Phân tích và nghiên cứu hệ thống điều khiển trong công đoạn nghiền xi măng

bao gồm 5 chương như sau: Chương 1 : Công nghệ sản xuất xi măng Chương 2 : Tìm hiểu về hệ thống DCS Chương 3 : Tìm hiểu hệ thống điều khiển PCS7 Chương 4 : Ứng dụng PCS7 vào công đoạn n

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Hà Nội, 2010

Lời nói đầu

Trong những năm gần đây đất nước ta đang đẩy mạnh công nghiệp hoá hiện đại hoá trong đó sản xuất xi măng đóng vai trò rất quan trọng trong sự nghiệp phát triển đất nước Vì vậy việc nghiên cứu các hệ thống điều khiển tự động trong sản suất xi măng là nhiệm vụ rất cần thiết

Ngày nay, các nhà máy xi măng ngày càng có quy mô lớn, yêu cầu điều khiển tự động cao, tin cậy cũng như khả năng xử lý phân tán, điều khiển cấp cao tối ưu Do đó các hệ điều khiển vào ra tập trung cũ không đáp ứng được yêu cầu về điều khiển Cùng với sự phát triển của các ngành khoa học khác như công nghệ thông tin, điện tử đã thúc đẩy các hệ thống điều khiển phân tán ra đời Đó là các hệ thống điều khiển tích hợp chọn vẹn cả về phần cứng và phần mềm để xây dựng các hệ điều khiển tự động

Hiện nay trên thế giới có các hệ điều khiển phân tán nổi tiếng của các hãng như: CENTUM của Yokogawa, Plantscape của Honeywell, IIT của ABB, DeltaV của Emerson, PCS 7 của Siemens Những hệ điều khiển này đều có những đặc trưng riêng Tuy nhiên hệ điều khiển quá trình PCS7 (Process Control Systems) được cung cấp bởi hãng Siemens là một hệ điều khiển trọn gói giúp ta thiết kế các hệ thống điều khiển tự động với quy mô lớn

Luận văn “Phân Tích nghiên cứu hệ thống điều khiển công đoạn nghiền xi măng” bao gồm 5 chương như sau:

Chương 1 : Công nghệ sản xuất xi măng

Chương 2 : Tìm hiểu về hệ thống DCS

Chương 3 : Tìm hiểu hệ thống điều khiển PCS7

Chương 4 : Ứng dụng PCS7 vào công đoạn nghiền xi măng

Chương 5 : Lập trình và thiết kế giao diện

Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.Ts Bùi Quốc Khánh, tập thể

đồng nghiệp tại văn phòng Siemens Việt Nam và toàn thể các thầy cô giáo trong

bộ môn Tự Động Hóa đã hướng dẫn và giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn

Sau thời gian nghiên cứu và tìm hiểu tác giả đã hoàn thành việc thiết kế

hệ điều khiển PCS7 trong công đoạn vận chuyển và nghiền xi măng Kết quả của hệ thống điều khiển phù hợp với yêu cầu của bài toán công nghệ đặt ra.Tuy nhiên do còn hạn chế về mặt kiến thức và thời gian do vậy mặc dù đã rất cố gắng nhưng cũng không tránh khỏi thiếu xót Tác giả xin trân trọng cảm ơn mọi ý kiến đóng góp của các Thầy Cô cùng bạn bè đồng nghiệp để đề tài nghiên cứu được hoàn thiện hơn

Hà nội, ngày 14 tháng 11 năm 2009

Học viên

Trần Hưng Hải

MỤC LỤC

Lời cam đoan

Lời mở đầu

Mục lục 1

Danh mục hình vẽ 3

Danh mục các bảng 5

Chương 1: Công nghệ sản xuất xi măng 6

1.1 Các thành phần và yếu tố hóa học của xi măng 6

1.2 Tổng quan dây truyền sản xuất xi măng lò quay 8

1.3 Các đặc điểm cơ bản của dây chuyền công nghệ sản xuất 12

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng xi măng 16

1.5 Các giải pháp kỹ thuật ổn định chất lượng sản phẩm 20

1.5.1 Giải pháp thiết bị công nghệ 20

1.5.2 Giải pháp điều khiển tự động 21

Chương 2: Nghiên cứu hệ thống điều khiển DCS 23

2.1 Mô hình phân cấp hệ thống 23

2.2 Các hệ thống điều khiển công nghiệp 25

2.2.1 Cấu trúc điều khiển tập trung với vào ra tập trung 25

2.2.2 Điều khiển tập trung với vào ra phân tán 26

2.2.3 Điều khiển phân tán với vào ra tập trung 27

2.2.4 Điều khiển phân tán với cấu trúc vào ra phân tán 28

2.3 Hệ thống điều khiển phân tán DCS 28

2.3.1 Phân loại các hệ thống điều khiển phân tán DCS 28

2.3.2 Các vấn đề kĩ thuật của hệ thống điều khiển phân tán 29

2.4 Tổng quan kiến trúc hệ thống điều kiển PCS7 31

2.5 Các thành phần của hệ PCS7 32

2.5.1 Trạm kỹ thuật (ES) 32

2.5.2 Trạm vận hành (OS) 34

2.5.3 Truyền thông giữa các phần tử trong hệ thống 35

2.5.4 Dự phòng hệ thống 38

2.5.5 PLC (Programmable Logic Controller) 40

2.5.6 Vào ra phân tán và các thiết bị trường 41

2.5.8 Dữ liệu trong PCS7 44

2.5.9 Xử lý các bản tin trong PCS 7 45

2.5.10 Giao tiếp với các hệ thống khác 45

2.5.11 Thư viện hỗ trợ 46

Chương 3: Phân tích hệ thống điều khiển công đoạn nghiền xi măng dung PCS7 48

3.1 Khái quát về công đoạn vận chuyển và nghiền xi măng 48

3.2 Phân tích yêu cầu điều chỉnh công đoạn nghiền xi măng 49

3.2.1 Tính toán thông số của mạch vòng điều chỉnh áp suất 50

3.2.2 Các mạch vòng điều chỉnh cấp liệu máy nghiền 57

3.2.3 Các mạch vòng điều chỉnh nhiệt độ máy nghiền 58

3.3 Liên động hoạt động của công đoạn vận chuyển và nghiền xi măng 59

3.4 Phân tích cấu trúc điều khiển của hệ thống 67

Chương 4: Lập trương trình điều khiển và giao diện cho công đoạn nghiền xi măng 75

4.1 Công cụ lập trình CFC 75

4.2 Phương pháp lập trình 75

4.2.1 Lập trình liên động các thiết bị dung trong hệ thống 75

4.2.2 Lập trình các mạch vòng điều khiển 78

4.3 Thiết kế giao diện vận hành 90

Kết luận 93

Tài liệu tham khảo 94

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 : Sơ đồ tổng quan công nghệ sản xuất xi măng .8

Hình 2.1 Mô hình phân cấp chức năng của một hệ thống điều khiển và giám sát 23

Hình 2.2: Cấu trúc điều khiển tập trung với vào ra tập trung 25

Hình 2.3: Cấu trúc điều khiển tập trung với vào ra phân tán .26

Hình 2.4: Cấu trúc điều khiển phân tán với vào ra tập trung 27

Hình 2.5: Cấu trúc điều khiển phân tán với vào ra phân tán 28

Hình 2.6: Sơ đồ tổng quan kiến trúc hệ thốngPCS7 .31

Hình 2.7: Các công cụ kỹ thuật của hệ PCS7 33

Hình 2.8 Bus hệ thống trong PCS 7 kết nối ES, OS và PLC 38

Hình 2.9 Cấu hình dự phòng của PLC 39

Hình 2.10 Dự phòng với mạng cáp quang 40

Hình 2.11 Giao tiếp giữa WinCC với Hệ Tự Động Hoá 46

Hình 3.1 : Sơ đồ I&ID của hệ thống 50

Hinh 3.2 Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh áp suất máy nghiền 51

Hình 3.3 Mạch vòng điều chỉnh áp suất máy nghiền 53

Hình 3.4 Mạch vòng điều chỉnh khi không có nhiễu 53

Hình 3.5 Mạch vòng điều chỉnh khi có nhiễu hệ thống 55

Hình 3.6 Mạch vòng điều chỉnh cấp liệu cho máy nghiền 56

Hình 4.7 Mạch vòng điều chỉnh nhiệt độ máy nghiền 56

Hình 3.9 : Liên động Group_01 57

Hình 3.10 : Liên động Group_02 58

Hình 3.11 : Liên động Group_03 59

Hình 3.12 : Liên động Group_04 60

Hình 3.13 : Liên động Group_05 61

Hình 3.14 : Liên động Group_06 62

Hình 3.15 : Liên động Group_07 62

Hình 3.16 : Liên động Group_08 63

Hình 3.17 : Liên động Group_09 64

Hình 3.18 : Liên động Group_10 64

Hình 3.19 : Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển trạm nghiền 65

Hình 3.20 : Cấu hình vận hàng trạm 66

Hình 3.21 : Cấu hình CPU 416-2DP9 68

Hình 3.22 : Kết nối ET200M và S7-400 69

Hình 3.23 : Cấu hình mạng 70

Hình 4.1 : Tín hiệu điều khiển Group_05 76

Hình 4.2 : Băng tải 171BC230 và 171BC210 76

Hình 4.3 : Lựa chọn lọc bụi 171.BF220 77

Hình 4.4 : Lựa chọn van hai ngả 331DG195 77

Hình 4.5 : Ổn định lượng liệu vào máy nghiền 78

Hình 4.6:Khối Setpoit_ Cement_mill và PV_in_Cement 79

Hình 4.7 : Khối PID_Cement_mill 80

Hình 4.8 : Khối Me_Cement_mill 80

Hình 4.9 : Định lượng Clinker 81

Hình 4.10 : PV_IN clinker và Setpoit Clinker 82

Hình 4.11 : Khối PID_Clinker 83

Hình 4.12 : Khối hiển thị lượng Cliker trên băng tải 411FW010 83

Hình 4.13: Định lượng Thạch cao 83

Hình 4.14: PV_IN thạch cao và Setpoit thạch cao 84

Hình 4.15: Khối PID_thạch cao 85

Hình 4.16: Khối hiển thị lượng thạch cao trên băng tải 411FW030 85

Hình 4.17 : Định lượng phụ gia 86

Hình 4.18: PV_IN phụ gias và Setpoit phụ gia 87

Hình 4.19: Khối PID_phụ gia 87

Hình4.20: Khối hiển thị lượng phụ gias trên băng tải 411FW050 88

Hình 4.21: Khâu điều khiển và giám sát áp suất máy nghiền 89

Hình4.22: Ổn định áp suất máy nghiền khi lượng liệu không đổi 89

Hình 4.23 : Giao diện công đoạn vận chuyển liệu 91

Hình 4.24 : Giao diện công đoạn nghiền xi măng 92

DANH MỤC CÁC BẢNG KÊ

Bảng 3.1 Thông số máy nghiền 52

Bảng 3.2: Bảng liệt kê đầu vào hệ thống 69

Bảng 3.3: Bảng thiết bị phần cứng sử dụng trong hệ thống 71

Bảmg 3.4: Danh mục các thiết bị đo lường 72

Chương 1: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG1.1 Các thành phần và yếu tố hoá học của xi măng

