Bài tập lớn Nhà máy xi măng

DCS là viết tắt của Hệ thống điều khiển phân tán Distributed Control System,thường được sử dụng trong các quá trình, hệ thống sản xuất và các hệ thống độngdynamic system, trong đó các ph

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DÂY CHUYỀN

SẢN XUẤT XI MĂNG VCM

Nội dung:

1 Mô tả dây chuyền công nghệ sản xuất xi măng của công ty

2 Nghiên cứu cấu hình hệ thống điều khiển DCS của dây chuyền sản xuất ximăng:

 Mô tả cấu hình hệ thống DCS

 Trình bày chức năng của các khâu trong hệ thống

3 Nghiên cứu bộ điều khiển PLC chính của dây chuyền sản xuất:

 Giới thiệu chung

 Đặc tính kỹ thuật phần cứng: CPU, I/O, ghép nối truyền thông

 Phần mềm lập trình

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 3

I Tổng quan về công ty cô phần xây dựng Việt Nam (VCM) 3

1 Giới thiệu chung 3

2 Sản phầm chính của công ty 4

II MÔ TẢ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT XI MĂNG CỦA CÔNG TY 4

III HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DCS CỦA DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT 7

1 DCS là gì? 7

2 Hệ thống điều khiển DCS của dây chuyền sản xuất xi măng VCM 12

IV BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC CHÍNH CỦA DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT 14

1 Giới thiệu chung về PLC S7-400 14

2 Đặc tính kỹ thuật của PLC S7-400 15

2.1 Trung tâm xử lý CPU 15

2.2 Module vào ra I/O 17

2.3 Truyền thông của PLC S7-400 19

a)Giao diện MPI 19

b)Giao diện PROFIBUS-DP 20

c) Profinet 20

KẾT LUẬN 22

LỜI MỞ ĐẦU

Sản xuất xi măng là ngành công nghiệp cơ bản và có vai trò quan trọng trong nềnkinh tế quốc dân Trong nhà máy xi măng, hệ thống điều khiển quá trình sản xuất gắn liềnvới kiến thức chuyên ngành của sinh viên Kỹ thuật Điều khiển - Tự động hóa Trên cơ sở

đó, trong khuôn khổ học phần “Hệ thống tự động hóa nhà máy xi măng”, dưới sự hướng

dẫn của TS Nguyễn Mạnh Tiến, em thực hiện Bài tập lớn với đề tài: Nghiên cứu hệ

thống điều khiển dây chuyển sản xuất xi măng VCM.

Nội dung chính của đề tài bao gồm:

I Tổng quan về công ty cổ phần xây dựng Việt Nam (VCM).

II Mô tả dây chuyền công nghệ sản xuất xi măng của công ty xi măng VCM III Hệ thống điều khiển DCS của dây chuyền sản xuất xi măng.

IV Bộ điều khiển (PLC) chính của dây chuyền sản xuất.

Do hạn chế về kiến thức và năng lực tìm hiểu, bản báo cáo của em còn nhiều thiếusót Em rất mong nhận được sự góp ý của thầy và các bạn để nội dung bản báo cáo đượcđầy đủ và chính xác hơn

Sinh viên thực hiện

I Tổng quan về công ty cô phần xây dựng Việt Nam (VCM)

1 Giới thiệu chung

Công ty TNHH Vật liệu xây dựng Việt Nam (VCM) thành lập năm 2008, là công ty cổ phần chuyên sản xuất xi măng sống và xi măng, kinh doanh vật liệu xây dựng, nguyên liệu cho sản xuất xi măng sống và xi măng, sản xuất điện từ các nhà máy quay gió.

Công ty đặt tại Thôn Xuân Hạ, xã Văn Hóa, huyện Tuyên Hóa, tỉnh Quảng Bình, có diện tích khoảng 148.2 ha, với tổng mức đầu tư 5.200 tỉ đồng Năng lực sản xuất là 1.6 triệu tấn clinker/năm và đã được đưa vào vận hành thương mại từ tháng 10/2013.

Hình 1.1: Nhà máy xi măng VCM.

2. Sản phầm chính của công ty

 Clinker CPC50: Được sản xuất dựa trên công nghệ tiên tiến đạt chất lượng cao để sử dụng trong việc sản xuất xi măng dân dụng và công nghiệp.

công trình công nghiệp yêu cầu cường độ cao, đông kết nhanh.

dân dụng.

