Tóm tắt luận văn LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG CHO NHÀ MÁY CÁN THÉP THÁI NGUYÊN TRÊN NỀN SIMTAC S7300 VÀ PHẦN MỀM WINCC

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 nu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

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

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

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

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 Kiểm tra

Đếm, đóng bó

Cắt sản phẩm

Kiểm tra

Buộc cuộn Phân loại, xếp riêng

Không đạt Không đạt

Xử lý

Không đạt

Ra lò

Nung phôi Nạp phôi

Kiểm tra Phôi

Đạt

1.2.1 Quy trình cán thép dây cuộn

1.2.2 Quy trình cán thép thanh tròn trơn vằn

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

1 2 3

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

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

G s

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

4÷20mA

Tín hiệu đo 4÷20m

đại thuần túy Vậy: G s m( )=k m Vì khi nhiệt độ thay đổi từ 0÷14000C thì tương ứng với đầu ra thay đổi từ 4÷20mA

( )( )

v v

đó có thể xấp xỉ mô hình toán học các vùng lò nung về dạng mô hình toán học bậc nhất có trễ

Hàm truyền vùng 1:

1

1 1 1

.( )

1

s

K e

G s Ts

τ

−

=+

Vì lưu lượng dầu cấp tối đa của vùng 1 là 550 lit/h Do đó, khi lưu lượng dầu thay đổi từ 0÷550 lít/h thì nhiệt độ vùng 1 thay đổi

Bảng 2.1 Bảng tổng hợp mô hình toán học các vùng nung

Stt Đối tượng điều khiển Mô hình toán học từng vùng

nung

1 Vùng 1 (vùng sấy)

30

( )(100 1)( 1)

2.4 Thiết kế bộ điều khiển cho từng vùng

Vì lò nung là một đối tượng có tham số biến đổi chậm, đặc tính động học của quá trình và của cảm biến nhiệt độ thường chậm hơn của thiết bị chấp hành Phép đo nhiệt độ chậm nhưng thường ít chịu ảnh hưởng của nhiễu Vì thế ta sẽ sử dụng luật PID để cải thiện tốc độ đáp ứng, đồng thời giúp ổn định hệ thống dễ dàng hơn

2.4.1 Thiết kế bộ điều khiển PID cho vùng 1

Trong luận văn này tôi sử dụng toolbox trong phần mềm Matlab/Simulink đó là PID tune

2.4.1.1 Bộ điều khiển PID

2.4.1.2 Ứng dụng PID tune để thiết kế bộ điều khiển

Trong phần mềm Matlab/Simulink có công cụ PID tune để xác định các thông số của bộ điều khiển Nhiệm vụ đặt ra là cần xác định các tham số của bộ điều khiển KP, KI, KD sao cho nhiệt độ vùng

1 tiến tới và ổn định tại giá trị đặt theo yêu cầu công nghệ Vậy sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ vùng 1 như sau:

(100 1)( 1)

s I

Mô phỏng trên phần mềm MATLAB ta có:

Hình 2.4 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ vùng sấy

đặt KPID(s) GI(S) Tín hiệu ra

ĐTĐK vùng 1 U(s)

Với thời gian quá độ là 44.3s, thời gian xác lập là 88.8s và

độ quá điều chỉnh là 1.59% (thỏa mãn các yêu cầu công nghệ)

Từ đó suy ra:

2.1532

P

K = =P ; K I =P I. =0.019265; K D=P D = 13.7372 Sau khi chạy mô phỏng trên Simulink ta được kết quả sau đây:

Hình 2.13 Nhiệt độ vùng sấy khi nhiệt độ đặt 800 0 C

Như vậy nhiệt độ vùng sấy ổn định ở nhiệt độ đặt với thời gian trễ (30s) và độ quá điều chỉnh (1.59%< 10%) thỏa mãn yêu cầu công nghệ

2.4.2 Tổng hợp bộ điều khiển PID cho các vùng khác

Dưới đây là bảng tổng hợp bộ điều khiển PID của cả 4 vùng nung:

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 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

CHƯƠNG 3

TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ

LÒ NUNG TRÊN NỀN SIMATIC S7-300

- Một module nguồn PS307 2A: 6ES 307-1BA00-0AA0

- Một module CPU 314: 6ES7 314-1AG14-0AB0

- Ba module đầu vào tương tự AI8x12bit : 6ES7 0AB0

331-7KF02 Ba module đầu ra tương tự: AO4x12bit: 6ES7 332331-7KF02 5HD01331-7KF02 0AB0

332-5HD01-3.1.2 Bảng địa chỉ các đầu vào-ra

3.1.2.1 Các đầu vào tương tự

Các đầu vào tương tự là các thiết bị đo của các vùng, bao gồm: Thiết bị đo nhiệt độ, thiết bị đo lưu lượng (đo lưu lượng dầu, khí đốt và khí thừa trong lò)

