ta đã tìm hiểu được quy trình công nghệ cán thép tại nhà máy (chương 1), thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung (chương 2) và tổng hợp hệ thống điều. .. nhiệt độ của từng vùng bám sát theo giá trị đặt, với độ quá điều chỉnh và thời gian trễ thỏa mãn yêu cầu công nghệ Tiếp theo sang chương 3 chúng ta sẽ tổng hợp hệ thống điều khiển nhiệt độ trên nền Simatic S7-300 và phần mềm WinCC 15 CHƯƠNG 3 TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG TRÊN NỀN SIMATIC S7-300 VÀ PHẦN MỀM WINCC 3.1 Cấu hình hệ thống điều khiển 3.1.1 Cấu hình phần cứng Cấu hình điều khiển. .. nghiệm) Qua các kết quả thu được sau khi tiến hành thực nghiệm, có thể thấy giải pháp đưa ra đáp ứng được các yêu cầu điều khiển nhiệt độ lò nung 22 3.6 Kết luận chương 3 Sau khi thiết kế phần mềm điều khiển, thiết kế phần mềm giám sát hệ thống điều khiển nhiệt độ các vùng lò nung, chúng ta đấu nối các thiết bị cần thiết vào hệ thống điều khiển, cài đặt các tham số bộ điều khiển PID và download chương... FC105 3.3.2.2 Module FC106 3.3.2.3 Module mềm PID (FB41) 3.3.3 Thiết kế chương trình điều khiển trên nền STEP 7 Điều khiển nhiệt độ lò nung, tức là điều khiển nhiệt độ 4 vùng lò nung ổn định tại một giá trị định trước Để viết chương trình điều khiển trước hết cần xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển nhiệt độ lò nung a Lưu đồ thuật toán điều khiển nhiệt độ lò nung Toàn bộ chương trình được viết trong... 78-92) 3.4 Thiết kế phần mềm giám sát 3.4.1 Yêu cầu thiết kế 3.4.2 Thiết kế giao diện HMI Từ yêu cầu về thiết kế giao diện HMI để điều khiển và giám sát nhiệt độ lò nung ở trên, ta đi vào việc thiết kế giao diện Giao diện được thiết kế gồm các trang màn hình như sau: Màn hình tổng quan khu vực lò nung OVERVIEW, 4 màn hình điều khiển và giám sát cho 4 vùng lò nung HEATING ZONE (thiết kế giống nhau) và các... khiển nhiệt độ lò nung trên nền Simatic S7-300 và phần mềm WinCC (chương 3) Như đã phân tích, điều khiển nhiệt độ lò nung là một bài toán điều khiển phức tạp, bao gồm điều khiển lưu lượng dầu, lưu lượng khí đốt và điều khiển tỷ lệ dầu/khí để quá trình nung kim loại trong lò đạt yêu cầu công nghệ và tiết kiệm chi phí Vì thời gian có hạn nên luận văn chỉ giới hạn phạm vi nghiên cứu điều khiển nhiệt độ. .. lò nung liên tục của nhà máy cán thép Thái Nguyên đang hoạt động Sau đó ta đã phân tích và làm rõ bài toán điều khiển nhiệt độ lò nung Từ bài toán điều khiển quá trình đặt ra, ta đã xác định được mô hình toán học của cả 4 vùng nung Cuối cùng là thiết kế bộ điều khiển Phương pháp thiết kế được sử dụng là công cụ PID tune của matlab Kết quả mô phỏng cho thấy khi nhiệt độ đặt cho trước thì đầu ra là nhiệt. .. điều khiển nhiệt độ của vùng thứ i (i=1,2,3,4) của lò nung được biểu diễn như trong hình 3.1 CB KK Kb Ktl Nhiệt độ đặt PID Van KK Van dầu Vùng i Hình 3.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung CB 17 Hệ thống điều khiển sử dụng hai bộ điều khiển: - Bộ điều khiển PID là bộ điều khiển chính được sử dụng để điều khiển van dầu Giá trị nhiệt độ của vùng i được cảm biến CB (can nhiệt) đo được và so sánh... hai phần mềm mới nhất hiện nay của hãng Seimen: - Phần mềm Step7 v5.5 có dung lượng 1.11 GB - Phần mềm WinCC 7.0 sp2 có dung lượng 5.4 GB 3.2.2 Thiết bị ghép nối truyền thông - Một cáp truyền thông theo giao thức MPI - Một Card CP5611 (32 bit) để kết nối PC với PLC S7-300 thông qua giao thức MPI 3.3 Thiết kế phần mềm điều khiển 3.3.1 Cấu trúc điều khiển nhiệt độ của lò nung Cấu trúc hệ thống điều khiển. .. cách vào phần mềm Step7, cài đặt theo yêu cầu công nghệ (T=100ms) 18 b Lưu đồ thuật toán điều khiển nhiệt độ các vùng lò: Thuật toán điều khiển nhiệt độ các vùng lò hoàn toàn tương tự nhau Thuật toán được thực hiện tuần tự: Từ việc xử lý tín hiệu đo để đưa ra tín hiệu quá trình, sau đó tín hiệu quá trình được tính toán điều khiển để đưa ra tín hiệu điều khiển van dầu Và cuối cùng tín hiệu điều khiển