II MÔ TẢ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT XI MĂNG CỦA CÔNG TY

Những công đoạn cơ bản của một dây chuyền sản xuất xi măng:

Hình 2.1: Sơ đồ khối dây chuyền sản xuất xi măng

Hiện nay có 2 phương pháp sản xuất xi măng: sản xuất theo phương pháp ướt vàsản xuất theo phương pháp khô:

Phương pháp ướt:

Phối liệu được nghiền ướt thành dạng bùn past (độ ẩm tới 45%) và đưa vào lòquay Dùng phương pháp ướt khi nguyên liệu xốp mềm, dễ hòa tan vào nước hoặc độ

ẩm thiên nhiên lớn

Ưu điểm:

- Dễ nghiền, tốn ít điện năng

- Dễ nhào trộn đồng nhất

- Dễ điều chỉnh các thành phần phối liệu

- Dễ bơm, ít bay bụi sạch sẽ hơn phương pháp khô

Các công đoạn chính trong sản xuất xi măng:

Hình 2.2: Các công đoạn sản xuất xi măng

 Chuẩn bị nguyên liệu:

Đá vôi: được khai thác bằng phương pháp khoan nổ, cắt tầng theo đúng quy định

và quy hoạch khái thác, sau đó được xúc và vạn chuyển đến máy đập bằng cát thiết bịvận chuyển Tại đây đá vôi được đập nhỏ thành đá dăm cỡ 25 x 25

Đá sét: được khai thác bằng phương pháp cày ủi hoặc khoan nổ mìn Sau đó đượcbốc xúc và vận chuyển bằng các thiết bị vận tải đến máy nghiền Đá sét được đập đểkích thước xuống khoảng 25mm

Cả đá vôi và đá sét sau khi được đập thô được vận chuyển bằng băng tải về khođồng nhất sơ bộ, rải thành những đống riêng biệt Để đảm bảo thành phần hóa họccũng như chất lượng của xi măng, các loại nguyên liệu cần thiết khác như phụ gia,quặng sắt, thạch cao cũng được nghiền và rải thành đốnng riêng biệt trong kho đồngnhất sơ bộ

 Nghiền nguyên liệu

Đá vôi, đá sét và phụ gia được cấp vào máy nghiền qua hệ thống cân DOSIMAT

và cân băng điện tử Các bộ điều khiển tự động khống chế tỷ lệ của đá vôi, đá sét, bôxít và quặng sắt cấp vào máy nghiền được điều khiển bằng máy tính thông qua các sốliệu phân tích của hệ thống QCX, đảm bảo khống chế các hệ số theo yêu cầu Bột liệusau khi nghiền được đưa đến các xilo đồng nhất bằng hệ thống gầu nâng, máy khíđộng

 Lò nung

Nguyên liệu từ xilô đồng nhất được đưa lên tháp trao đổi nhiệt (tháp 4 hoặc 5tầng) có hệ thống tiền nung (canxiner) Ở tháp trao đổi nhiệt, nguyên liệu được sấykhô bằng gió nóng đưa lên từ khâu làm lạnh (gió 3) Trước khi đưa vào lò nung,nguyên liệu được đưa đến vùng canxiner Tại đây xảy ra các quá trình sinh hóa, canxihóa 90 đến 95% nguyên liệu trước khi vào lò quay Đầu ra của lò quay là clinker ởnhiệt độ cao (khoảng 1400 độ C) Clinker được đưa đến khâu làm nguội để giảm nhiệt

độ xuống khoảng 80 đến 100 độ C trước khi cho vào các xi lô chứa Hiện nay có 3công nghệ làm nguội là: làm nguội kiểu hành tinh, kiểu roto và kiểu ghi Clinker sảnxuất ra có thể được sử dụng để nghiền xi măng hoặc có thể được bán luôn

 Nghiền xi măng

Clinker từ các xi lô, thạch cao và phụ gia từ kho chứa tổng hợp được vận chuyểnlên két máy nghiền bằng hệ thống băng tải và gầu nâng Clinker, thạch cao, phụ giacấp vào máy nghiền được định lượng bằng hệ thống cân DOSIMAT để bảm bảo chấtlượng xi măng theo yêu cầu