3.1.2.2 Các đầu ra tương tự

Các đầu ra tương tự trong bài toán điều khiển ở đây chính là các van chấp hành Đây là loại van bướm được điều khiển bằng thủy lực khí nén

- 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 nhiệt độ của vùng thứ i (i=1,2,3,4) của lò nung được biểu diễn như trong hình 3.1

Hình 3.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung

CB KK

Van KK Nhiệt

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 với giá trị nhiệt độ đặt Sai lệch này được bộ điều khiển PID xử lý và điều khiển van dầu

- Bộ điều khiển van không khí (hình 3.1) là bộ điều khiển tỷ

lệ có bù để chế độ cháy hoàn toàn

Tín hiệu điều khiển van dầu qua bộ điều khiển tỷ lệ Ktl Đồng thời cảm biến đo không khí dư CBKK trong lò sẽ được nhân với hệ số bù nhiệt độ Tổng hợp hai tín hiệu này để điều khiển van không khí

3.3.2 Một số module của STEP 7

3.3.2.1 Module 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 OB35 Thời gian trích mẫu T (mặc định T=100ms) có thể thay đổi được bằng 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 van dầu được tính toán để đưa ra tín hiệu điều khiển van không khí

c Lưu đồ thuật toán của hàm FC(i): với i=1÷4

Lưu đồ chương trình xử lý tín hiệu nhiệt độ các vùng của lò nung để đưa vào bộ điều khiển Mỗi vùng đều có hai cặp nhiệt để đo nhiệt độ, một để sử dụng và một để dự phòng nếu can nhiệt nào đó bị lỗi Giá trị của hai cặp nhiệt được so sánh với nhau và giá trị lớn hơn được coi là giá trị đúng và được chuyển vào bộ điều khiển

Gọi giá trị đo và sau khi xử lý của cặp nhiệt thứ nhất của vùng nung là PV1 Giá trị đo và sau khi xử lý của cặp nhiệt thứ hai của vùng nung là PV2 Giá trị lấy làm tham số bộ điều khiển là PV được chọn là là giá trị lớn nhất của PV1 và PV2

d Lưu đồ thuật toán của hàm FC(i+4): với i=1÷4

Cấu trúc điều khiển van khí đốt theo lưu lượng dầu và khí thừa trong lò

Hình 3.2 Cấu trúc điều khiển van không khí

OUT

IN2

u1 IN1

Đưa đến van điều khiển khí đốt

ub

u

Vì lưu lượng khí đốt được điều khiển tỷ lệ theo lưu lượng dầu Do đó, tín hiệu ra của hàm FB41 là LMN sẽ là tín hiệu vào của FC106 (ký hiệu là IN1) Ngoài ra để quá trinh đốt cháy hoàn toàn thì cần tính đến lưu lượng khí thừa (ký hiệu là IN2) trong lò theo như sơ

đồ ở trên Đầu ra OUT được đưa đến van điều khiển khí đốt

Tín hiệu IN1 qua khâu tỷ lệ được tín hiệu ra u1 Tín hiệu vào IN2 qua khâu FC105, Kb cho tín hiệu ra ub Tổng hợp u1-ub=u Tín hiệu tổng hợp u1 được đưa qua FC106 đến đầu ra OUT điều khiển van khí đốt

Sau khi có lưu đồ thuật toán ta vào phần mềm Step7 để lập trình Ngôn ngữ lập trình được sử dụng là STL Toàn bộ chương

trình được đặt ở phụ lục của luận văn (xem phụ lục trang 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 màn hình con PID, TREND, ALARM

Từ trang màn hình tổng quan OVERVIEW ta có thể truy cập vào các trang con HEATING ZONE, rồi từ trang HEATING ZONE này ta có thể truy cập vào các trang con của nó như: PID, TREND hay ALARM

20

3.4.2.1 Giao diện HMI tổng quan khu vực lò nung

3.4.2.2 Giao diện HMI điều khiển và giám sát nhiệt độ các vùng

lò nung

3.4.2.3 Giao diện HMI giám sát nhiệt độ các vùng lò nung

3.4.2.4 Giao diện cài đặt tham số PID điều khiển nhiệt độ các vùng lò nung

3.5 Cài đặt phần mềm, lắp đặt hệ thống và đánh giá kết quả

Nghiên cứu đã tiến hành thực nghiệm trên đối tượng điều khiển có mô hình tương đương như mô hình các vùng lò nung

Các kết quả thu được sau khi tiến hành thực nghiệm như sau:

Hình 3.13 Giao diện tổng quan khu vực lò nung (thực nghiệm)

Hình 3.14 Giao diện điều khiển và giám sát nhiệt độ vùng 1(thực nghiệm)

Hình 3.15 Giao diện theo dõi nhiệt độ vùng 1 (thực 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