Xi măng là sản phẩn được sản xuất từ 2 nguyên liệu chính là đá vôi CaCO3 và đá sét Al2O3 đồng thời có thêm cát thạch anh SiO2, quặng sắt Fe2O3 và một số chất phụ gia

Tỉ lệ các ôxit cơ bản trong phối liệu biểu diễn thành phần hoá học của Clinker và

là chỉ tiêu quan trọng nhất để kiểm tra và đánh giá chất lượng của xi măng Tổng hàm lượng các ôxít cơ bản đó chiếm khoảng ( 95 ÷ 98) % thành phần các chất trong Clinker Tính chất của Clinker và xi măng phụ thuộc chủ yếu vào các thành phần ôxit này Tỉ lệ hàm lượng của chúng trong Clinker thông thường như sau :

CaCO3 : ( 63 ÷ 67 ) %

SiO2 : (21 ÷ 24) %

Al2O3 : ( 4 ÷ 7 ) %

Fe2O3 : ( 2 ÷ 4 ) % Bằng việc thay đổi tỷ lệ hàm lượng các ôxit này khi cấp liệu cho máy nghiền và mức độ sự tổ hợp các các thành phần được hoàn thành trong lò ta có thể thay đổi được tính chất của xi măng Ngoài các thành phần cơ bản đó trong xi măng còn có phụ gia là các ôxit khác như MgO, K2O, Na2O, P2O3 và MnO2 Các chất phụ gia được đưa vào phối liệu nung hoặc nghiền cùng Clinker nhằm mục đích tăng cường hoặc hạn chế một số tính chất của xi măng :

- Phụ gia khoáng làm xúc tác cho những phản ứng hoá học, sau khi hoàn thành

sẽ nằm trong luôn sản phẩm

- Phụ gia điều chỉnh dùng để điều chỉnh sự kết dính và độ đóng rắn của xi măng thường dùng thạch cao

- Phụ gia thuỷ làm băng tính chất bền nước của xi măng

- Phụ gia điền đầy nhằm hạ giá thành sản phẩm

Theo phương pháp gia công và nung luyện bột liệu để tạo ra clinker, người ta có thể áp dụng một trong 03 công nghệ sau đây:

a) Công nghệ ướt: hỗn hợp bột nguyên liệu được khuấy/đồng nhất trong nước dưới dạng bùn lỏng trước khi đưa vào lò nung

b) Công nghệ bán khô: hỗn hợp bột nguyên liệu được trộn ít nước và tạo thành dạng viên trước khi đưa vào lò nung

c) Công nghệ khô: hỗn hợp bột nguyên liệu được đồng nhất dưới dạng bột khô hoàn toàn trước khi đưa vào lò nung

Theo cấu tạo hệ thống nung clinker người ta áp dụng các loại lò sau đây:

a) Lò ống dài công nghệ ướt

b) Lò đứng (công nghệ bán khô)

c) Lò ống dài công nghệ khô

d) Lò ống làm nguội kiểu hành tinh

e) Lò ống có cyclon trao đổi nhiệt

f) Lò ống có tháp tiền nung và cyclon trao đổi nhiệt

Các kiểu lò nung c; d; e và f thuộc loại công nghệ khô

Trong những thập niên gần đây thường tập trung vào nghiên cứu và phát triển các thế hệ lò ống quay loại (e) và (f), vì chỉ có các hệ thống này mới cho phép tăng công suất của dây chuyền đồng thời giảm đáng kể suất tiêu hao năng lượng - một chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản để giảm giá thành sản xuất

Một dây chuyền sản xuất xi măng tiến tiến có tính năng kỹ thuật cơ bản như sau:

• Công nghệ sản xuất khô với kiểu lò ống quay có buồng tiền nung và tháp trao đổi nhiệt nhiều tầng (5÷6 tầng)

• Công suất từ 3.000÷7.500T-clinker/ngày (Tương đương 1,0÷3,0 triệu tấn xi măng/năm)

• Thiết bị công nghệ thế hệ mới có ứng dụng nhiều kỹ thuật cơ nhiệt tiến tiến như: kỹ thuật tầng sôi trong hệ thống nung clinker, công nghệ nghiền trục đứng, công nghệ truyền động thuỷ lực, công nghệ điều chỉnh lưu lượng gió bằng thiết bị biến tần, công nghệ lọc bụi hiện đại v.v

• Thiết bị điện lực và điều khiển sử dụng kỹ thuật vi xử lý để đo lường và điều khiển tự động ở mức độ cao

1.2.Tổng quan dây truyền sản xuất xi măng lò quay

Hình 1.1 : Sơ đồ tổng quan công nghệ sản xuất xi măng

a Khai thác

Đá vôi và đá sét được khai thác theo phương pháp cắt tầng bằng nổ mìn hoặc khoan sau đó dùng xe ủi hạng lớn ủi xuống chân núi, dưới chân núi có các máy xúc công suất lớn xúc đá lên xe tải để chuyển về đổ vào phễu phối liệu

Như vậy trong công đoạn này không có quá trình tự động hóa mà chủ yếu là lao động thủ công

b Đập đá vôi và đá sét

Đá vôi từ phễu phối liệu được vận chuyển đến máy đập công suất lớn để là giảm khích thước của đá từ 1,2cm đến 0,8cm Đá sét được nghiền nhỏ qua các máy nghiền

Đá vôi và đá sét khi đạt được một khích thước nhất định được vận chuyển đến kho đồng nhất sơ bộ qua các băng tải

c Kho đồng nhất sơ bộ

Kho đồng nhất sơ bộ nhằm mục đích dự trữ và cung cấp nguyên liệu cho máy nghiền liệu Các nguyên liệu thô được thành các đống và luống khác nhau để thuận tiện cho việc đổ và lấy nguyên liệu

Tại kho đồng nhất sơ bộ có các hệ thống gầu rải để đánh đống nguyện liệu thành các đống để dự trữ Ngoài ra còn có hệ thống các gàu xúc để xúc nguyên liệu đưa vào máy nghiền qua hệ thống băng tải

e Công đoạn nghiền liệu

Mục đích của máy nghiền liệu là sản xuất ra bột liệu đồng nhất đủ các tiêu chuẩn cho phép nung tốt trong lò Việc này phải được thực hiện một cách kinh tế nhất đồng thời phải bào đảm hoạt động tin cậy phải đáp ứng được đặc tính như : kích cỡ nạp liệu, khả năng nghiền nhỏ, độ dính và độ mài mòn

Các nguyên liệu thô từ kho chứa đồng nhất sơ bộ được cân trên băng tải để giám sát khối lượng đặt sau đó được trộn với cát thạch anh và sỉ sắt với thành phần phù hợp theo công nghệ ngay trên băng tải chính trước khi đổ vào máy nghiền Trong máy nghiền hỗn hợp phối liệu sẽ được nghền mịn

Ở công đoạn này bộ phân ly làm nhiệm vụ kiểm tra độ mịn của phối liệu Những hạt nguyên liệu đủ độ mịn sẽ được chuyển đến silo-CF hoặc đưa thẳng đến tháp tiền nung Những hạt chưa đạt tiêu chuẩn khích thước sẽ đưa trở lại máy nghiền để nghiền lại đến khi đủ độ mịn

Phòng phân tích hoá nghiệm KCS làm nhiệm vụ lấy mẫu và phân tích mẫu như thành phần hoá học của các nguyên liệu để điều chỉnh thành phần các nguyên liệu đầu vào Việc phân tích được thực hiện theo chu kì và hoàn toàn tự động để đảm bảo chất lượng của xi măng

f Công đoạn đồng nhất phối liệu

Trong công đoạn này người ta dùng hệ thống silo đồng nhất, các hệ thống silo liên tục hay ngắt quãng qua một, hai hay nhiều giao đoạn và có sục khí hay không sục khí với nhiều hệ thống tháo khác nhau Nguyên liệu được tháo theo nguyên tắc hình phễu hoặc dòng chảy được điều khiển

Công đoạn đồng nhất phối liệu có hai chức năng :

- Cung cấp cho lò nung nguyên liệu có thành phần hoá học và độ mịn ổn định

- Cung cấp cho kho trung gian bột liệu có thành phần hoá học và độ mịn ổn định

Hệ thống ngắt quãng Silo-FF (dòng qua phễu)

Nguyên tắc là sử dụng “dòng chảy hình phễu” Rất nhiều lớp hình nón được đổ vào silo và đựoc trộn một cách liên tục Khi Silo đã cạn, bột liệu được tháo ra qua một kênh hẹp Một lỗ hình nón được tạo ra trên bề mặt của bột liệu và liệu trượt xuống các cạnh của hình nón rồi ra khỏi silo

Bột liệu được phân phối đều giữa hai silô trộn bên trên, mà ở đó các lớp bột liệu càng mỏng càng tốt Cấp liệu lò nung được rút ra từ một trong hai silo bên dưới Khi một silô trộn đầy thì silô kia mới đầy nửa Silô đầy được tháo ra nhanh chóng và silo kia được dùng để trữ trống Khi một silo trữ cạn thì việc rút liệu được chuyển sang silo kia

Hệ thống silo-FF không phụ thuộc vào việc trộn bằng khí nén nên năng lượng tiệu thụ thấp đồng thời tránh được nguy cơ phân tách Tuy nhiêu nếu bột liệu dính thì hiệu quả đồng nhất thấp

