THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT HMI TRÊN simatic s7 300 VÀ WinCC

Cán nóng là giai đoạn quang trọng trong cán thép thô để chuyển đến bước cán nguội cán tinh hoàn thiện thành phẩm thép tiêu dùng trên thị trường.. Tự động hóa trong dây chuyền cán thép nó

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ KHOA CƠ HỌC KỸ THUẬT VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

MỤC LỤC

PHẦN 1: TỔNG QUAN 3

I Công nghệ cán thép nóng sản xuất thép thanh và thép dây từ phôi thép 3 II Khái quát dây chuyền tự động hóa cán thép nóng liên tục 5

1,Chu trình của phôi thép đi vào dây chuyền cán nóng liên tục 5

2,Sơ đồ khối quy trình cán thép: 5

PHẦN 2: LỰA CHỌN, THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG 17

III Các yêu cầu điều khiển lò nung 17

IV Yêu cầu nhiệt độ lò nung 17

V Thiết kế mô hình toán học của từng vùng nung 17

PHẦN 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT HMI TRÊN Simatic S7-300 VÀ WinCC 23

VI Cấu hình phần cứng và phần mềm cần có 23

VII Thiết kế phần mềm điều khiển 24

VIII Thiết kế phần mềm giám sát 27

PHẦN 3: KẾT LUẬN 31

TÀI LIỆU THAM KHẢO 32

2,Mô tả chung về thép cán nóng:

Thép cán nóng là thép được nung trong lò sấy ở nhiệt độ cao (thường hơn

1000 độ C), sau đó được đưa qua các giá cán để có được các kích thước mong muốn Cán nóng là giai đoạn quang trọng trong cán thép thô để chuyển đến bước cán nguội (cán tinh) hoàn thiện thành phẩm thép tiêu dùng trên thị trường Dây chuyền cán thép gồm có các máy cán liên tục, các block cán tinh sử dụng bánh cán nhằm tăng hiệu suất Tự động hóa trong dây chuyền cán thép nóng dùng các chương trình điều khiển PLC, các cảm biến role nhiệt độ để vận hành

3,Tầm quan trọng của công đoạn cán nóng:

Là giai đoạn cán phá phôi cho về gần giống kích cỡ thành phẩm nhất, giúp tiết kiệm thời gian, chi phí Cán nguội chỉ là giai đoạn cán tinh giúp hoàn thiện chất lượng bề mặt, mẫu mã gia công thành phẩm Thép cán nóng hay được

sử dụng để làm thành cán nguội Cũng như chúng được sử dụng khá phổ biến vìgiá thành rẻ, độ bền cao nên sẽ được ứng dụng hầu hết tại các công trình đòi hỏithép có kích thước cụ thể, các công trình xây dựng, đường sắt,…

4,Một số sản phẩm thép trải qua giai đoạn cán nóng và cán nguội:

Sản phẩm thép sau khi cán:

Thép thanh

lOMoARcPSD|9242611

Thép cuộn

Thép ống

II Khái quát dây chuyền tự động hóa cán thép nóng liên tục

1,Chu trình của phôi thép đi vào dây chuyền cán nóng liên tục

Dưới đây là chu trình cán 2 mẫu cán thép thanh và thép cuộn thành phẩm

Sơ đồ công nghệ dây chuyền cán thép nóng chia làm 3 phần chính: Khu vực lò nung, khu vực giá cán, khu vực thu thập sản phẩm

2,Sơ đồ khối quy trình cán thép:

lOMoARcPSD|9242611

3,Giải thích quy trình công nghệ:

+ Phôi đầu vào có kích thước (150 x150 x 9000) (mm) có thành phần và chất lượng được kiểm tra đảm bảo Sau đó phôi được kiểm tra bằng mắt thường

về hình dạng và sự đồng đều về tiết diện sao cho người vận hành cảm thấy quá trình di chuyển của phôi trong lò là thuận lợi Nếu phôi cong vênh lớn thì khi nung trong lò phôi bị cong vênh khiến dịch chuyển gặp trục trặc Sự cố tắc phôi trong lò sẽ rất nguy hiểm đối với an toàn vận hành của nhà máy cán

+ Quá trình nạp phôi được thao tác tự động hóa bằng các đường dẫn, con lăn và cần tống phôi Khi quá trình cán diễn ra ổn định và chất lượng phôi đầu vào được đảm bảo thì phôi sẽ được nạp liên tục đều đặn vào lò, nếu phôi gặp vấn đề về chất lượng thì sẽ được cẩu ra ngoài, chờ nguội bớt và nhập vào bãi phôi phế