DCS là viết tắt của Hệ thống điều khiển phân tán (Distributed Control System),thường được sử dụng trong các quá trình, hệ thống sản xuất và các hệ thống động(dynamic system), trong đó các phần tử điều khiển không được đặt ở vị trí trung tâm,nhưng mỗi một hệ thống con được điều khiển bằng một hoặc nhiều bộ điều khiểntrong toàn bộ hệ thống Toàn bộ hệ thống điều khiển được nối mạng để giao tiếp, điềukhiển và giám sát Một hệ thống DCS tiêu biểu gồm có bộ vi xử lý được thiết kế tùybiến như các bộ điều khiển, kết nối vật lý và giao thức giao tiếp riêng Module đầuvào và đầu ra tạo nên các thành phần của DCS Bộ vi xử lý nhận thông tin từ moduleđầu vào và gửi thông tin đến module đầu ra Hệ thống điều khiển phân tán DCS là hệthống chuyên dụng được dùng để điều khiển các quá trình sản xuất liên tục hoặc theo

mẻ (Batch- oriented) như trong lọc dầu, hóa dầu, trạm phát điện trung tâm, dượcphẩm, sản xuất thức ăn, nước uống, sản xuất xi măng, sản xuất thép và sản xuất giấy

Sơ đồ phân cấp của hệ thống tự động hóa:

Trên sơ đồ phân cấp chức năng ta thấy, một hệ thống điều khiển giám sát gồm có 5cấp:

Hình 3.1: Sơ đồ phân cấp chức năng.

Cơ cấu chấp hành và cảm biến: Chức năng chính của cấp này là đo lường, truyền

động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết Trong thực tế các thiết bị cảmbiến và cơ cấu chấp hành cũng có phần điều khiển riêng cho việc thực hiện đo lường,

truyền động chính xác và nhanh nhạy Các thiết bị đo thông minh cũng có thể xử lýthông tin trước khi đưa lên câp trên.

Cấp điều khiển: Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin từ cảm biến,

xử lý các thông tin theo một thuật toán nhất định và truyền đạt lại kết quả xuống cơcấu chấp hành Cấp điều khiển thực hiện việc điều khiển quá trình công nghệ, thiết bịđiều khiển có thể là bộ điều khiển PLC, máy tính PC công nghiệp

Cấp điều khiển giám sát: Cấp điều khiển giám sát có chức năng giám sát và vận

hành một quá trình kỹ thuật Nhiệm vụ của cấp điều khiển giám sát là hỗ trợ người sửdụng trong cài đặt ứng dụng, thao tác, theo dõi, giám sát vận hành và xử lý những tìnhhuống bất thường

Cấu hình cơ bản của một hệ thống điều khiển phân tán (DCS) gồm:

- Trạm điều khiển cục bộ (Local Control Station, LCS) còn có thể gọi là khốiđiều khiển cục bộ (Local Control Unit) hay trạm quá trình (Process Station)

- Trạm vận hành (Operator Station, OS)

- Trạm kỹ thuật (Engineering Station, ES)

- Hệ thống truyền thông (field bus, system bus)

Hình 3.2: Trạm điều khiển cục bộ LCS

Trạm điều khiển cục bộ thuộc cấp điều khiển, là thực hiện mọi chức năng điềukhiển cho một công đoạn Các trạm điều khiển cục bộ thường được đặt trong phòngđiều khiển hoặc phòng điện ở bên cạnh phòng điều khiển trung tâm hoặc rải rác gầnkhu vực hiện trường

Các chức năng do trạm điều khiển cục bộ bao gồm:

 Điều khiển quá trình (process control): Điều khiển các mạch vòng kín.Hầu hết các mạch vòng đơn được được điều khiển trên cơ sở luật PID,giải quyết bài toán điều khiển điều chỉnh, điều khiển tỉ lệ, điều khiểntầng Các hệ thống hiện đại cho phép điều khiển mờ, điều khiển dựa môhình, điều khiển thích nghi

 Điều khiển trình tự (sequential control, sequence control)

 Điều khiển logic

 Thực hiện các công thức

 Đặt các tín hiệu đầu ra về trạng thái an toàn trong trường hợp có sự cố

 Lưu trữ tạm thời các tín hiệu quá trình trong trường hợp mất liên lạc vớitrạm vận hành

 Nhận biết các trường hợp vượt ngưỡng giá trị và tạo các thông báo báođộng

Bất kỳ chủng loại thiết bị nào được sử dụng, các yêu cầu quan trọng nhất về mặt

kỹ thuật cho một trạm điều khiển cục bộ là:

 Tính năng thời thực

 Độ tin cậy và tính sẵn sàng

 Lập trình thuận tiện, cho phép sử dụng và cài đặt các thuật toán cao cấp

 Khả năng điều khiển lai (liên tục, trình tự và logic)

Trạm vận hành OS

Trạm vận hành và trạm kỹ thuật thuộc cấp điều khiển giám sát, các trạm này đượcđặt 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 hànhtương ứng với một phân đoạn hoặc một phân xưởng Tuy nhiên phần mềm chạy trêncác trạm đều giống nhau nên trong trường hợp cần thiết các trạm có thể thay thế chứcnăng của nhau

Các chức năng tiêu biểu của trạm vận hành:

 Hiển thị các hình ảnh chuẩn (hình ảnh tổng quan, hình ảnh nhóm, hìnhảnh từng mạch vòng, hình ảnh điều khiển trình tự, các đồ thị thời gianthực và đồ thị quá khứ).

