Xuất phát từ thực tiễn đó, việc nghiên cứu nâng cao chất lượngđiều khiển hệ thống lò nung, điều khiển nhiệt độ lò nung trong dâytruyền cán thép sẽ tiết kiệm được nhiên liệu, nâng cao chấ
Trang 1ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
Họ tên tác giả luận văn :
Trang 2Công trình được hoàn thành tại :
Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên
Người hướng dẫn khoa học :
Tiến sỹ Trần Xuân Minh
Phản biện 1 : Tiến sỹ Nguyễn Văn Vỵ
Phản biện 2 : Tiến sỹ Nguyễn Duy Cương
Luận văn sẽ được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn họp tại :
Nhà A6, Trường đại học kỹ thuật công nghiệp
Đại học Thái Nguyên
Vào hồi 7 giờ 30 phút, ngày 17 tháng 11 năm 2011
Có thể tìm hiểu luận văn tại Trung tâm học liệu - Đại học Thái Nguyên và Thư viện Trường đại học kỹ thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên
Trang 3MỞ ĐẦU
1 Tính cấp thiết của đề tài
Công nghiệp luyện kim - cán thép có vai trò hết sức quantrọng trong công cuộc xây dựng phát triển nền kinh tế quốc dân, gópphần rất lớn vào việc ổn định phát triển của xã hội, an ninh, quốcphòng Cùng với sự phát triển kinh tế của đất nước, hiện nay nước
ta đã và đang xây dựng nhiều nhà máy cán thép với dây truyền côngnghệ hiện đại để phục vụ cho nhu cầu xây dựng, phát triển của xã hội
và quá trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước Có rất nhiềunhà máy cán thép đã và đang được xây dựng như Khu công nghiệpgang thép Thái Nguyên, Nhà máy cán thép Thăng Long, Nhà máycán thép Thái Hưng, Nhà máy cán thép Việt - Ý
Trong dây chuyền cán thép, trước khi đưa phôi ra cán, phôiphải được nung trong lò nung Quá trình nung phôi có ý nghĩa rấtquan trọng đối với công nghệ cán thép Nó quyết định phần lớn chấtlượng của thép và nếu có chế độ nung hợp lý sẽ tiết kiệm được nhiênliệu và tăng năng suất sản xuất Tuy nhiên hệ thống điều khiển trongcác lò nung phôi cho dây truyền cán hiện nay vẫn sử dụng các bộđiều khiển kinh điển nên mức độ tự động hoá chưa cao và vẫn chịunhiều tác động từ các yếu tố bên ngoài
Xuất phát từ thực tiễn đó, việc nghiên cứu nâng cao chất lượngđiều khiển hệ thống lò nung, điều khiển nhiệt độ lò nung trong dâytruyền cán thép sẽ tiết kiệm được nhiên liệu, nâng cao chất lượngđiều khiển từ đó góp phần nâng cao hiệu suất sản xuất và năng suấtthúc đẩy phát triển kinh tế
2 Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết và tài liệu từ thực tế thiết bị (lò nungphôi trong Nhà máy cán thép Lưu Xá) để đưa ra hướng điều khiểnmới, nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống lò nung
Mô phỏng kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu
3 Nội dung nghiên cứu
- Tổng quan về công nghệ cán thép
- Giới thiệu, phân tích công nghệ điều khiển hệ thống lò nung,điều khiển nhiệt độ trong lò nung phôi của dây truyền cán thép, Nhàmáy cán thép Lưu Xá
- Thiết kế hệ điều khiển nhiệt độ nâng cao chất lượng điềukhiển nhiệt độ trong lò nung phôi
- So sánh kết quả thu được với các phương pháp đang đượcứng dụng để rút ra kết luận và ý kiến đề xuất
Trang 4Bản luận văn gồm 89 trang với 3 chương, tác giả đã tìm hiểu lýthuyết và thực tế, mô phỏng, thu được kết quả như sau :
- Với tham số của đối tượng điều khiển thay đổi trong phạm vicho phép, ở phạm vi thay đổi nhất định của tham số, thì bộ điềukhiển PID kinh điển có khả năng điều chỉnh khá tốt
- Tuy nhiên trong một số trường hợp, khi tham số của đốitượng không phải là tham số tập trung, thay đổi trong quá trình làmviệc, thì bộ PID có thể không cho dạng đặc tuyến tốt như ban đầunữa, có thể kéo dài thời gian quá độ của hệ thống…
- Khi sử dụng bộ điều khiển PID mờ, mặc dù tham số đốitượng điều khiển thay đổi nhưng chất lượng đặc tính đầu ra vẫn đượcgiữ khá tốt, thời gian ổn định được rút ngắn
Như vậy luận văn đã đóng góp một phần nhỏ vào ứng dụngthực tiễn để điều khiển nhiệt độ lò nung phôi trong công nghệ cánthép, giúp tiết kiệm nhiên liệu, nâng cao hiệu suất của lò, từ đó nângcao năng suất cán của nhà máy cán thép
4 Kết cấu luận văn
Ngoài phần Mục lục, Kết luận và kiến nghị, Luận văn còn 12 tài liệutham khảo, 40 danh mục hình vẽ và đồ thị
Chương I : Tổng quan về công nghệ cán thép
Chương II : Công nghệ lò nung phôi trong dây truyền can thép liên tục
Chương III : Thiết kế bộ điều khiển nâng cao chất lượng điều khiển nhiệt độ lò nung phôi, Nhà máy cán thép.