+ Quá trình nung (1) trong lò được thực hiện rất nghiêm ngặt, lò nung sử dụng khí CO kết hợp với khí thiên nhiên và dầu phun FO để tạo thành nhiên liệu kép giúp tăng hiệu suất nhiệt cũng như tiết kiệm chi phí Nhiên liệu được phun vào lò thông qua 16 mỏ đốt được bố trí xung quanh lò Trong lò có 3

qua các vùng, phôi được xếp thành một hàng vuông góc với hướng dịch chuyển trong lò Lò có thể chứa tối đa tới 80 phôi Kết thúc quá trình nung, phôi được đưa ra khỏi lò nhờ hệ thống cần đẩy kết hợp với dàn còn lăn tống phôi đưa ra ngoài Cửa lò có bố trí thiết bị cạo xỉ bằng xích Quá trình ra vào phôi diễn ra tuần tự, 1 phôi ra sẽ có 1 phôi khác vào

+ Trước khi phôi vào cụm giá cán thô (3), phôi được đưa qua máy đẩy tiếp (prinron 0) để căn chỉnh và định hình hướng vào giá K1 Prinron 0 này cũng một phần cạo bớt lớp xỉ đúc khi xảy ra sự tương tác giữa phôi và máy Sau

đó phôi được đưa vào (3) gồm 8 giá cán đứng nằm xen kẽ dùng chung hệ thống

lỗ hình và kích thước cho tất cả các sản phẩm cán Kích thước của các giá loại này khá lớn để đảm bảo độ cứng vững vì lượng ép ở các giá này khá lớn, nhất làcác giá từ K5 đến K8 Khoảng cách giữa các giá cán ở nhóm cán thô này là

+ Sau khi cán hết các giá cán thô (3) phôi được cắt đầu đuôi thông qua máy cắt trục khủy số 1 (4) để thuận tiện cho phôi vào cụm giá cán trung Máy cắt đầu đuôi (4) có nhiệm vụ cắt đi một đoạn đầu và đuôi phôi thép dài khoảng (20÷35)cm, để loại bỏ phần đầu, đuôi phôi thép bị nứt, cong, oxy hóa nhiều, không đảm bảo chất lượng Do sau cán xong tại (3), đầu và cuối phôi bị mất nhiệt nhiều nhất, quá trình biến dạng cũng khác với phần giữa do biến dạng với

1 đầu tự do nên đầu phôi bị cong nứt, cuối phôi có dạng đuôi cá Không chỉ có vậy việc bố trí máy cắt đầu đuôi (4) còn có tác dụng rất lớn Khi gặp sự cố ở phía sau dây chuyền, máy cắt này sẽ băm phôi thành những đoạn nhỏ để tránh

ùn ứ ở các giá sau, do đó sẽ hạn chế được thiệt hại và đảm bảo an toàn

+ Tiếp đó phôi đi vào cụm giá cán trung – tinh (5) Khoảng cách giữa các giá là 4,2 (m) lớn hơn ở (3) Từ sau giá K9, xen giữa các giá cán trung có đặt bàn tạo chùng để tránh việc kéo căng giữa các giá cán, do tốc độ cán ở những giá cán cuối khá cao Với các dòng sản phẩm cỡ lớn không đi qua block thì trục cán tinh là giá cuối cùng, dòng công nghệ là đường (I) (K16) có lắp trục với lỗ hình giống với sản phẩm Phôi cán đi qua cụm giá này có tốc độ khá cao nên rất

dễ xảy ra sự cố, do vậy khi vận hành cần đảm bảo độ an toàn cho công nhân viên

+ Với sản phẩm nhỏ (≤ D18) cán qua block, thì quy trình công nghệ sẽ theo đường (II) Với cán sản phẩm lớn ( D18- D32) thì quy trình công nghệ sẽ theo đường (I)

lOMoARcPSD|9242611

+ Với sản phẩm Ø14; cán qua block (7), quy trình công nghệ đi theo đường cán (III) ra sản phẩm là thép cuộn Trước khi vào block phôi sẽ qua máy cắt bay số 2 (6) cũng có tác dụng như (4) Trong hộp block có 10 giá cán, đặt