 Hiển thị các hình ảnh đồ họa tự do (lưu đồ công nghệ, các phím điềukhiển)

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

 Tạo và quản lý các công thức điều khiển

 Xử lý các sự kiện, sự cố

 Xử lý, lưu trữ và quản lý dữ liệu

 Chuẩn đoán hệ thống, hỗ trợ người vận hành và bảo trì hệ thống

 Hỗ trợ lập báo cáo tự động

Trạm kỹ thuật ES

Trạm kỹ thuật là nơi đặt các công cụ phát triển, cho phép đặt cấu hình cho hệthống, tạo và theo dõi các chương trình ứng dụng điều khiển và giao diện người máy,đặt cấu hình và tham số hóa các thiết bị trường

Bus trường

Khi sử dụng cấu trúc vào/ra phân tán, các trạm điều khiển cục bộ sẽ được bổ sungcác module giao diện bus để nối với các trạm vào/ ra từ xa (remote I/O station ) vàmột số thiết bị trường thông minh

Các yêu cầu chung đặt ra với bus trường là tính năng thời gian thực, mức độ đơngiản và giá thành thấp

Các loại bus trường được hỗ trợ mạnh là Profibus – DP, Foundation Feildbus,DeviceNet và AS - I Trong môi trường nguy hiểm, đòi hỏi độ an toàn cháy nổ người

ta sử dụng profibus – PA Đặc điểm profibus là số lượng thông tin ít và tốc độ xử lýnhanh

Hình 3.3: Bus trường và các trạm vào ra từ xa Bus hệ thống

Bus hệ thống có chức năng nối mạng các trạm điều khiển cục bộ với nhau và vớicác trạm vận hành và trạm kỹ thuật Trong đa số các hệ thống ứng dụng, người ta lựachọn cấu hình có dự phòng cho bus hệ thống

Các hệ thống mạng được sử dụng nhiều nhất là: Ethernet, Profibus – FMS vàControlNet

Hình 3.4: Bus hệ thống

Đặc điểm trao đổi thông tin trong bus hệ thống là lưu lượng thông tin lớn, vì vậytốc độ đường truyền phải cao Tính năng thời gian thực cũng là yêu cầu đặt ra nhưngkhông nghiêm ngặt như bus trường.

2 Hệ thống điều khiển DCS của dây chuyền sản xuất xi măng VCM

Hình 3.5: Hệ thống điều khiển DCS.

Toàn bộ quá trình sản xuất của nhà máy xi măng VCM được thực hiện tự động hóa

ở mức độ cao Phòng điều khiển trung tâm CCR (Central Control Room) kiểm soáttoàn bộ hoạt động của nhà máy đồng thời cho phép điều chỉnh kịp thời các thông sốkhi chất lượng của sản phẩm thay đổi hoặc khi có sự cố bất thường xảy ra

Nhìn từ cấp trường ta thấy, quá trình sản xuất được chia thành 5 công đoạn ứngvới 5 trạm trường khác nhau, mỗi công đoạn được điều khiểm và giám sát bởi 1 trạmvận hành đặt tại phòng điều khiển trung tâm (CCR)

Các trạm trường của nhà máy xi măng VCM:

 Limestone crushing & conveying

 Raw material crushing & conveying and Limestone pre-blending & storage

 Raw material grinding/Waste gas treatment

 Clinker Cooling and Conveying Electric Room

 Coal grinding

Hình 3.6: Các trạm trường của nhà máy VCM.