Hệ thống liên tục silo-CF (dòng chảy được điều khiển)

Dòng chảy trong hệ thống silo-CF được điều khiển bằng cách tháo liệu qua nhiều cửa ra ở đáy silo và được tiến hành ở nhiều mức dòng chảy khác nhau Sau đó trộn các bột liệu từ các cửa ra riêng rẽ trong một bể trộn lý tưởng, nhỏ

Đáy của silo được chia thành 7 khu vực có 6 cạnh giống nhau Ở giữa cửa mỗi khu vựa có một lỗ mở bộ phận tháo đậy bằng một hình nón thoát áp suất Mỗi khu vực lại chia thành 6 phần hình tam giác tất cả đều được lắp hộp thông gió xốp Ở các lỗ mở bộ phận tháo lắp được các van, từ các van này bột liệu được chuyển bằng khí trượt đến bể trộn ở đáy silô

g Lò nung và tháp tiền nung

Công đoạn lò nung là công đoạn quan trọng nhất trong quá trình sản xuất xi măng Trong đó dưới tác dụng của nhiệt từ việc đốt cháy nhiên liệu, các quá trình lý hoá xảy ra đối với bột liệu để tạo thành Clinker Công đoạn lò phải đảm bảo được các yêu cầu sau :

• Hoạt động lò ổn định

• Kiểm soát được sự cố

• Đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng

• Tối đa hoá sản lượng

Tháp tiền nung gồm có 5 tầng gồm 5 silô đồng nhất, mỗi sillo được chia thành 2 tầng : tầng 1 dùng để đồng nhất và tầng 2 dùng để chứa bột liệu Liệu có thể được tháo từ tầng 1 của Silo thứ nhất sang tầng 2 của Silo thứ 2 hoặc có thể tháo trực tiếp xuống tầng 1 của silo đó Ngoài ra tháp còn có hệ thống dẫn khí đấu chéo Nguyên tắc hoạt động của tháp 5 tầng là liệu từ trên đi xuống đồng thời khí nóng được lấy từ

lò nung được dẫn từ dưới lên trên Khi phối liệu từ trên đổ xuống nó được sấy lần lượt và càng đi xuống dưới nhiệt độ sấy càng cao Qua hệ thống tháp 5 tầng phối liệu được sấy sơ bộ đến gần 1000oC trước khi đi vào lò nung

Nhiên liệu để nung là bột than được phun ở áp suất cao dưới dạng mù Nguyên tắc cấp liệu cho Lò nung là bột than được thổi vào và đốt từ đuôi lò còn phối liệu được đổ xuống từ hệ thống sấy 5 tầng đổ xuống đầu lò Dòng khí nóng đi ngược từ đuôi lò đến đầu lò Phối liệu cyclone qua sấy 5 tầng được sấy sơ bộ đến 1000oC, trước khi đưa vào lò Phối liệu đi vào lò nhiệt độ tăng dần làm các phản ứng pha rắn xảy ra và được kết khối ở 1300oC đến 1450oC tạo thành Clinker Sau đó Clinker được đưa thẳng đến máy nghiền xi măng hoặc đưa và các silo chứa để ủ trong khoảng từ 10-15 ngày trước khi đưa vào máy nghiền xi măng

h Công đoạn nghiền xi măng

Clinker, thạch cao và phụ gia ở trong các két chứa được tháo qua một hệ thống van vào các cân Dosimat để đổ vào hệ thống băng tải 2 chiều để đồng nhất các thành phần trước khi đưa vào máy nghiền

Clinker, thạch cao và phụ gia sau khi đồng nhất được đưa vào máy nghiền xi măng để tạo ra sản phẩm xi măng Thành phần Clinker , thạch cao, phụ gia được điều chỉnh để đạt được chất lượng xi măng theo yêu cầu Máy nghiền xi măng là

máy nghiền kiểu bi đạn Để đảm bảo nhiệt độ của xi măng, trong khi nghiền nước được phun vào dưới dạng sương mù ở áp suất cao

Ngoài ra máy nghiền còn được giám sát bởi Pholaphone để đo mức độ ồn của máy nghiền để điều chỉnh lượng liệu cấp vào máy nghiền Khi độ ồn lớn tức là liệu cấp vào ít hệ thống phản hổi về các cân Dosimat để tăng lượng liệu cấp vào máy nghiền và ngược lại

Xi măng ra khỏi máy nghiền được đưa qua bộ phân ly tại đây có sự sàng lọc Nếu xi măng đạt tiêu chuẩn thì được đưa đến 5 Silo chứa qua hệ thống băng tải Nếu hạt xi măng quá lớn thì được thu hồi và đưa trở lại máy nghiền Một phần xi măng

ra khỏi máy nghiền được thu hồi bởi hệ thống lọc bụi tĩnh điện

i Đóng bao

Xi măng ra khỏi máy nghiền đựa vận chuyển lên đỉnh và đổ vào các silo chứa Sau đó xi măng từ đáy của các silo chứa được tháo ra và đưa tới thiết bị đóng bao tự động loại 50kg

1.3 Các đặc điểm cơ bản của dây chuyền công nghệ sản xuất

• Tính phức tạp của công nghệ sản xuất: Dây chuyền sản xuất xi măng gồm

nhiều công đoạn sản xuất cũng như phụ trợ Trong đó, công đoạn sản xuất cơ bản nhất là công đoạn nung clinker, thiết bị ở đây thực hiện một quá trình trao đổi nhiệt liên tục Quá trình biến đổi hoá học và cơ lý mạnh mẽ diễn ra trong một hệ thống thiết bị công nghệ khá phức tạp gồm nhiều tầng và nhiều khối chức năng hoạt động liên hoàn Các công đoạn nghiền nguyên liệu, nghiền than và nghiền xi măng là những hệ thống thiết bị có chu trình kín hoạt động tương đối độc lập

• Tiêu thụ năng lượng rất lớn: Các máy móc chính trong dây chuyền sản xuất

xi măng thuộc loại công suất lớn và tiêu thụ năng lượng nhiều Với công nghệ hiện đại, suất tiêu hao nhiệt năng trung bình khoảng 750kCal/tấn Clinker, suất tiêu hao điện năng cho nung clinker là 60 kWh/T-clinker và cho nghiền xi măng 35 kWh/tấn-xi măng Một dây chuyền 6000T-clinker/ngày sẽ tiêu thụ than khoảng 500 T/ngày và 550MWh

• Vận hành ở chế độ dài hạn: Hầu như tất cả các thiết bị máy móc công nghệ đều làm việc ở chế độ dài hạn trong 03 ca sản xuất

• Phân bố rộng và bao che kín: Các thiết bị công nghệ trong dây chuyền được

ghép nối với nhau thành nhiều vòng bằng các đường ống gió công nghệ, thiết

bị lọc bụi và hệ thống các thiết bị vận chuyển Dây chuyền được lắp đặt trên một diện tích khá rộng (khoảng 500x1000m) và được bao che kín trong quá trình vận hành Do vậy không cho phép quan sát bằng mắt thường quá trình biến đổi xảy ra bên trong các hệ thống thiết bị công nghệ chính

• Tính biến động ngẫu nhiên của tham số công nghệ: Các tham số lý hoá của

nguyên liệu thô dao động trong dải rộng, do phân bố tự nhiên của các vỉa/lớp

và vị trí của các mỏ nguyên liệu là khác nhau, vì vậy chỉ có thể xác định được than số cụ thể sau khi đã khai thác Đồng thời các tham số vận hành của thiết

bị công nghệ cũng biến động liên tục trên dải rộng, phụ thuộc vào chế độ vận hành, điều kiện thời tiết cụ thể v.v Các biến động tham số công nghệ này đều mang tính ngẫu nhiên

• Tính biến thiên chậm của tham số công nghệ: Các quá trình biến đổi tính chất

cơ-lý-hoá trong các công đoạn sản xuất xi măng là những quá trình biến thiên chậm, hệ thống thiết bị công nghệ có công suất lớn và có quán tính rất lớn Trước hết, quá trình nung clinker là một quá trình trao đổi nhiệt và tiếp đến là các hệ thống nghiền, các hệ thống vận chuyển đều có tự trọng lớn và tải trọng lớn, nên thời gian phản ứng của từng hệ thống máy công tác khi điều chỉnh rất lớn Tiếp theo, thời gian vận chuyển nguyên liệu và bán thành phẩm giữa các khâu gia công là khá lớn do các máy công tác bố trí ở các khoảng cách xa

và độ cao lớn Thời gian phản ứng khi điều chỉnh ổn định một tham số công nghệ được tính ở đơn vị từ hàng vài chục giây cho đến vài phút

a) Thiết bị truyền động và điều khiển chấp hành

Hệ thống truyền động cho các máy công tác gồm một số lượng lớn các động cơ điện trên toàn bộ dải công suất của động cơ điện sử dụng trong công nghiệp, trong

đó có nhiều truyền động yêu cầu điều chỉnh tốc độ Tất cả các truyền động điện được điều khiển tập trung bằng hệ thống điều khiển tự động

Mặt khác, trong dây chuyền có một số lượng lớn thiết bị điều khiển các dòng khí công nghệ, dòng dầu thuỷ lực hoặc dòng nước công nghệ ở dải công suất lớn cũng

như dải công suất nhỏ Phần lớn các van có điều khiển tự động thuộc loại yêu cầu bộ dẫn động kiểu đóng/cắt Ngoài ra một ít hệ thống van yêu cầu điều chỉnh tỷ lệ độ

mở nhằm điều khiển liên tục lưu lượng hay áp lực

b) Thiết bị đo lường và bảo vệ:

Trên thiết bị công nghệ và vận chuyển có lắp đặt một số lượng rất lớn các sensor

đo lường và khí cụ bảo vệ với khá nhiều chủng loại khác nhau và dải đo khác nhau Các thiết bị đo lường analog có thể chia ra làm 02 loại cơ bản như sau:

c) Đo lường các đại lượng không điện

Nhóm này bao gồm rất nhiều loại đầu đo sơ cấp được lắp trên máy công tác tại các vị trí cần thiết để đo lường các tham số công nghệ Chúng có một số đặc điểm chính như sau:

• Thông số đo: Là các đại lượng không điện như: nhiệt độ, áp suất, mức vật liệu, tốc độ, lưu lượng dòng khí, trọng lượng v.v Chủng loại và nguyên lý làm việc của các sensơ công nghệ sử dụng trong sản xuất xi măng được liệt

kê trong Bảng 1.3

• Chức năng: Các sensơ thực hiện một chức năng cơ bản là biến đổi tham số không điện cần đo thành tín hiệu điện analog Tín hiệu đầu ra của các phần tử thụ cảm là dạng nguồn dòng hoặc dạng nguồn áp tuỳ thuộc cấu tạo của đầu

- Chức năng: Đo và phân tích 03 thành phần cơ bản CO, O2, NOX của khí ra hệ thống nung clinker phục vụ việc điều chỉnh chế độ đốt và khống chế chỉ tiêu phát thải ra môi trường

- Cơ cấu đo lường: Cảm biến thuật từ xác định từng khí thành phần theo độ từ cảm riêng của nó thông qua một điện trường cố định, kết quả được xử lý và hiển thị dưới dạng số

- Vị trí lắp đặt: Đầu khí ra lò nung; đỉnh tháp calciner; đường khí đầu ra tháp trao đổi nhiệt và đường khí ra ống khói

• Pyrometer bức xạ hồng ngoại:

- Chức năng: Đo lường và giám sát phân bố nhiệt độ bên trong hệ thống nung clinker phục vụ việc điều chỉnh chế độ đốt

- Cơ cấu đo lường: Sensơ bức xạ hồng ngoại trực tiếp kiểu cố định

- Vị trí lắp đặt: Khoang nung của lò nung (ngọn lửa của vòi đốt chính) và khoang thứ nhất của thiết bị làm nguội clinker

• Quét nhiệt độ vỏ lò nung:

- Chức năng: Đo lường và giám sát phân bố nhiệt độ bên ngoài vỏ lò nung qua

đó để theo dõi trạng thái lớp lót vật liệu (côla) và lớp gạch chịu lửa trong lò trong quá trình vận hành

- Cơ cấu đo lường: Sensơ bức xạ hồng ngoại trực tiếp kiểu di động

- Vị trí lắp đặt: Bên ngoài lò nung

• Đo nhiệt độ cao:

- Chức năng: Đo lường nhiệt độ bên trong các tầng của hệ thống nung clinker phục vụ việc điều chỉnh chế độ đốt

- Cơ cấu đo lường: Cặp nhiệt Platin-Rodi đo nhiệt độ cao 2000 ÷18000 tín hiệu

- Vị trí lắp đặt: Đường ống ra và vào các cyclon trao đổi nhiệt, các khoang đầu

lò nung

• Đo trọng lượng và khối lượng:

- Chức năng: Đo khối lượng vật liệu chứa trong két hoặc lưu thông trên băng tải cấp liệu để phục vụ việc điều chỉnh tỷ lệ thành phần phối liệu và điều chỉnh năng suất máy công tác

- Cơ cấu đo lường: Cảm biến áp điện

- Vị trí lắp đặt: Các cân băng định lượng nghiền thô; định lượng nghiền xi măng; cấp liệu lò và các thiết bị cân vật liệu lắp trên băng tải hay cầu cân

e) Đo lường tham số điện

• Thông số đo: Gồm các thông số của lưới điện công nghiệp như tần số, điện

áp, dòng điện, công suất tác dụng và công suất phản kháng

• Chức năng: Các thiết bị đo điện thực hiện việc biến đổi các tham số điện cần

đo thành tín hiệu số chuẩn phục vụ cho điều khiển vận hành thiết bị công nghệ và giám sát tiêu thụ điện năng

• Cấu tạo: Các thiết bị đo điện hiện đại được chế tạo hợp bộ bao gồm cả khâu thụ cảm là các máy biến dòng và máy biến áp đo lường, khâu chuyển đổi chuẩn hoá tín hiệu và khâu số hoá trong đó lắp một μP riêng và bộ hiển thị số độc lập tại chỗ

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng xi măng

Chất lượng xi măng Pooclăng phụ thuộc vào các yếu tố sau đây:

- Chất lượng clinker

- Chất lượng phụ gia

- Chế độ nghiền xi măng

Trong đó chất lượng clinker được quyết định bởi các yếu tố:

- Hoạt tính của nguyên liệu đầu vào

- Thành phần khoáng hoá

- Chế độ nghiền nguyên liệu và đồng nhất bột liệu

- Chế độ nung luyện và làm nguội

• Hoạt tính của nguyên liệu đầu vào:

Nguyên liệu chính là đá vôi, chiếm đến khoảng 85% tổng khối lượng nguyên liệu, cung cấp CaCO3 dưới dạng khoáng canxit Chất lượng đá vôi được kể đến thông qua chỉ tiêu độ cứng và độ tinh khiết Ngoài ra, cần kể đến một số tạp chất đặc biệt là thành phần MgO Khi thành phần MgO vượt trên 5% dẫn đến MgO dư được thiêu kết và tồn tại dưới dạng MgO tự do (Khoáng pericclaz), sau khi bêtông xi măng đóng rắn chất khoáng này mới phản ứng với nước tạo thành Mg(OH)2 làm trương nở gây nứt bêtông Vì vậy cần phải giới hạn hàm lượng MgO trong clinker

để hạn chế ảnh hưởng xấu của nó Trong quá trình phản ứng tạo khoáng, ở vùng nhiệt độ 800÷900oC, CaCO3 trong đá vôi phân huỷ thành CaO và CO2 và tiếp theo CaO phản ứng với Al2O3, Fe2O3 và SiO2 ở vùng nhiệt độ cao để tạo thành các chất khoáng Nói chung, chất lượng của đá vôi ít ảnh hưởng đến hoạt tính của phối liệu Nguyên liệu cần thiết thứ hai là sét, chiếm đến 13% tổng khối lượng nguyên liệu Sét cung cấp SiO2 , Al2O3 và Fe2O3 cho phối liệu Sét là nguyên liệu ảnh hưởng quyết định đến hoạt tính của phối liệu Phối liệu dễ nung hoặc khó nung chủ yếu phụ thuộc vào bản chất nguyên liệu sét Các dạng SiO2 nằm trong hợp chất hoặc dạng thạch anh ẩn tinh và vi tinh dễ phản ứng với CaO SiO2 dạng tinh thể hoàn chỉnh (Cát thạch anh) khó phản ứng nhất hay nó làm cho phối liệu khó nung hơn Mặt khác, hàm lượng kiềm cao trong sét là thành phần có hại, đây cũng là yếu tố gây trương nứt bê tông khi nó phản ứng với cốt liệu có chứa SiO2 hoạt tính như đá bazan, granit v.v

Ngoài ra, để bổ sung các thành phần thiếu như Fe2O3 và SiO2, Al2O3 cần sử dụng thêm các nguyên liệu điều chỉnh hay chất phụ gia với tỷ lệ đến 2%, đó là quặng sắt (Hematit - a-Fe2O3), xỉ pirit (Gơtit - FeOOH) hoặc cát silic

• Thành phần khoáng hoá:

Thành phần khoáng của clinker gồm 04 hợp chất chính alit (C3S), belit (C2S), xelít 1 (C4AF) và xelit 2 (C3A) Các hợp chất vô cơ này thực tế không bao giờ tồn tại ở dạng các khoáng chất tinh khiết mà luôn luôn bị thay thế đồng hình bởi các oxyt có mặt trong quá trình nung luyện Choán lấp giữa các khe hở của các pha kết tinh là pha thuỷ tinh Hàm lượng pha thuỷ tinh trong clinker phụ thuộc vào tốc độ làm nguội clinker Khi làm nguội nhanh đột ngột, lượng pha thuỷ tinh có thể tăng lên tới 22÷24% Khi làm nguội từ từ, pha thuỷ tinh chỉ chiếm khoảng 3%, thời gian

tương đối dài đủ để các khoáng chất kết tinh có tinh thể lớn hoàn chỉnh và cho chất lượng tốt hơn Tốc độ phản ứng với nước-hay tốc độ hydrat hoá giảm dần từ C3A,

C3S, C4AF và đến C2S Do bị thay thế đồng hình gây ra khuyết tật trong mạng tinh thể, cùng với tác động tương hỗ giữa các khoáng trong quá trình hydrat hoá tạo cho clinker xi măng pooclăng có hoạt tính cường độ cao hơn nhiều măng càng lớn, hàm lượng C3A và C4AF ảnh hưởng đến cường độ ban đầu của xi măng Thành phần khoáng có quan hệ chặt chẽ với thành phần hoá của clinker (công thức Bogue) và các hệ số chế tạo: hệ số silicat, hệ số alminat, hệ số bão hoà vôi và hàm lượng chất chảy ở nhiệt độ nung luyện (1450oC)

Ngoài các thành phần khoáng là chủ yếu, trong clinker còn có nhiều hợp chất khác như vôi tự do (CaO tự do) và các ôxyt kim loại MgO; K2O; Na2O v.v các chất này chiếm tỷ trọng rất nhỏ nhưng có ảnh hưởng lớn đến chất lượng xi măng chế tạo, do đó bắt buộc phải khống chế tỷ lệ của chúng trong thành phẩm cuối cùng

• Chế độ nghiền nguyên liệu và đồng nhất bột liệu:

Độ mịn của hỗn hợp bột nguyên liệu chỉ phụ thuộc vào chế độ vận hành của hệ thống máy nghiền nguyên liệu

Độ đồng nhất của bột liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố, cụ thể như sau:

- Cấu tạo kho chứa và chế độ vận hành của các hệ thống thiết bị rải và rút nguyên liệu tại từng kho riêng rẽ

- Chế độ vận hành của hệ thống định lượng và máy nghiền nguyên liệu

- Cấu tạo silô đồng nhất và chế độ vận hành của hệ thống thiết bị rải và rút bột liệu tại silô đồng nhất

Về nguyên tắc, độ mịn và độ đồng nhất của bột liệu càng cao thì càng tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng khoáng hoá trong nung luyện clinker Nhưng nghiền càng mịn thì càng tốn năng lượng, do đó ứng với mỗi công nghệ, các nhà thiết kế thường lựa chọn độ mịn hợp lý sao cho đạt chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật vừa đủ để thực hiện phản ứng tạo khoáng vừa đạt suất tiêu hao điện năng nghiền chấp nhận được Thông thường độ mịn bột liệu được chọn khoảng 170# (hay 15% trên sàng 0,09mm) trong tỷ lệ hạt hợp chất của canxi có kích thước trên 150mm không được vượt quá 5,0% và tỷ lệ hạt hợp chất của silic có kích thước trên 200mm không được vượt quá