16 lần thì trong hộp block cán qua 4 cụm bánh cán (8 giá) trong đó giá cán tinh bánh cán có lỗ hình giống hình dạng sản phẩm Các giá không cán thì chỉ lắp dẫn hướng Trong hộp block do phôi chạy với tốc độ rất cao nên rất dễ gặp sự

cố cục bộ, để phát hiện hiện ra sự cố sớm nhằm tránh thiệt hại thì lắp đặt thêm

hệ thống dây chăng nối với cảm biến Khi gặp sự cố thì ngay lập tức máy cắt (6)– (9) hoạt động

+ Để cải thiện cơ tính thì ngay sau block có lắp thêm thiết bị tôi QTB sử dụng hệ thống vòi phun áp lực cao Tốc độ tôi thép được điều chỉnh phụ thuộc vào áp suất của vòi phun, tùy thuộc vào kích thước sản phẩm và yêu cầu về cơ tính đối với sản phẩm thì phòng lập kế hoạch sản xuất sẽ đưa ra phương án mở bao nhiêu vòi phun, với áp suất phù hợp

+ Sau đó phôi đi qua máy đẩy tiếp để tăng tốc độ cũng như kéo phôi tiếp tục hành trình do bị ma sát lớn trong quá trình đi qua hộp dẫn hướng và hộp tôi

+ Đối với thép dạng cuộn thì phôi sẽ đi qua máy tạo vòng (15) để tạo cuộn rồi dẫn ra sàn nguội (16) Thép chạy trên sàn nguội nhờ bàn con lăn rồi rơixuống hố gom Kết thúc quá trình, thép được gom lại thành cuộn trong hố gom

và được nhấc ra cho vào khu đóng bó (17)

+ Đối với thép dạng thanh, sau khi đi qua hộp tôi QTB (8) (thiết bị kiểm soát nhiệt), phôi sẽ đi vào máy cắt phân đoạn (9) và được đẩy tiếp ra kênh đôi, sau đó nhờ con lăn lật thép được nhập vào sàn nguội thép thanh (10) Thép đượcdịch chuyển nhờ cơ chế kiểu sàn nguội đáy bước, nhiệt độ thép trước khi vào

(11) và được cắt thành đoạn 11,7m hoặc cắt theo kích thước yêu cầu của đơn đặthàng Sau đó thép được đưa đến khu vực đếm thanh, đóng bó (12) Các bó thép này sẽ được cân lại trên máy cân để kiểm tra trọng lượng, nếu đảm bảo yêu cầu thì bó thép sẽ được phun sơn đầu tùy theo mác thép và kích cỡ sản phẩm và gắn etiket (13) Cuối cùng, bó thép đảm bảo yêu cầu sẽ được cẩu trục từ cẩu ra khu vực kho sản phẩm (14) chờ xuất hàng

4,Bản vẽ mô tả mặt bằng dây chuyền:

5,Các thiết bị trong dây chuyền cán thép:

a)Sàn nạp phôi:

Được đặt ở đầu dây chuyền cán, các phôi được máy nâng lấy từ kho vận chuyển tới sàn nạp và nạp vào dây chuyền cán qua đây Sàn nạp cấu tạo từ các con lăn quay xung quanh trục của nó, giúp đẩy các thanh phôi vào lò nung đáy bước Các con lăn và cơ cấu gạt phôi hoàn toàn được điều khiển 1 cách chính xác bằng bộ điều khiển PLC, PLc giúp thu thập thông tin từu các động cơ, cảm biến,… và ra lệnh cho các cơ cấu chấp hành: motor, van khí,…

b)Lò nung phôi (phần nghiên cứu mô phỏng):

Là dạng lò nung đáy bước đốt bằng khí than do hệ thống lò sinh khí cung cấp (dùng khí CO + Khí thiên nhiên + Dầu FO) Buồng lò có 3 vùng: vùng sấy

tường lò gồm 3 lớp: 2 lớp chịu nóng dày 240 (mm), lớp cách nhiệt dày 120 (mm) Trên tường lò bố trí 42 mỏ đốt, cấp nhiên liệu cho quá trình nung phôi Đáy lò gồm 2 thành phần: đáy cố định và đáy di động Phôi trong lò được xếp thành 1 hàng Hệ thống đáy dịch chuyển theo các bước nhờ hệ thống thuỷ lực

lOMoARcPSD|9242611

c)Hệ thống các giá cán thô, trung, tinh và cụm giá cán block:

Trong dây chuyền bố trí các giá đứng nằm xen kẽ nhau nên có 2 loại: giá cán đứng; giá cán nằm Bố trí các giá cán đứng nằm xen kẽ nhằm cán thanh phôi theo hai hướng khác nhau (phương ngang và phương đứng) để thuận lợi cho việc kéo dãn thanh phôi

-Hệ thống cán thô gồm các giá cán thô liên tục được bố trí ngang, đứng xen kẽ, được điều chỉnh tốc độ nhờ vào hệ thống cảm biến và cơ cấu chấp hành phản hồi về PLC Các giá cán có đường kính giá cán giảm dần để cán cho phôi gần với kích thước thành phẩm nhất, ví dụ như dưới đây 4 giá cán đầu có đườngkính 550mm, 2 giá cán dau đường kính 450mm:

Ở đây H là giá cán nằm ngang, V là giá cán đứng

-Hệ thống giá cán trung và tinh: cũng gồm các giá cán đứng và nằm ngang xếp xen kẽ nhau, nhưng với đường kính: thô>trung>tinh

Hệ thống giá cán trung, tinh được xếp từ phải qua trái Nếu sản xuất thép thanh thì sau giai đoạn này, thép sau khi cán được đẩy bằng sàn lăn tới hệ thống làm nguội cưỡng bức bằng nước trước khi cho vào sàn nguội.

-Hệ thống giá cán block sản xuất thép dây: Gồm 10 giá cán đặt nghiêng

chính vận hành giá cán block, phôi thép chạy với tốc độ cao (thường trên

100m/s)

d)Máy cắt:

Trong nhà máy cán thường sử dụng rất nhiều các loại máy cắt khác nhau ứng với vị trí làm của chúng Ví dụ: máy cắt trục khủy, máy cắt bay, máy cắt phân đoạn, máy cắt nguội

Nhiệm vụ của chúng là cắt đầu đuôi thép cán, cắt sản phẩm thép cán theo kích thước yêu cầu, 1 số máy cắt còn có nhiệm vụ cắt nát các đoạn thép cán khi

có sự cố để sản loại bỏ sản phẩm lỗi khỏi dây chuyền, ngăn không cho thép vào giai đoạn tiếp theo của dây chuyền

Cấu tạo gồm động cơ motor điện 1 chiều, các hệ thống hộp truyền động,

cơ cấu thủy lực, thủy khí điều khiển lưỡi dao, lưỡi dao cắt, các cảm biến,…

Downloaded by tran quang (quangsuphamhoak35@gmail.com)

lOMoARcPSD|9242611

-Vị trí: khu vực sau block;

- Tác dụng: vận chuyển và làm nguội thép thanh hoặc thép cuộn

- Đặc tính kỹ thuật:

+ Cơ cấu truyền động: cơ cấu bánh lệch tâm

+ Kiểu làm nguội: Làm nguội tự nhiên bởi không khí;

- Cấu tạo:

Downloaded by tran quang (quangsuphamhoak35@gmail.com)

1 Khớp nối động cơ

2 Cụm răng cưa đầu sàn nguội

3 Khung cố định và có thể di chuyển

4 Hộp giảm tốc và nhóm truyền động

5 Con lăn căn chỉnh

6 Bàn đi vào sàn nguội

7 Bàn đi ra sàn nguội

g)Máy đóng bó:

Vị trí: đặt cuối cùng của dây chuyền công nghệ

- Đặc điểm: có 2 loại máy đóng bó là máy đóng bó thép thanh hoặc thép cuộn

+ Máy đóng bó thép dây: được bố trí ở cuối cùng của quá trình gom thép trước khi ra bàn cân Có cấu tạo khá phức tạp: khung kết cấu bằng thép và có bốn bánh bằng con lăn dẫn hướng; có nhiều trụ định vị tạo cuộn khác nhau và hoạt động tuần hoàn theo 1 chu trình được lập trình sẵn

+ Máy đóng bó thép thanh: được đóng bó tự động nhờ hệ thống palet được đồng bộ với hệ thống con lăn dẫn độn ra vào Khi bó thép di chuyển tới vị trí đóng bó thì máy sẽ ép cuộn thép nhờ hai xi-lanh thủy lực kẹp chặt và tiến hành buộc, các hệ thống xoắn thép, cắt, ra vào hoặc lên xuống tiến hành độc lập cùng lúc

Downloaded by tran quang (quangsuphamhoak35@gmail.com)

lOMoARcPSD|9242611

Hình (a) đóng bó cuộn thép dây, hình (b) là đóng bó cuộn thép thanh

6,Sơ đồ P&ID:

Đang vẽ()

Cấp phôi vào lò nung:

Phôi thép trước khi đưa vào lò nung:

Downloaded by tran quang (quangsuphamhoak35@gmail.com)

Thép ra khỏi lò nung đáy bước:

Thép qua giá cán thô:

Downloaded by tran quang (quangsuphamhoak35@gmail.com)

lOMoARcPSD|9242611

Hình ảnh bên ngoài chụp các giá cán đứng và giá cán ngang xếp xen kẽ nhau:

Downloaded by tran quang (quangsuphamhoak35@gmail.com)

PHẦN 2: LỰA CHỌN, THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU

KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG III Các yêu cầu điều khiển lò nung

- Hệ thống nạp/ thoát phôi, khóa cửa lò, tống phôi

- Điều khiển nhiệt độ và điều khiển đốt: điều chỉnh lượng khí, nhiên liệu dầu nạp

- Điều khiển áp suất lò

- Hệ thống điều khiển, làm má đáy bước

- Hệ thống camera, cảm biến theo dõi lò nung

IV Yêu cầu nhiệt độ lò nung

Chia làm 3 vùng:

tăng dần nhiệt độ phôi lên tránh tình trạng phôi bị nóng lên một cách đột ngột ở nhiệt độ vùng nung gây nứt tế vi phôi làm ảnh hưởng tới chất lượng của sản phẩm

mác thép nung, kích thước phôi nung thay đổi và sản lượng cán thay đổi

này là làm cho phôi nung trước khi ra lò có độ chênh nhiệt độ giữa bề mặt và

V Thiết kế mô hình toán học của từng vùng nung

Do 3 vùng đều có bài toán điều khiển nhiệt giống nhau nên ta xây dựng

mô hình vùng 1, các vùng còn lại được xác định tương tự

1,Mô hình toán học vùng 1

2,Xây dựng hàm truyền

Downloaded by tran quang (quangsuphamhoak35@gmail.com)

lOMoARcPSD|9242611

Đặc tính động học của hầu hết các thiết bị đo có thể mô tả bằng phương trình vi phân cấp một hoặc cấp hai Coi đặc tính của thiết bị đo là tuyến tính, động học của nó có thể được biểu diễn với khâu quán tính bậc nhất:

( )

1

m m

1

20 4

0.0114

1400 0 ( ) 0.0114

v v

1

s dt

=> Hàm truyền của đối tượng điều khiển vùng 1

Downloaded by tran quang (quangsuphamhoak35@gmail.com)

Từ những phần trên tính toán được hàm truyền của đối tượng điều khiển vùng 1 là:

(100 1)( 1)

s I

s II

3,Thiết kế bộ điều khiển PID cho vùng 1

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ vùng sấy trên Matlab Simulink

Sử dụng PID tuner tìm thông số P, I, D và N (khâu lọc):

Downloaded by tran quang (quangsuphamhoak35@gmail.com)

lOMoARcPSD|9242611

Hiệu chỉnh các thống sô của bộ điều khiển PID để có đáp ứng tốt nhất bằng cách thay đổi thông số Response time, ta được kết quả là:

P = 2.1532, I = 0.0089473, D = 6.3799

Tương ứng với thời gian quá độ 44.3 giây, thời gian xác lập là 88.8 giây

và độ vọt lố điều chỉnh là 1.59% (thỏa mãn yêu cầu công nghệ)

Cấp nhật các thông số P, I, D chạy mô phỏng quan sát ở Scope ta được:

Downloaded by tran quang (quangsuphamhoak35@gmail.com)

Thời gian trễ là 30 giây và độ vọt lố là 1.59%<10% thỏa mãn yêu cầu công nghệ.

Tính toán và mô phỏng tương tự cho 3 vùng còn lại ta có bảng thống kê sau:

Vùng

1 ( )

1

i i

KD=13.7372

75

KI=0.009626

KD=11.2655

Vùng đồng

nhiệt (trái)

KP=1.9247

KI=0.014365

KD=26.6505

Vùng đồng

nhiệt (phải)

KP=1.9247

KI=0.014365

KD=26.6505

4,Mô phỏng kiểm chứng chất lượng hệ thống điều khiển:

Downloaded by tran quang (quangsuphamhoak35@gmail.com)

lOMoARcPSD|9242611