Các thiết bị trường (thiết bị đo và cơ cấu chấp hành) sử dụng trong dây chuyền sảnxuất được đánh số thứ tự và kết nối với các vào ra thông qua Profibus DP hoặc PAtrước khi đưa tín hiệu vào bộ điều khiển (PLC) Mỗi công đoạn có thể được điềukhiển bởi một hoặc nhiều bộ điều khiển (PLC S7-400)

PLC S7-400 được nối vào các thiết bị vào ra phân tán ET 200M ET 200M với cấuhình gồm modul giao diện IM-153x, các modul tín hiệu SM và modul chức năng FM.Được kết nối mạng Profibus DP

Các thiết bị vào ra phân tán ET200M được đặt tên trên sơ đồ là FCS01, FCS02…

để phân biệt chúng ở trong từng trạm trường khác nhau

Các thiết bị vào ra phân tán ET 200M này được đưa tới các trạm điện, điều khiểncác nhiệm vụ khác nhau của từng công đoạn trong nhà máy

Hình 3.7: Cấp điều khiển và giám sát của hệ thống

Ở cấp điều khiển và giám sát của hệ thống có 6 trạm vận hành được nối đến một

bộ switch chung Mỗi trạm có chức năng điều khiển, giám sát một công đoạn Cáctrạm có thể làm việc song song, độc lập với nhau Trong trường hợp sảy ra sự cố, cáctrạm có thể làm nhiệm vụ thay nhay vì phần mềm của các trạm đều như nhau Trạm

kỹ thuật với 2 server, mục đích của việc sử dụng 2 server là để dự phòng khi có sự cốxảy ra với server còn lại

Nhà máy xi măng VCM sử dụng bộ điều khiển PLC chính cho dây chuyền sảnxuất là PLC S7-400 của hãng Siemens

1 Giới thiệu chung về PLC S7-400

Hình 4.1: PLC S7 – 400.

S7-400 là thiết bị điều khiển logic khả trình tiếp sau S7-300 được Siemens pháttriển, được dùng trong các ứng dụng và lĩnh vực lớn Hầu hết các nhiệm vụ tự độnghóa có thể thực hiện với các thành phần được lựa chọn phù hợp

PLC S7-400 có các ưu điểm vượt trội so với các bộ điều khiên logic khả trìnhtrước nó vầ cả phần cứng và phần mềm

 CPU được phân loại chuyên biệt và rõ ràng

 Tốc độ xử lý của CPU cao

 Module nhỏ gọn

 Có nhiều loại module phù hợp cho cấu hình trung tâm và cấu hình phân tán

 Các module tín hiệu có thể tháo lắp khi hệ thống đang có điện Thuận tiệnkhi thay thế các module

Thành phần cấu tạo quan trọng của S7-400 gồm:

 Thanh RACK

 Khối nguồn

 CPU

 Module tín hiệu (SM)

 Module giao tiếp (IM)

2 Đặc tính kỹ thuật của PLC S7-400

CPU là khối vi xử lý, là thành phần cơ bản của S7-400, là nơi xử lý mọi thông tincủa hệ thống, nhận thông tin đưa về sử dụng các thuật toán điều khiển để đưa ra tínhiệu phù hợp CPU là modul có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ thờigian, bộ đếm và các cổng truyền thông Trong số các trị số của bộ đếm được chứatrong bộ nhớ ứng dụng, tùy theo yêu cầu của người sử dụng mà có thể chọn các bộnhớ sau

 Bộ nhớ ROM là bộ nhớ không thể thay thế được, bộ nhớ này chỉ được nạpvào 1 lần nên nó ít được sử dụng hơn các bộ nhớ khác

 Bộ nhớ RAM là loại bộ nhớ có thể thay đổi được và được dùng để chứachương trình ứng dụng cũng như dữ liệu, dữ liệu này sẽ bị mất khi mấtđiện Nhưng có thể khắc phục bằng cách lắp pin dự phòng

 Bộ nhớ EPROM cũng như bộ nhớ ROM, nguồn nuôi cho EPROM khôngcần pin, tuy nhiên chỉ có thể xóa nội dung chứa trong EPROM bằng cáchchiếu tia cực tím vào 1 ô cửa sổ nhỏ trên EPROM và nạp lại bằng máychuyên dụng

 Bộ nhớ EEPROM là bộ nhớ thích hợp cho cả hai ưu điểm của ROM vàEPROM, bộ nhớ này có thể nạp xóa bằng tín hiệu điện Tuy nhiên số lầnnạp xóa có giới hạn

Cấu trúc cơ bản của CPU bao gồm các thành phần sau:

 Khối LED hiển thị trạng thái và lỗi

 Công tắc chọn chế độ

 Khe cắm thẻ nhớ mở rộng

 Cổng truyền thông

 Khối nguồn và pin dự phòng

CPU của PLC Siemens S7-400 được chia thành nhiều loại, phù hớp với từng ứngdụng rõ ràng Một số loại CPU của PLC S7-400:

 CPU 412-1; (6ES7412-1XF04-0AB0)