0,5% Độ đồng nhất được chọn ở mức tối ưu với hệ số đồng nhất sơ bộ khoảng 6÷15

và hệ số đồng nhất khoảng 3÷5

• Chế độ nung luyện và làm nguội clinker:

Số lượng và kích thước của tinh thể khoáng có ảnh hưởng rất lớn đến đặc tính và cường độ của xi măng Các tinh thể khoáng nhỏ và chứa nhiều khuyết tật mạng sẽ

có hoạt tính cao hơn các tinh thể có kích thước lớn hoàn chỉnh Với cùng một công thức phối liệu thô, điều chỉnh chế độ nung luyện sẽ làm thay đổi hàm lượng, hình dạng và kích thước của các tinh thể khoáng Làm nguội nhanh clinker sẽ tăng hàm lượng C3S hoạt tính của clinker do hạn chế được phản ứng phân huỷ C3S →

C2S+CaO đồng thời hạn chế sự chuyển pha bC2S → gC2S, MgO đi hết vào pha thuỷ tinh và thay thế đồng hình trong các khoáng, làm cho clinker có hoạt tính cao hơn Từ đó, công nghệ nung luyện hiện đại được phát triển theo hướng nung nhanh bột liệu ở nhiệt độ cao và làm nguội nhanh clinker ở đầu ra lò nung Yêu cầu này dường như đối lập với yêu cầu giảm suất tiêu hao nhiệt năng và điện năng cho công đoạn nung clinker

Mặt khác yêu cầu về nung bột liệu ở nhiệt độ cao (1350 ÷ 1400oC) phải được thực hiện cùng với xu hướng duy trì hàm lượng vôi tự do trong clinker cao ở tỷ lệ tối ưu gần đạt giá trị 2%, vì ở chế độ làm việc này hệ thống lò làm việc ổn định đồng thời cho chất lượng sản phẩm tối ưu Đây là một yêu cầu kỹ thuật ngặt nghèo đặt ra cho việc điều khiển vận hành hệ thống nung clinker

• Chế độ nghiền xi măng:

Độ mịn càng cao, xi măng sẽ có tốc độ phản ứng với nước càng lớn, thời gian và phát triển cường độ càng nhanh Vì vậy độ mịn xi măng sẽ có xu hướng được tăng cao bằng hệ thống máy nghiền xi măng hiện đại Tuy nhiên, xi măng siêu mịn đóng rắn nhanh nhưng toả nhiệt cũng lớn, do đó loại này chỉ thích hợp cho các công trình đặc biệt (ví dụ xi măng R30 thi công các đường hầm) Với loại công trình thông thường, xi măng siêu mịn sẽ là nguyên nhân gây rạn nứt bêtông do ứng suất nhiệt

Do đó độ mịn của xi măng cần được lựa chọn hợp lý cho từng loại sản phẩm cụ thể Đối với loại xi măng pooclăng thông dụng ở nước ta (PCB30,PCB40) độ mịn được

duy trì trong khoảng 3200 ÷ 3600 cm2/g (độ mịn Blaine) Tăng độ mịn đồng nghĩa với việc tăng suất tiêu hao điện năng cho nghiền xi măng

• Chất lượng phụ gia xi măng:

Các chất phụ gia khoáng có thể xem như chất “độn” pha trộn bên cạnh các chất khoáng có trong clanh ke nhằm tạo ra sản lượng xi măng cao hơn với chất lượng đạt yêu cầu thiết kế Chất phụ gia có thể thuộc loại hoạt tính hoặc phụ gia đầy Hoạt tính Puzolan của phụ gia chỉ biểu hiện sau thời gian dài xi măng đóng rắn từ 6 tháng tuổi trở lên

Xi măng pooclăng hỗn hợp thường chứa khoảng 15 ÷ 25% phụ gia khoáng Như vậy, xu hướng càng nâng cao tỷ lệ phụ gia sẽ càng kinh tế Tuy nhiên ở tuổi dưới một tháng khi tăng tỷ lệ phụ gia sẽ làm giảm cường độ xi măng gốc Tỷ lệ pha phụ gia phụ thuộc cơ bản vào chất lượng clanh ke thực tế, muốn tăng tỷ lệ phụ gia khoáng thì nhất thiết phải nâng cao chất lượng clanh ke, điều này đồng nghĩa với việc phải nâng cao chất lượng và mức độ ổn định vận hành của các công đoạn

Nghiền nguyên liệu và Nung clinker bằng công nghệ điều khiển tiên tiến

1.5 Các giải pháp kỹ thuật ổn định chất lượng sản phẩm:

Do tính chất phức tạp của công nghệ sản xuất và tính biến động ngẫu nhiên của các tham số công nghệ, để đảm bảo dây chuyền sản xuất vận hành với năng suất cao nhất nhưng cho ra sản phẩm xi măng bột có chất lượng ổn định cao nhất theo tiêu chuẩn thiết kế (mác xi măng tiêu chuẩn, ví dụ như: PCB40; PCB50; OPC40.v.v ), một nhà máy xi măng công suất lớn bắt buộc phải áp dụng nhiều giải pháp về trang bị kỹ thuật cũng như quản lý sản xuất nhằm ổn định chất lượng sản phẩm Về mặt kỹ thuật, có hai giải pháp cơ bản được sử dụng:

- Giải pháp thiết bị công nghệ

- Giải pháp điều khiển tự động

1.5.1 Giải pháp thiết bị công nghệ

Giải pháp này được đề cập ngay từ giai đoạn thiết kế dây chuyền, lựa chọn thiết

bị công nghệ và quan tâm đến tất cả các khâu, các công đoạn sản suất có thể trang bị thiết bị đồng nhất Theo hướng này, các cụm thiết bị máy móc dưới đây đã được phát triển và sử dụng:

- Thiết bị đồng nhất sơ bộ tại các kho chứa nguyên liệu (A3): tại đầu vào kho chứa nguyên liệu (đá vôi, sét, cát silic, quặng sắt, than cám.v.v .) sẽ lắp đặt thiết bị rải nguyên liệu tuần tự theo lớp; ở đầu ra lắp đặt thiết bị cào hoặc rút nguyên liệu cũng theo lớp, nhưng đổi hướng rút liệu so với hướng rải liệu (thông thường hai hướng này vuông góc với nhau) Cơ chế này thực hiện chức năng đồng nhất sơ bộ từng loại nguyên liệu trước khi đưa vào nghiền

- Thiết bị đồng nhất tại các si lô chứa (A7; C4): trên đỉnh (đầu vào) các si lô đồng nhất bột liệu và silô xi măng sẽ trang bị nhiều máng vận chuyển bột kiểu khí nén (máng khí động), các máng vận chuyển được bố trí hình sao để

có thể rải bột liệu đều theo thiết diện ngang của silô Tại đáy các silô trang bị

hệ thống rút bột liệu bằng máng khí động để thực hiện việc rút bột liệu đều từ mọi phía silô Cơ chế này kết hợp với kết cấu của thân và khoang đáy silô sẽ thực hiện việc đồng nhất bột liệu đạt hiệu quả cao

1.5.2 Giải pháp điều khiển tự động

Chiến lược của giải pháp này là thực hiện điều khiển tinh chế độ làm việc của các hệ thống thiết bị công nghệ cơ bản bằng công nghệ điều khiển tự động làm việc trong thời gian thực

Theo hướng này, hệ điều khiển được chia thành 02 cấp cơ bản:

• Hệ thống điều khiển/điều chỉnh tự động: đây là hệ cơ sở thực hiện việc điều khiển vận hành tất cả các chức năng của dây chuyền sản xuất, điều chỉnh tự động các tham số công nghệ theo nguyên lý vòng kín

• Hệ điều khiển chuyên gia: là các hệ điều khiển cấp cao có chức năng điều khiển tối ưu chế độ làm việc của các thiết bị công tác quan trọng Trong sản xuất xi măng có thể trang bị các hệ chuyên gia kỹ thuật như sau:

- Điều khiển thành phần phối liệu nguyên liệu

- Điều khiển tối ưu hệ thống nung clinker

- Điều khiển thành phần phối liệu xi măng

Nhận xét:

Thông qua khảo sát chi tiết công nghệ sản xuất xi măng tiên tiến và đặc điểm của hệ thống thiết bị công tác, dưới góc độ của người thiết kế hệ thống điều khiển tự động, chúng ta xác định được những yêu cầu kỹ thuật cơ bản của hệ thống như sau:

¾ Chức năng của hệ thống điều khiển tự động:

a) Điều khiển vận hành tập trung một số lượng lớn các máy công tác

b) Bảo vệ an toàn ở mức độ cao cho người vận hành và thiết bị

c) Giám sát chặt chẽ các chỉ tiêu phát thải ra môi trường

d) Điều chỉnh tự động và điều khiển tối ưu nhiều tham số

e) Quản lý năng lượng

f) Quản lý thông tin toàn bộ quá trình sản xuất

¾ Điều khiển logic và điều chỉnh tự động vòng kín:

a) Tiếp nhận - Đập và Vận chuyển nguyên vật liệu vào kho

b) Định lượng và nghiền nguyên liệu

c) Nung clinker

d) Nghiền than và cấp than mịn cho các vòi đốt

e) Định lượng và nghiền xi măng

f) Đóng bao và xuất xi măng

g) Hệ thống cung cấp điện

h) Hệ thống cấp nước làm mát

¾ Điều khiển tối ưu:

a) Định lượng và nghiền nguyên liệu

b) Nung clinker

c) Định lượng và nghiền xi măng

Chương 2 :NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PCS7

2.1 Mô hình phân cấp hệ thống

Hệ thống điều khiển trong công nghiệp có thể chia thành 5 cấp như hình 2.1:

Hình 2.1 Mô hình phân cấp chức năng của một hệ thống điều khiển và giám sát

Cấp chấp hành: Các chức năng chủ yếu của cấp này là truyền động, đo lường

các thiết bị công nghệ và chuyển đổi tín hiệu Hầu hết các cơ cấu chấp hành và các thiết bị cảm biến đều có phần điều khiển riêng phục vụ cho việc thực hiện truyền động và đo lường được chính xác