Trang 5CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CÁN THÉP
Trong chương này bản luận văn giới thiệu chung khái quát vềphương pháp gia công kim loại (chủ yếu là cán), giới thiệu chung vềmáy cán, các loại máy cán và trang bị điện trong máy cán
Cán là một hình thức gia công bằng áp lực để làm thay đổihình dạng và kích thước của vật thể kim loại dựa vào biến dạng dẻocủa nó
- Yêu cầu quan trọng trong quá trình cán là ứng suất nội biếndạng dẻo không được lớn, đồng thời kim loại vẫn giữ được độ bềncao
- Căn cứ theo nhiệt độ trong quá trình tái kết tinh để phân chiacán nguội và cán nóng
Cán thép ở nhiệt độ dưới 4000C 4500C là cán nguội
Cán thép ở nhiệt độ lớn hơn 6000C 6500C là cán nóng.Các loại máy cán :
- Máy cán nóng quay thuận nghịch
- Máy cán nóng liên tục
- Máy cán nguội
- Máy cán dây
Trang 6CHƯƠNG II CÔNG NGHỆ LÒ NUNG PHÔI TRONG DÂY TRUYỀN CÁN THÉP LIÊN TỤC
Trong chương này luận văn chủ yếu đi tìm hiểu về công nghệ
lò nung phôi trong dây truyền cán thép liên tục
Nhiệm vụ của lò nung
Như chúng ta đã biết trong dây chuyền cán thép liên tục, phôitrước khi đưa vào cán thì phôi phải đạt được nhiệt độ cần thiết (thôngthường nhiệt độ phôi trước khi vào cán khoảng 12000C) Mục đích làtạo cho kim loại có độ dẻo đồng nhất, đồng thời vẫn giữ được cơ tínhtrong suốt thời gian thực hiện quá trình cán
Trước khi đưa phôi ra cán, phôi phải được nung trong lò nung.Quá trình nung phôi có ý nghĩa rất quan trọng đối với công nghệ cánthép Nó quyết định phần lớn chất lượng của thép và nếu có chế độnung hợp lý sẽ tiết kiệm được nhiên liệu và tăng năng suất sản phẩm
Cấu tạo của lò nung
Trang 7Hình 2.1 Sơ đồ cung cấp khí nén vào lò
- Hệ thống các mỏ đốt của lò : Để việc đốt cháy nhiên liệu lỏng
có hiệu quả, người ta dùng các phương pháp biến bụi và sấy nóng
Để biến bụi thường dùng khí nén hoặc hơi nước có áp suất cao đểphá vỡ sự liên kết giữa các hạt nhiên liệu lỏng, tạo cho các hạt bụilỏng có kích thước nhỏ gần như nhiên liệu khí d = (0,01 ÷ 1) mm.Mục đích để làm tăng bề mặt phản ứng cháy, tạo điều kiện cho nhiênliệu tiếp xúc với oxy Do vậy mà giảm lượng không khí dư cần thiếtđồng thời rút ngắn thời gian cháy và nâng cao hiệu quả cháy
- Hệ thống đường dầu :
Trang 8Hình 2.2 Sơ đồ cấp dầu FO vào lò
- Nước làm nguội
- Thiết bị trao đổi nhiệt
Hình 2.3 Cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt
- Thiết bị sấy dầu
- Hệ thống cấp gió
- Hệ thống đường khói
- Hệ thống máy đẩy 5 tấn, 40 tấn, máy tống phôi
Trang 9Nguyên lý hoạt động của lò nung
Quá trình đưa phôi vào lò được di chuyển bằng dàn con lănđược điều khiển bằng các động cơ
Khi phôi được chuyển tới trước cửa lò nung chờ có tín hiệuđiều khiển, bàn đẩy sẽ đẩy phôi vào lò bằng hệ thống máy đẩy 40tấn Phôi được di chuyển trong lò bằng hệ thống 4 đường trượt Phôilần lượt được di chuyển liên tục và đều đặn qua 3 vùng nhiệt độ :Vùng nung sơ bộ - sấy, vùng nung và vùng đồng nhiệt
Nhiệt độ trong lò được duy trì nhờ 12 mỏ đốt được bố trí ởtường sau của lò và 2 bên tường lò Nhiên liệu đốt là dầu FO Dầutrước khi được đưa vào ống dẫn dầu của mỏ đốt đã được sấy nóng,