Cấp điều khiển: Có chức năng chủ yếu thu thập thông tin từ các cảm biến và

xử lý các thông tin đó theo thuật toán điều khiển và truyền thông tin điều khiển xuống các cơ cấu chấp hành Trong hệ thống điều khiển thủ công, thì các nhiệm

vụ đó được người vận hành thao tác trực tiếp thao tác thông qua các thiết bị đo lường, sử dụng kiến thức và kinh nghiệm để thao tác vận hành hệ thống như : đóng mở van, bấm nút, điều chỉnh cần gạt, Trong hệ thống điều khiển tự động hiện đại những nhiệm vụ đó được thực hiện bằng các bộ điều khiển bằng máy tính, PLC, bộ chuyển đổi tương tự, số

Cấp điều khiển giám sát: Nhiệm vụ chính của cấp này là giám sát và vận

hành một quá trình kỹ thuật đồng thời hỗ trợ người điều hành trong việc cài đặt ứng dụng, thao tác, theo dõi, giám sát vận hành và xử lý những tình huống bất

thường Ngoài ra ở cấp có thể thực hiện thêm các bài toán điều khiển cao cấp như điều khiển phối hợp, điều khiển trình tự và điều khiển theo công thức Phần cứng sử dụng là máy tính thông thường như máy tính cá nhân, máy trạm, máy chủ, terminal

Cấp điều hành sản xuất: Chức năng chính của cấp điều hành sản xuất là

nhận các thông tin về trạng thái làm việc,các số liệu của các quá trình kỹ thuật và của hệ thống điều khiển tự động để tính toán, thống kê về diễn biến quá trình sản xuất và chất lượng sản phẩm Đồng thời cấp điều hành sản xuất có chức năng xử

lý các số liệu, lập kế hoạch sản xuất, ra quyết định bảo dưỡng máy móc, tối ưu hoá sản xuất và đưa các thông tin về các thông số thiết kế, công thức điều khiển, và mệnh lệnh điều hành xuống cấp dưới Mặt khác cấp điều hành sản xuất còn có chức năng là trao đổi thông tin với cấp quản lý công ty Cấp điều hành sản xuất gồm các máy tính văn phòng nối mạng nội bộ với nhau

Cấp quản lý công ty: Cấp quản lý công ty là cấp cao nhất trong mô hình

phân cấp Nhiệm vụ của cấp này trao đổi thông tin giữa công ty và khách hàng thông qua các phương tiện thông tin đại chúng như : thư điện tử, hội thảo từ xa thông qua truy cập Internet và thương mại điện tử Đồng thời cấp quản lý công

ty còn có nhiệm vụ tính toán giá thành, lập kế hoạch sản xuất , xử lý đơn đặt hàng,

Để kết nối các cấp trong hệ thống phân cấp với nhau ta sử dụng các hệ thống bus :

Bus trường: Là các hệ thống bus tại hiện trường để kết nối các thiết bị thuộc

cấp điều khiển (PC, PLC) với nhau và với các thiết bị của cấp chấp hành, hay các thiết bị trường Đặc trưng của bus trường là có tính năng xử lý thời gian thực cao, tuy nhiên yêu cầu về lượng thông tin trao đổi không cao Các hệ thống bus trường thường sử dụng là: Profibus, ControlNet, Modbus, Foundation Fieldbus, DeviceNet, AS-i,

Bus hệ thống : Được dùng để kết nối các máy tính điều khiển và các máy

tính trên cấp điều khiển giám sát Qua bus hệ thống các máy tính điều khiển có thể phối hợp hoạt động, cung cấp dữ liệu, thông tin về quá trình cho trạm kỹ thuật và trạm vận hành Việc sử dụng Bus hệ thống thì tuỳ theo lĩnh vực ứng dụng

mà có các yêu cầu về tính năng thời gian thực khác nhau Tuy nhiên thời gian phản ứng thông thường trong khoảng vài trăm miligiây Trong khi đó lưu lượng thông tin cần xử lý lại lớn hơn nhiều so với bus trường Các bus hệ thống hay được sử dụng là: Ethernet, Industrial Ethernet, Profibus-FMS, Fieldbus

Foundation’s High Speed Ethernet

Mạng xí nghiệp: Là một mạng LAN thông thường dùng để kết nối các máy

tính thuộc cấp điều hành sản xuất với cấp điều khiển giám sát Mạng xí nghiệp không đòi hỏi nghiêm ngặt về tính năng xử lý thời gian thực Dữ liệu được trao đổi không định kỳ, nhưng lại với số lượng lớn có thể đến hàng Mbyte Hai loại mạng chủ yếu được dùng là Ethernet và Token-Ring trên cơ sở các giao thức chuẩn TCP/IP

Mạng công ty: Mạng công ty gần với một mạng viễn thông hoặc một

mạng máy tính trên các phương diện về hình thức dịch vụ, phương pháp truyền thông và các yêu cầu về kỹ thuật Mạng công ty thường đòi hỏi có tốc độ truyền thông và độ an toàn tin cậy đặc biệt cao Do vậy các loại mạng thường được sử dụng là : Fast Ethernet, FDDI,

2.2 Các hệ thống điều khiển công nghiệp

2.2.1 Cấu trúc điều khiển tập trung với vào ra tập trung

Cấu trúc tiêu biểu của một hệ thống điều khiển tập trung được minh hoạ như trong hình 2.2 Một máy tính duy nhất được dùng để điều khiển toàn bộ quá trình kỹ thuật Máy tính điều khiển (MTĐK) có thể là các bộ điều khiển trực tiếp, máy tính lớn, máy tính cá nhân hoặc các thiết bị điều khiển khả trình Máy tính điều khiển tập trung thường đặt tại phòng điều khiển trung tâm, cách xa hiện trường Các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành được nối trực tiếp, điểm-điểm với máy tính điều khiển tập trung qua các cổng vào/ra của nó

Hình 2.2: Cấu trúc điều khiển tập trung với vào ra tập trung

Đây là cấu trúc điều khiển tiêu biểu trong những năm 1965-1975 Ngày nay, cấu trúc này thường thích hợp cho những ứng dụng tự động có quy mô vừa và

nhỏ, điều khiển các loại máy móc và thiết bị bởi sự đơn giản, dễ thực hiện Với cấu trúc loại này thì toàn bộ chương trình điều khiển của hệ thống tập trung ở một thiết bị điều khiển duy nhất Do đó có những hạn chế sau:

- Công việc nối dây phức tạp, giá thành cao

- Việc mở rộng hệ thống gặp khó khăn

- Độ tin cậy thấp

2.2.2 Điều khiển tập trung với vào ra phân tán

Cấu trúc vào/ra tập trung với cách ghép nối điểm-điểm có một nhược điểm

cơ bản là số lượng lớn các cáp nối, dẫn đến giá thành cao cho dây dẫn và công thiết kế, lắp đặt Một nhược điểm nữa là phương pháp truyền dẫn tín hiệu thông thường giữa các thiết bị trường và thiết bị điều khiển dễ chịu ảnh hưởng của nhiễu, gây sai số lớn Vấn đề này được khắc phục bằng phương pháp dùng bus trường Hình 2.3 minh hoạ một cấu hình mạng với vào ra phân tán Ở đây các module vào/ra được đẩy xuống cấp trường gần kề với các cảm biến và cơ cấu chấp hành, vì vậy được gọi là các vào/ra phân tán hoặc vào ra từ xa Một cách ghép nối khác là sử dụng các cảm biến và cơ cấu chấp hành thông minh, có khả năng nối mạng trực tiếp không cần thông qua các modul vào ra Bên cạnh khả năng xử lý giao thức truyền thông, các thiết bị này còn đảm nhiệm một số chức năng xử lý tại chỗ như lọc nhiễu, chỉnh định thang đo, tự đặt chế độ, điểm làm việc, chẩn đoán trạng thái Trong nhiều trường hợp, các thiết bị có thể đảm nhận nhiệm vụ điều khiển đơn giản

Hình 2.3: Cấu trúc điều khiển tập trung với vào ra phân tán

Sử dụng bus trường và cấu trúc vào ra phân tán có những ưu điểm sau:

- Tiết kiệm dây dẫn và công đi dây, nối dây

- Giảm kích thước hộp điều khiển

- Tăng độ linh hoạt hệ thống nhờ việc sử dụng các thiết bị có giao diện chuẩn

- Thiết kế và bảo trì dễ dàng nhờ cấu trúc đơn giản

- Khả năng chẩn đoán tốt hơn

- Tăng độ tin cậy của toàn hệ thống

2.2.3 Điều khiển phân tán với vào ra tập trung

Trong đa số các ứng dụng có qui mô vừa và lớn, mô hình điều khiển tập trung

sẽ không còn phù hợp do 1 thiết bị điều khiển trung tâm khó có thể đảm nhận được việc điều khiển toàn bộ hệt thống Do đó các chức năng điều khiển sẽ được phân tán tới nhiều thiết bị điều khiển khác nhau Một dây truyền sản xuất thường được chia thành nhiều phân đoạn, có thể được phân bố tại nhiều vị trí cách xa nhau Tại mỗi công đoạn ta có thể sử dụng hoặc một vài máy tính điều khiển cục bộ và các máy tính cục bộ này sẽ được kết nối về trung tâm

Hình 2.4: Cấu trúc điều khiển phân tán với vào ra tập trung

Các máy tính điều khiển cục bộ thường được đặt rải rác tại các phòng điều khiển của từng phân đoạn, phân xưởng, ở vị trí không xa với quá trình kỹ thuật Các phân đoạn có thể liên hệ tương tác với nhau, vì vậy để điều khiển quá trình tổng hợp cần có sự điều khiển phối hợp giữa các máy tính điều khiển Do đó các máy tính điều khiển được nối mạng với nhau và với một hoặc một vài máy tính giám sát tập trung qua bus hệ thống Giải pháp này dẫn đến các hệ thống có cấu trúc điều khiển phân tán, hay được gọi là các hệ điều khiển phân tán

Ưu thế của hệ thống điều khiển phân tán không chỉ dừng lại ở độ linh hoạt cao hơn so với cấu trúc tập trung Hiệu năng cũng như độ tin cậy tổng thể của hệ

thống được nâng cao nhờ sự phân tán chức năng xuống các cấp dưới

2.2.4 Điều khiển phân tán với cấu trúc vào ra phân tán

Giải pháp sử dụng các hệ điều khiển phân tán với cấu trúc vào/ra phân tán

và các thiết bị trường thông minh chính là xu hướng phát triển trong xây dựng các hệ thống điều khiển và giám sát hiện đại Bên cạnh độ tin cậy cao, tính năng

mở và độ linh hoạt cao thì yếu tố kinh tế cũng đóng vai trò quan trọng

Hình 2.5: Cấu trúc điều khiển phân tán với vào ra phân tán

2.3 Hệ thống điều khiển phân tán DCS

2.3.1 Phân loại các hệ thống điều khiển phân tán DCS

a Các hệ DCS truyền thống

Các hệ DCS truyền thống thường sử dụng là các bộ điều khiển đặc chủng theo cấu trúc chung của nhà sản suất.Các hệ thống này có thể kép kín và không theo các chuẩn truyền thông trong công nghiệp

b Các hệ lai DCS/PLC

Hệ lai DCS/PLC còn gọi là hệ DCS dựa trên PLC Hệ thống này là giải pháp tốt khi cần nâng cấp từ một hệ thống cũ dựa trên cơ sở một hệ SCADA lên DCS Hệ thống này có các máy tính trung tâm, các module phân tán Các PLC ghép qua hệ thống mạng với nhau và ghép nối với module phân tán

Các PLC có nhiệm vụ thu thập số liệu từ các thiết bị hiện trường có cổng ghép nối RS, sau đó đưa kết quả lên module phân tán Các module phân tán sẽ xử lý tín

hiệu và đưa ra quyết định điều khiển thông qua các PLC, đồng thời module phân tán cũng gửi các thông tin thông qua mạng truyền tin tốc độ cao về hệ thống máy tính trung tâm Khi người vận hành ra quyết định điều khiển một quá trình nào đó, máy tính sẽ truyền lệnh đó xuống hệ điều khiển hiện trường và hệ này sẽ thực hiện công đoạn cần thiết của điều khiển quá trình theo yêu cầu

c Các hệ DCS trên nền PC

Đây chính là giải pháp sử dụng máy tính cá nhân PC làm thiết bị điều khiển Trạm điều khiển cục bộ chính là một máy tính được cài đặt một hệ điều hành thời gian thực và giao diện Bus trường, Bus hệ thống

Ưu điểm của hệ thống :

- Tính năng mở khả năng đáp ứng tự do

- Khả năng tính toán cao và đa chức năng

- Các cải tiến lớn trong kỹ thuật máy tính, công nghiệp phần mềm và công nghệ Bus trường chính là yếu tố thúc đẩy khả năng cạnh tranh của PC ứng dụng trong công nghiệp

2.3.2 Các vấn đề kĩ thuật của hệ thống điều khiển phân tán

Xử lý thời gian thực

Xử lý thời gian thực là hình thức xử lý thông tin trong một hệ thống để đảm bảo tính năng thời gian thực đó Một hệ thống truyền thông có tính năng thời gian thực phải có khả năng truyền đạt thông tin một cách tin cậy và kịp thời đói với các yêu cầu của các đối tác truyền thông Hệ thống luôn sẵn sàng phản ứng với các sự kiện bên ngoài và đưa ra đáp ứng đúng đắn kịp thời Tính năng thời gian thực của một

hệ DCS không chỉ phụ thuộc vào tính năng thời gian thực của các thành phần trong

hệ thống mà còn phụ thuộc vào sự phối hợp đồng bộ giữa các thành phần đó Ngoài

ra hệ thống còn sử dụng mạng cục bộ thời gian thực, tốc độ truyền tín hiệu cao,… Các đặc điểm của hệ thống xử lý thời gian thực :

- Tính bị động: không biết trước tác động của sự kiện

- Tính nhanh nhạy: xử lý nhanh chóng để đưa ra kết quả xử lý kịp thời

- Tính tiền định: Dự đoán trước thời gian phản ứng tiêu biểu, thời gian phản ứng chậm nhất và trình tự đưa ra các phản ứng

Xử lý phân tán

Việc xử lý phân tán giúp nâng cao năng lực xử lý thông tin của hệ thống, góp phần vào cải thiện tính năng thời gian thực, nâng cao độ tin và tính linh hoạt của hệ thống Trong hệ thống, các chương trình trên các trạm hợp tác chặt chẽ với nhau thông qua cơ chế giao tiếp ngầm để cùng thực hiện nhiệm vụ của hệ thống

Xử lý phân tán bao gồm :

- Phân chia và phối hợp nhiệm vụ

- Giao tiếp giữa các trạm

- Đồng bộ hoá các quá trình xử lý phân tán

- Dự phòng và khắc phục lỗi

Đồng bộ hoá trong điều kiển phân tán

Đồng bộ quá các tín hiệu vào/ra : Cấu trúc Bus trường làm nảy sinh một số vấn

đề đó là sự đồng bộ của các tín hiệu vào/ra do thời gian trễ trên các kênh khác nhau Để khắc phục nhược điểm này người ta thường chọn loại Bus sao cho chu kì của Bus nhỏ hơn nhiều lần chu kì được điểu khiển hoặc dùng Bus trường để hỗ trợ đồng bộ hoá việc vào/ra

Đồng bộ hoá thời gian: Giữa các trạm điều khiển cục bộ và trạm vận hành cần có

sự đồng bộ hoá thời gian một cách chặt chẽ vì nó liên quan tới chính chính xác và

độ tin cậy của các thông tin điều khiển, vận hành, cảnh báo Để đồng bộ hoá thời gian trong một hệ thống DCS thì có thể chọn một trạm vận hành làm theo hệ quy chiếu, tất cả các trạm khác nối với Bus hệ thống được đồng bộ hoá theo trạm nay thông qua các thông báo gửi đồng loạt

Tính sẵn sàng và độ tin cậy của hệ thống

Tính sẵn sàng và độ tin cậy của hệ thống DCS phụ thuộc vào độ tin cậy của từng thiết bị, cấu trúc hệ thống, hệ thống truyền thông, khả năng dự phòng, cơ chế an toàn bảo mật, Để đảm bảo tính sẵn sàng và độ tin cậy cao yêu cầu :

- Dự phòng hoàn toàn các thành phần quan trọng như CPU, trạm điều khiển,

- Bảo mật theo trạm hoặc người sử dụng

- Bảo trì, chỉ thị, chuẩn đoán tốt

Hệ thống DCS có tính sẵn sàng cao thông qua khả năng dự phòng tích hợp, có thể lựa chọn dự phòng từng thành phần Do có tính sẵn sàng và phương pháp giao tiếp số, kiến trúc xử lý phân tán, phầm mềm đóng gói, phần cứng được chuẩn hoá theo các tiêu chuẩn công nghiệp, độ tích hợp cáo giữa phần cứng và phàn mềm là các yếu tố giúp DCS có độ tin cậy cao

2.4 Tổng quan kiến trúc hệ thống điều kiển PCS7

Hình 2.6: Sơ đồ tổng quan kiến trúc hệ thống PCS7

PCS7 là hệ thống điều khiển quá trình cho toàn nhà máy, thuộc họ SIMATIC PCS7 sử dụng các thành phần chuẩn của Siemens, đồng thời mở rộng chức năng để thực hiện các tính năng cần thiết trong điều khiển phân tán từ vấn đề kỹ thuật cho đến giao diện Người-Máy PCS7 có tính linh hoạt cao do các thành phần trên cùng một chuẩn SIMATIC, cùng chung cơ sở dữ liệu, đơn giản trong kiểm tra và sử dụng,

có tính mở với giao diện mở đa dạng, cho phép kết nối đơn giản, thậm chí với cả những thiết bị của các hãng khác mà không cần các thiết bị kết nối chuyên dụng đắt tiền

Hệ thống bao gồm các thành phần cơ bản sau:

• Trạm kỹ thuật: IPC và OS Engineering

• Các trạm vận hành: IPC và OS Software

• Các trạm điều khiển: SIMATIC S7-400

• Vào/ra phân tán: ET200M và S7-300 I/O Module

• Bus trường: PROFIBUS

• Bus hệ thống: Industrial Ethernet, Fast Ethernet

• Các trạm BATCH/IT: IPC và phần mềm bổ sung

Các đặc tính cơ bản của hệ thống PCS7:

• Tích hợp các thiết bị tự động hóa thuộc họ Simatic và từ các nhà cung cấp khác

• Kiến trúc nhiều người sử dụng

• Truyền thông thông suốt từ cấp thấp tới cấp cao

• Tích hợp khả năng cấu hình hệ thống và lập trình

• Tích hợp khả năng quản lý dữ liệu: (SAP R/3, Gensym)

• Công cụ lập trình chuẩn hóa

• Khả năng dự phòng, độ tin cậy cao

• Thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi độ tin cậy cao

• Có thể áp dụng cho các hệ thống qui mô khác nhau (từ 50 tới 18.000 điểm vào/ra)

Do những tính năng trên PCS7 phù hợp với mọi yêu cầu từ những ứng dụng nhỏ đến những nhà máy lớn, đáp ứng mọi quy mô của các nhà máy, phù hợp với quá trình tiêu chuẩn hoá tại nơi sản xuất

2.5 Các thành phần của hệ PCS7

2.5.1 Trạm kỹ thuật (ES)

Trạm kỹ thuật là nơi cài đặt các công cụ phát triển, cho phép đặt cấu hình cho

hệ thống, tạo và theo dõi các chương trình ứng dụng điều khiển và giao diện người máy, đặt cấu hình và tham số hoá các các thiết bị trường Việc tạo ứng dụng điều khiển hầu hết được thực hiện theo phương pháp khai báo, đặt tham số

và ghép nối các khối chức năng có sẵn trong thư viện Cũng như các trạm vận hành, thiết bị sử dụng thông thường là các máy tính các nhân (công nghiệp) chạy trên nền Windows XP, 2003 server hoặc 2008 Server

Một số đăc tính tiêu biểu của các công cụ phát triển trạm kỹ thuật là:

- Các công cụ phát triển được tích hợp sẵn trong hệ thống

- Công việc phát triển không yêu cầu có phần cứng DCS tại chỗ

- Các ngôn ngữ lập trình thông dụng là: FBD, CFC, SFC

- Một dự án có thể do nhiều người cùng phối hợp phát triển song song

- Giao diện với các hệ thống cấp trên (CAD/CAM, MES, PPS, ERP, )

PCS7 cung cấp một hệ thống kỹ thuật trọn vẹn để cấu hình các hệ điều khiển quá trình Hệ thống kỹ thuật được thiết kế linh hoạt để có thể sử dụng phù hợp cho mọi loại dự án với quy mô khác nhau, cho phép thiết lập cấu hình hệ điều khiển quá trình và xử lí các project của nhà máy trên diện rộng Có thể dùng cùng những công cụ trong cơ sở dữ liệu của project cho tất cả các giai đoạn từ thiết lập cấu hình nhà máy cho đến hoạt động giám sát, trong đó có thể sử dụng lại các khối hàm sẵn

có, các project, các công thức chuẩn

Hình 2.7: Các công cụ kỹ thuật của hệ PCS7

PCS7 sử dụng rất nhiều các công cụ mềm để thực hiện cấu hình nhà máy từ cấp thấp tới cấp cao, kể cả mạng truyền thông giữa các phần tử

• HW Config: Sử dụng để cấu hình mạng, truyền thông, phần cứng thiết bị

• NETPRO: Cho phép thiết lập đồ họa truyền thông giữa các phần tử

• S7-SCL (Structured Control Language): Ngôn ngữ điều khiển bậc cao, cho

• WinCC (Window Control Center): Công cụ xây dựng giao diện vận hành

• DOCPRO: Công cụ lưu trữ và quản lý dữ liệu Project

• IEA (Import/Export Assistant): Công cụ sử dụng trong trao đổi dữ liệu hai chiều

• PDM (Process Device Manager): Công cụ cấu hình các thiết bị trường

• F-Tool: Công cụ kỹ thuật cho các hệ thống Failsafe

• Libraries: Chứa các khối hàm, các project, các công thức chuẩn, có thể được sử dụng lại trong tất cả các dự án

2.5.2 Trạm vận hành (OS)

Trạm vận hành thực hiện chức năng giao diện người/máy, hiển thị các thông tin của

hệ thống Trạm vận hành và trạm kỹ thuật được đặt tại phòng điều khiển trung tâm Các trạm vận hành có thể hoạt động song song, độc lập với nhau Để tiện cho việc vận hành hệ thống, người ta thường sắp xếp mỗi trạm vận hành tương ứng với một phận đoạn hoặc một phân xưởng Tuy nhiên, các phần mềm chạy trên tất cả các trạm hoàn toàn giống nhau, vì thế trong trường hợp cần thiết mỗi

trạm đều có thể chạy thay thết chức năng của các trạm khác

Các chức năng tiêu biểu của một trạm vận hành gồm có:

- Hiển thị hình ảnh quá trình : hình ảnh tổng quan, hình ảnh nhóm, hình ảnh từng mạch vòng, hình ảnh điều khiển trình tự, các đồ thị thời gian thực và quá khứ

- Hiển thị hình ảnh đồ hoạ tự do: lưu đồ công nghệ, các phím điều khiển

- Hỗ trợ vận hành hệ thống qua các công cụ thao tác tiêu biểu, các hệ thống hướng dẫn chỉ đạo và hướng dẫn trợ giúp

- Tạo và quản lý các công thức điều khiển (cho điều khiển mẻ)

- Xử lý các sự kiện sự cố

- Xử lý, lưu trữ và quản lý dữ liệu

- Chẩn đoán hệ thống, hỗ trợ người vận hành và bảo trì hệ thống

- Hỗ trợ lập báo cáo tự động

Hệ thống giao diện vận hành trong PCS7 dựa trên WinCC Các chức năng điều khiển quá trình được thêm vào để sử dụng trong điều khiển tại cấp nhà máy Hệ thống giao diện vận hành trong SIMATIC-PCS7 được gọi là các trạm vận hành OS Một số trung tâm vận hành sau có thể sử dụng để điều khiển cục bộ hoặc điều khiển trung tâm như hệ thống độc lập hoặc hệ thống nhiều người sử dụng Trạm vận hành cho phép phát triển và mở rộng trên một cấu hình sẵn có với một vài hệ thống độc lập đến giải pháp nhiều người sử dụng Cả dữ liệu cấu hình và phân cấp được lưu trữ trong một cơ sở dữ liệu liên hệ và có thể đọc bằng cách sử dụng ODBC hoặc SQL, điều này có nghĩa là nhiều chương trình ứng dụng chạy song song với có thể đọc dữ liệu từ OS Trạm vận hành PCS7 chạy trên nền Win NT 4.0, nó cho phép thiết lập cấu hình trực tuyến mà không cần ngắt quá trình hoạt động

• Hệ thống độc lập

Là một hệ thống được nối vào hệ thống bus nhờ giao diện CP, nhiều hệ thống độc lập cũng có thể hoạt động đồng thời trên một kênh vận hành, mỗi trạm vận hành làm việc độc lập, việc thêm các hệ thống độc lập khác nhau không ảnh hưởng gì

• Hệ thống nhiều người sử dụng

Hệ thống có nhiều trạm vận hành ( OS Client) được cấp dữ liệu từ một trạm

OS Server, quá trình vận hành và mô phỏng được thực hiện trên các OS Client còn OS Server chịu trách nhiệm truyền thông giữa các PLC và quản lí

dữ liệu Hệ thống nhiều người sử dụng đem lại cấu trúc linh hoạt giảm chi phí, dựa trên nguyên lí Client- Server, có thể thiết lập các cấu trúc như Client hoặc nhiều Client

Trạm OS cho phép thiết lập cấu hình cho màn hình làm việc tại khu vực, thể hiện quá trình dưới dạng đồ hoạ, giám sát nhà máy dưới dạng hình ảnh, các dạng thông báo, truy cập theo phân cấp hình ảnh Ngoài ra cho phép thiết lập quyền truy cập, theo dõi các khu vực, các đặc điểm đó

2.5.3 Truyền thông giữa các phần tử trong hệ thống

Hệ thống BUS là hệ thống không thể thiếu được với các hệ điều khiển đặc biệt

là điều khiển phân tán Hệ thống bus chia làm hai loại chính là:

- Bus hệ thống có chức năng nối mạng các trạm điều khiển cục bộ với nhau

Chuẩn giao diện OPC (Object linking and embedding for Process Control)

OPC là chuẩn giao diện được dựa trên mô hình đối tượng thành phần (D)COM OPC định nghĩa một số giao diện cho khai thác dữ liệu từ các quá trình kĩ thuật tạo

cơ sở cho việc xây dựng các ứng dụng điều khiển phân tán mà không phụ thuộc vào mạng công nghiệp cụ thể Với mục đích là nhằm thay thế cho các phần mềm kết nối, OPC qui định một số giao diện chuẩn cho các chức năng như :

- Khai thác, truy nhập dữ liệu quá trình từ nhiều nguồn khác nhau như : PLC, thiết bị trường, Bus trường, cơ sở dữ liệu,

- Xử lý sự kiện và sự cố

- Truy nhập dữ liệu quá khứ

Phần cơ bản của OPC là một chương trình phần mềm phục vụ gọi là OPC-server, trong đó chứa các mục dữ liệu (OPC-Item) được tổ chức thành các nhóm (OPC-Group) Thông thường một OPC-server đại diện một thiết bị thu thập dữ liệu như PLC hoặc một cấu hình mạng truyền thông Các OPC-Item đại diện cho biến quá trình, tham số diều khiển,

Hai thành phần đối tượng quan trọng nhẩt trong kiến trúc của OPC là server và OPC-Group OPC-Server có nhiệm vụ quản lý việc sử dụng và khai thác

OPC-dữ liệu Các đối tượng của OPC-Group có chức năng tổ chức các phần tử OPC-dữ liệu thành từng nhóm để tiện cho truy cập Thông thường mỗi Item tương ứng với một biến trong quá trình công nghệ hay một thiết bị điều khiển

Hệ thống SIMATIC NET có các loại hệ thống BUS sau

• Profibus

Profibus được thiết lập theo phương pháp hệ truyền thông mở, không phụ thuộc vào ngành chế tạo để phục vụ cho các cấp phân xưởng và cấp trường Profibus là hệ thống Bus nhiều chủ cho phép các thiết bị vào/ra phân tán Trạm chủ được quyền kiểm soát truyền thông trrên Bus Các trạm tớ là các Module vào ra phân tán hoặc trực tiếp từ các thiết bị trường thông minh Các trạm tớ không được phép gửi mà chưa được xác nhận hoặc trả lời các yêu cầu từ trạm chủ Profibus gồm 3 loại là :

- Profibus-DP (Ditributed Peripheral) phục vụ cho việc trao đổi một lượng dữ liệu có dung lượng thông tin nhỏ, nhưng đòi hỏi tốc độ truyền thông nhanh

và tuần hoàn

- Profibus-FMS (Fieldbus message specificating) là Bus dùng để trao đổi lượng dữ liệu có dung lượng trung bình giữa các thành viên bình đẳng với nhau trong mạng

- Profibus-PA được thiết kế để sử dụng cho những môi trường có tính cháy nổ cao

Trong các loại trên thì Profibus-DP và PA được sử dụng phổ biến Hai phương pháp truy nhập bus có thể áp dụng độc lập hoặc kết hợp là Token-Passing và Master/Slave

• Mạng Ethernet

Ethernet là kiểu mạng cục bộ (LAN) được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay để ứng dụng trong mạng văn phòng cũng như đóng vai trò là Bus hệ thống trong các ứng dụng điều kiển Ethernet có các đặc điểm sau :

- Thực hiện giao thức truyền thông kiểu TCP/IP, tuy nhiên mỗi nhà cung cấp

có thể thực hiện giao thức riêng hoặc theo chuẩn quốc tế cho giải pháp của mình

- Có khả năng phát hiện ra lỗi xung đột và lỗi khung

- Có khả năng kết hợp giữa Bus trường khi ghép nối cấp dưới và Ethernet khi ghép nối với cấp phía trên tạo ra các giải pháp truyền thông tin thông suốt cho hệ thống

- Có cơ chế xác nhận thông tin, gửi lại dữ liệu và kiểm soát luồng thông tin do

đó làm tăng độ tin cậy cũng như tính năng thời gian thực của hệ thống

- Có tốc độ truyền tải thông tin nhanh Tốc độ tối thiểu theo chuẩn Ethernet là