đủ lưu lượng, đủ áp lực Khí nén đủ lưu lượng, đủ áp lực được đưavào ống dưới áp suất của dầu, van được mở và phun dầu ra dướidạng sương mù Van điều khiển gió nóng được mở ra và được phunvào đốt cháy dầu trong lò
Gió nóng được phun ngược chiều với chiều chuyển động củakim loại, sau khi qua các vùng làm nhiệm vụ nung kim loại chúng
di chuyển theo đường kênh khói vào thiết bị trao đổi nhiệt, rồi theocống khói đi ra ngoài ống khói
Gió nóng chỉ cấp ở các vùng nung và vùng đồng nhiệt, vùngsấy chỉ sử dụng nhiệt thừa của khí lò đi qua trước khi thoát ra ốngkhói
Khi phôi được di chuyển đến phía cuối lò nung thì phôi sẽđược tống ra lò từ bên sườn lò nung bằng máy tống phôi Máy tốngphôi đẩy phôi vào đường con lăn phụ và phôi được đưa ra giá cán
* Một số đặc điểm cần chú ý trong lò nung liên tục
+ Lò nung liên tục dùng để nung các loại thép cán có kíchthước lớn hoặc trung bình có năng suất cao và thường được cơ giớihoá và tự động hoá từng phần
+ Thông thường nạp liệu vào lò ở nhiệt độ thấp, nên dễ xảy raứng suất nhiệt
khi môi trường vùng sấy có nhiệt độ cao quá mức quy định
Một số trường hợp đặc biệt, để tránh gây ứng suất nhiệt, người
ta bố trí kênh khói phụ giáp vùng nung và vùng sấy để lấy bớt mộtphần sản vật cháy, nhiệt độ vùng sấy sẽ hạ thấp hơn Nghĩa là chủđộng điều chỉnh được nhiệt độ vùng sấy
+ Vùng đồng nhiệt có tác dụng nâng nhiệt độ tâm vật nung đểlàm giảm sự chênh lệch nhiệt độ giữa tâm và mặt vật nung đến giá trịcho phép
Trang 10Nếu là lò nung 2 mặt, vùng đồng nhiệt còn có tác dụng khử cácvết đen do các đường trượt được làm nguội bằng nước gây ra + Phân phối nhiệt : Vùng nung và đồng nhiệt chiếm ~70%(trong đó vùng nung trên chiếm 3/5, vùng nung dưới chiếm 2/5).Vùng sấy còn lại ~30% lượng nhiệt
Hệ thống tự động điều khiển nhiệt độ 3 vùng nung
Nguyên lý hoạt động :
Tín hiệu điện áp từ đầu ra can nhiệt PV được đưa tới bộ điềukhiển, sau đó được so sánh với tín hiệu đặt SV (tùy theo yêu cầu củatừng vùng nhiệt độ)
- Khi nhiệt độ lò thấp (giá trị đo PV nhỏ hơn giá trị đặt SV) thì
ở đầu ra của bộ điều khiển sẽ xuất hiện tín hiệu điện áp tương ứng.Tín hiệu điện áp này được đưa tới bộ điều chỉnh điện áp – dòng điện,đầu ra của bộ điều chỉnh ta nhận được tín hiệu dòng điện từ (4 ÷20)mA Dòng điều khiển này sẽ được đưa tới cơ cấu đóng mở vandầu theo chiều mở van dầu để tăng lượng dầu FO vào lò Khi lượngdầu FO tăng thì nhiệt độ trong lò cũng tăng đến giá trị đặt SV Bộcảm ứng lưu lượng dầu cho tín hiệu đầu ra là dòng điện từ (4 ÷ 20)
mA tương ứng với lưu lượng dầu từ (0÷1000)L Tín hiệu dòng điệnnày được đưa tới bộ điều khiển để khống chế lưu lượng gió theochiều mở van gió nóng để tăng lượng khí đốt phù hợp với lưu lượngdầu làm cho nhiệt độ tăng dần đến giá trị đặt
- Khi nhiệt độ lò cao hơn giá trị đặt trước (giá trị đo được PVlớn hơn giá trị đặt SV) thì ở đầu ra của bộ điều khiển sẽ xuất hiện tínhiệu điện áp tương ứng Tín hiệu điện áp này được đưa tới bộ điềuchỉnh điện áp/dòng điện, đầu ra của bộ điều chỉnh ta nhận được tínhiệu dòng điện từ (4 ÷ 20)mA Dòng điều khiển này sẽ được đưa tới
cơ cấu đóng mở van dầu theo chiều mở van dầu để giảm lượng dầu
FO vào lò Khi lượng dầu FO giảm thì nhiệt độ trong lò cũng giảmđến giá trị đặt SV Bộ cảm ứng lưu lượng dầu cho tín hiệu đầu ra làdòng điện từ (4 ÷ 20)mA tương ứng với lưu lượng dầu từ (0÷1000)L.Tín hiệu dòng điện này được đưa tới bộ điều khiển để khống chế lưulượng gió theo chiều đóng bớt van gió nóng để giảm lượng khí đốtphù hợp với lưu lượng dầu làm cho nhiệt độ giảm dần đến giá trị đặt
Hệ thống đo và điều khiển áp lực dầu
Phạm vi đo lớn nhất : 10 kg/cm2
Nguyên lý hoạt động :
Để tự động điều khiển áp lực dầu, thiết bị điều khiển thườngđặt giá trị 4kg/cm2
Trang 11Khi trên đường ống có áp lực dầu, bộ cảm biến cho ra tín hiệudòng diện một chiều từ (4 ÷ 20)mA tỷ lệ với áp lực dầu trong ống Khi giá trị đo lớn hơn giá trị đặt thì ở đầu ra của thiết bị điềukhiển sẽ cho ra dòng điện điều khiển cơ cấu đóng mở van theo chiều
mở van dầu hồi dẫn đến áp lực dầu trên đường ống sẽ giảm đến giátrị đặt
Khi giá trị đo nhỏ hơn giá trị đặt quá trình sẽ diễn ra ngược lại
Hệ thống điều khiển nhiệt độ khí đốt
Phạm vi đo lớn nhất : 14000C
Nguyên lý làm việc :
Khi nhiệt độ khí đốt tăng (lúc đó giá trị đo lớn hơn giá trị đặt),đầu ra bộ điều khiển cho ra tín hiệu điều khiển mở van gió lạnh đưavào đường gió nóng để làm giảm nhiệt độ của khí đốt
Khi nhiệt độ khí đốt giảm (lúc đó giá trị đo nhỏ hơn giá trịđặt), tín hiệu điều khiển đóng van gió lạnh lại
* Nhận xét
Qua nghiên cứu cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của lò nung
ta nhận thấy rằng, lò nung là một đối tượng phi tuyến, yêu cầu tựđộng hoá cao và ổn định nhiệt độ ở các vùng là rất cần thiết vì nóquyết định đến năng suất và chất lượng sản phẩm
Để nung thép người ta dùng dầu FO làm nhiên liệu đốt, vì vậylàm sao để đốt cháy hết nhiên liệu, nhiệt năng toả ra là lớn nhất, tiêuhao nhiên liệu là ít nhất trong một đơn vị sản phẩm, đây là bài toánkinh tế cần giải quyết Việc thiết kế hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lòcần giải quyết hai vấn đề Một là điều chỉnh tỷ lệ lưu lượng dầu vàgió hợp lý phù hợp với năng suất lò Hai là với một lượng dầu nhấtđịnh cần phải cấp một lượng không khí là bao nhiêu để nhiệt độ ngọnlửa là cực đại và luôn duy trì ổn định tại vị trí đó
Đề tài này sẽ nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PID mờ ứngdụng trong việc nâng cao chất lượng hệ điều khiển nhiệt độ lò nungphôi dây truyền cán thép - Nhà máy cán thép Lưu Xá, điều khiển lưulượng gió theo lưu lượng dầu, duy trì tỷ lệ gió/dầu phù hợp nhất khi
có sự thay đổi của điều kiện làm việc và các yếu tố môi trường nhằmnâng cao hiệu suất và tiết kiệm dầu
Trang 12CHƯƠNG III THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ
LÒ NUNG PHÔI NHÀ MÁY CÁN THÉP
Trong chương này, luận văn tổng hợp lý thuyết của bộ điềukhiển PID, bộ điều khiển mờ, bộ điều khiển PID mờ Xuất phát từ sơ
đồ hệ thống điều khiển nhiệt độ, đặc tính kỹ thuật của các thiết bịtrong sơ đồ, xây dựng sơ đồ cấu trúc, hàm truyền toán học của cácthiết bị, tiến tới xây dựng bộ điều khiển PID mờ cho điều khiển nhiệt
độ Kết quả thu được thông qua mô phỏng bằng phần mềm Matlab Simulink
-3.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN PID
Cấu trúc chung của hệ điều khiển
Hình 3.1 : Cấu trúc hệ thống điều khiển
Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng hệ điều khiển
- Chỉ tiêu chất lượng tĩnh
- Chỉ tiêu chất lượng động
+ Lượng quá điều chỉnh
+ Thời gian quá độ
+ Số lần dao động
Các quy luật điều khiển
- Quy luật điều chỉnh tỷ lệ (P), hàm truyền đạt của bộ điềuchỉnh tỷ lệ có dạng :
W(s) = K
Trang 13- Quy luật điều chỉnh tỷ lệ tích phân, hàm truyền đạt :
)
11
+ Ưu điểm của quy luật tỷ lệ tích phân là tác động nhanh do
có thành phần tỷ lệ và có khả năng triệt tiêu sai lệch tĩnh do có thànhphần tích phân Nếu ta chọn được tham số Km , TI thích hợp thì quyluật điều chỉnh PI có thể áp dụng cho phần lớn các đối tượng trongcông nghiệp
+ Nhược điểm của quy luật tích phân là tốc độ tác động nhỏhơn quy luật tỷ lệ Vì vậy, nếu đối tượng yêu cầu tốc độ tác độngnhanh do nhiễu thay đổi liên tục thì quy luật tích phân không đápứng được yêu cầu
- Quy luật điều chỉnh tỷ lệ vi tích phân (PID), hàm truyền đạt
Hiện có khá nhiều các phương pháp xác định các tham số Kp,
TI, TD cho bộ điều khiển PID, song tiện ích hơn cả trong ứng dụngvẫn là :
- Phương pháp Ziegler – Nichols
- Phương pháp Chien – Hrones – Reswick
- Phương pháp tổng T của Kuhn
- Phương pháp tối ưu độ lớn và phương pháp tối ưu đối xứng
Trang 143.2 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỜ
Khái quát về điều khiển mờ
Điểm mạnh cơ bản của điều khiển mờ so với kỹ thuật điềukhiển kinh điển là nó áp dụng rất hiệu quả trong các quá trình chưađược xác định rõ hay không thể đo đạc chính xác, các quá trình đượcđiều khiển ở điều kiện thiếu thông tin Điều khiển mờ đã tích hợpkinh nghiệm của các chuyên gia để điều khiển mà không cần hiểubiết nhiều về các thông số của hệ thống
Điều khiển mờ chiếm một vị trí quan trọng trong điều khiển học kỹthuật hiện đại, đến nay điều khiển mờ đã là một phương pháp điềukhiển nổi bật bởi tính linh hoạt và đã thu được những kết quả khảquan trong nghiên cứu, ứng dụng lý thuyết tập mờ, logic mờ và suyluận mờ
So với các giải pháp kỹ thuật từ trước tới nay được áp dụng đểtổng hợp các hệ thống điều khiển bằng điều khiển mờ có những ưuđiểm rõ rệt sau :
- Khối lượng công việc thiết kế giảm di nhiều do không cần sửdụng mô hình đối tượng trong việc tổng hợp hệ thống
- Bộ điều khiển mờ để dễ hiểu hơn so với các bộ điều khiểnkhác (cả về kỹ thuật) và dễ dàng thay đổi Đối với các bài toán thiết
kế có độ phức tạp cao, giải pháp dùng bộ điều khiển mờ cho phépgiảm khối lượng tính toán và giá thành sản phẩm
- Trong nhiều trường hợp bộ điều khiển mờ làm việc ổn địnhhơn, bền vững hơn khả năng chống nhiễu cao hơn và chất lượng điềukhiển cao hơn
Ngày nay, với tốc độ phát triển vượt bậc của tin học và sự tương đốihoàn thiện của lý thuyết điều khiển đã chắp cánh cho sự phát triển đadạng và phong phú của các hệ điều khiển mờ Tuy nhiên vấn đề tổnghợp được một bộ điều khiển mờ một cách chặt chẽ và ứng dụng chomột đối tượng cụ thể nhằm nâng cao chất lượng điều khiển đang là
sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu
