Nghiên cứu hệ thống điều khiển DCS nhà máy xi măng

bao gồm 4 chương như sau: Chương 1 : Công nghệ sản xuất xi măng Chương 2 : Hệ thống điều khiển phân tán DCS Chương 3 : Hệ thống điều khiển PCS7 của SIEMENS Chương 4 : Xây dựng hệ thống

-

TRẦN THỊ KIM BÍCH

`

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIÊU KHIỂN DCS NHÀ MÁY XI MĂNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

TRẦN THỊ KIM BÍCH

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DCS NHÀ MÁY XI MĂNG

Chuyên ngành : Điều khiển và Tự động hóa

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận văn tốt nghiệp “ Nghiên cứu hệ thống điều khiển DCS nhà máy xi măng” là do tôi tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của Thầy giáo TS Nguyễn Mạnh Tiến Bộ môn Tự động hóa XNCN – Đại học Bách Khoa Hà Nội Các số liệu và kết quả trong luận văn hoàn toàn trung thực

Học viên

Trần Thị Kim Bích

Lời nói đầu

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 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 Là một hệ điều khiển hiện đại nhất của Siemens và trên thế giới Chiếm thị phần lớn về điều khiển tự động ở Việt Nam

Luận văn “Nghiên cứu hệ thống điều khiển DCS nhà máy xi măng” bao

gồm 4 chương như sau:

Chương 1 : Công nghệ sản xuất xi măng

Chương 2 : Hệ thống điều khiển phân tán DCS

Chương 3 : Hệ thống điều khiển PCS7 của SIEMENS

Chương 4 : Xây dựng hệ thống điều khiển – giám sát cho công đoạn nghiền liệu nhà máy xi măng Thái Nguyên

Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy giáo T.s Nguyễn Mạnh Tiến 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 liệu 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 26 tháng 9 năm 2011

Học viên

Trần Thị Kim Bích

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG 7

1.1 Đặc điểm của thiết bị công nghệ 7

1.1.1 Phân loại công nghệ sản xuất xi măng 7

1.1.2 Mô tả sơ lược dây chuyền công nghệ 10

1.1.3 Các đặc điểm cơ bản của dây chuyền công nghệ sản xuất 11

1.2 Thiết bị truyền động và điều khiển chấp hành 13

1.3 Thiết bị đo lường và bảo vệ 13

1.3.1 Đo lường các đại lượng không điện 13

1.3.2 Đo lường tham số điện 17

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng xi măng 17

1.5 Các giải pháp kỹ thuật ổn định chất lượng sản phẩm 21

1.5.1 Giải pháp thiết bị công nghệ 22

1.5.2 Giải pháp điều khiển tự động 22

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN DCS 24

2.1 Mô hình phân cấp hệ thống 24

2.2 Mạng truyền thông công nghiệp 26

2.2.1 Cấu trúc mạng 26

2.2.2 Các chuẩn giao tiếp trong công nghiệp 31

2.2.3 Các loại mạng và Bus truyền thông thông dụng 32

2.2.4 Các hệ thống điều khiển trong công nghiệp 34

2.3 Hệ thống điều khiển phân tán DCS 38

2.3.1 Phân loại các hệ thống điều khiển phân tán DCS 38

2.3.2 Mô hình hệ thống điều khiển phân tán 39

CHƯƠNG 3 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PCS7 CỦA SIEMENS 47

3.1 Tổng quan kiến trúc hệ thống 47

3.2 Các thành phần của hệ PCS7 48

3.2.1 Trạm kỹ thuật (ES) 48

3.2.2 Trạm vận hành (OS) 50

3.2.3 Truyền thông giữa các phần tử trong hệ thống 51

3.2.4 Dự phòng hệ thống 52

3.2.5 Bộ điều khiển khả trình PLC 54

3.2.6 Vào ra phân tán và các thiết bị trường 54

3.2.7 Các modul chức năng 55

3.2.8 Dữ liệu trong PCS7 57

3.2.9 Xử lý các bản tin trong PCS7 59

3.2.10 Giao tiếp với các hệ thống khác 60

CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN – GIÁM SÁT CHO CÔNG ĐOẠN NGHIỀN LIỆU NHÀ MÁY XI MĂNG THÁI NGUYÊN BẰNG PCS7 62

4.1 Mô tả chung công đoạn nghiền liệu đầu vào 62

4.2 Công đoạn nghiền liệu nhà máy xi măng Thái Nguyên 63

4.3 Bảng kê và phân công các đầu vào ra 68

4.3.1 Khởi động/dừng tuần tự nhóm 311-S01 68

4.3.2 Cấp đá vôi, khoáng và quặng sắt tới các két chứa (311.S03) 69

4.3.3 Vận chuyển liệu sau nghiền tới Silo chứa (312.S04) 71

4.3.4 Hệ thống lọc bụi tĩnh điện và hồi liệu (312.S05) 72

4.3.5 Hệ thống dẫn khí (312.S06) 72

4.3.6 Cấp dầu cho hộp số 73

4.3.7 Cụm máy nghiền đứng 73

4.4 Lưu đồ điều khiển từng công đoạn 74

4.4.1 Lưu đồ điều khiển công đoạn cấp liệu két chứa đá sét (311-S01) 74

4.4.2 Lưu đồ điều khiển nhóm cấp liệu cho các két chứa quặng sắt, đá vôi và Quartzite 75

4.4.3 Lưu đồ điều khiển công đoạn vận chuyển liệu sau nghiền tới silo chứa (312.S04) 77

4.4.4 Lưu đồ điều khiển hệ thống thu hồi bụi qua lọc bụi tĩnh điện (312 S05) 77

4.4.5 Lưu đồ điều khiển hệ thống dẫn khí sấy liệu (312-S06) 78

4.4.6 Lưu đồ điều khiển công đoạn cấp dầu cho hộp số động cơ nghiền chính (312.S07) 81

4.4.7 Lưu đồ điều khiển nhóm động cơ máy nghiền 81

4.5 Xây dựng hệ điều khiển – giám sát trên nền PCS7 83

4.5.1 Cấu hình trạm vận hành 83

4.5.2 Bộ điều khiển trung tâm S7-400 83

4.5.3 Các thiết bị vào ra 84

4.6 Lập trình cho PLC và tiến hành mô phỏng 92

TÀI LIỆU THAM KHẢO 93

PHỤ LỤC 95 

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU

Hình 1.1: Quy trình sản xuất xi măng theo công nghệ khô 7

Hình 1.2 Quy trình sản xuất xi măng theo công nghệ bán khô 8

Hình 1.3 Quy trình sản xuất xi măng theo công nghệ ướt 9

Hình 1.4 Quy trình sản xuất xi măng theo công nghệ khô điển hình 11

Bảng 1.1 Một số loại cảm biến thường dung trong công nghiệp xi măng 16

Hình 1.5 Quan hệ giữa hàm lượng vôi tự do trong clinker với nhiệt độ vùng nung 20

Hình 2.1: Mô hình phân cấp chức năng của một hệ thống điều khiển và giám sát 24 Hình 2.2: Cấu trúc hình sao 28

Hình 2.3: Cấu trúc BUS 29

Hình 2.4: Cấu trúc mạch vòng 30

Hình 2.5: Cấu trúc hình cây 31

Hình 2.6: Cấu trúc điều khiển tập trung với vào ra tập trung 35

Hình 2.7: Cấu trúc điều khiển tập trung với vào ra phân tán 36

Hình 2.8: Cấu trúc điều khiển phân tán với vào ra tập trung 37

Hình 2.9: Cấu trúc điều khiển phân tán với vào ra phân tán 38

Hình 2.10: Cấu hình cơ bản của một hệ điều khiển phân tán 40

Hình3.1: Sơ đồ tổng quan kiến trúc hệ thống PCS7 47

Hình 3.2: Các công cụ kỹ thuật của hệ PCS7 49

Hình 3.3: Bus hệ thống trong PCS 7 kết nối ES, OS và PLC 52

Hình 3.4:Cấu hình dự phòng của PLC 53

Hình 3.5: Dự phòng với mạng cáp quang 53

Bảng 3.1 Các loại dữ liệu trong PCS7 sử dụng 58

Hình 3.6: Giao tiếp giữa WinCC với Hệ Tự Động Hoá 61

Hình 4.1 Sơ đồ công nghệ công đoạn nghiền liệu theo chu trình khép kín 63

Hình 4.2 Công đoạn vận chuyển liệu tới két chứa và cân băng định lượng 64

Hình 4.3 Các điểm đo và mạch vòng điều khiển trong hệ thống cân băng phối liệu 65

Hình 4.4 Công đoạn nghiền liệu 66

Hình 4.5 Các điểm đo và mạch vòng điều khiển trong công đoạn nghiền 67

Bảng 4.1 Các thiết bị điện trong nhóm 311-S01 68

Bảng 4.2 Tín hiệu số 311-S01 69

Bảng 4.3 Tín hiệu Analog 311-S01 69

Bảng 4.4 Liên động 69

Bảng 4.5 Danh sách thiết bị nhóm 311-S03 69

Bảng 4.6 Tín hiệu đo Analog 70

Bảng 4.7 Tín hiệu Digital 70

Bảng 4.8 Liên động 71

Bảng 4.9 Danh sách thiết bị nhóm 312-S04 71

Bàng 4.10 Danh sách thiết bị nhóm 312.S05 72

Bảng 4.11 Danh sách thiết bị nhóm 312-S06 72

Bảng 4.12 Danh sách thiết bị 73

Bảng 4.13 Danh sách thiết bị 73

Hình 4.6 Lưu đồ điều khiển công đoạn 311-S01 75

Hình 4.7 Lưu đồ điều khiển công đoạn 311-S03 77

Hình 4.8 Lưu đồ điều khiển công đoạn 312-S04 77

Hình 4.9 Lưu đồ điều khiển công đoạn 312-S05 78

Hình 4.10 Trình tự khởi động công đoạn 312-S06 79

Hình 4.11 Trình tự dừng công đoạn 312-S06 80

Hình 4.12 Trình tự khởi động/dừng công đoạn 312-S07 81

Hình 4.13 Trình tự khởi động/dừng công đoạn 312.S08 82

Hình 4.14 Cấu hình trạm vận hành 83

Hình 4.15 Cấu hình CPU 416-2DP 84

Hình 4.16 Cấu hình module ET-200M cho công đoạn cân băng định lượng 85

Hình 4.17 Cấu hình ET-200M cho công đoạn nghiền liệu 86

Bảng 4.18 Bảng thiết bị phần cứng sử dụng trong hệ thống 86

Hình 4.18 Cấu hình mạng truyền thông hệ thống nghiền liệu bằng công cụ NetPro 87

Hình 4.19 Cửa sổ giao diện Graphic Designer của WinCC 88

Hình 4.20 Cấu trúc cây quản lý Tag trên WinCC 89

Hình 4.21 Giao diện điều khiển – giám sát hệ thống cân băng phối liệu 90

Hình 4.22 Giao diện điều khiển – giám sát công đoạn nghiền liệu 91

Hình 4.23 Giao diện lập trình LAD và mô phỏng dùng S7-PLCSIM 92

CHƯƠNG 1 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG

1.1 Đặc điểm của thiết bị công nghệ

1.1.1 Phân loại công nghệ sản xuất xi măng

Xi măng là một sản phẩm được tạo thành nhờ nghiền mịn hỗn hợp giữa clinker, thạch cao và phụ gia Trong đó thạch cao và phụ gia (đá vôi, đá trắng, đá bazan ) là các vật liệu tự nhiên, riêng clinker là một sản phẩm trung gian được tạo

ra từ một quá trình nung luyện một loại bột cấu thành từ các nguyên liệu thô gồm:

đá vôi, đá sét, cát silic và quặng sắt

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 khu

b ấy/đồng nhất trong nước dưới dạng bùn lỏng trước khi đưa vào lò nung

c Công nghệ bán khô: hỗn hợp bột nguyên liệu được trộn ít nước và tạo

thành dạng viên trước khi đưa vào lò nung

d 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

Theo thứ tự từ trên xuống, suất tiêu hao nhiệt để sản xuất clinker của các kiểu

lò nung giảm dần từ 1500 đến 700 kcal/kg-clinker và suất tiêu hao điện năng từ 90

đến 60 kWh/T-clinker

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

• 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

Hình 1.1: Quy trình sản xuất xi măng theo công nghệ khô

khô

9 

1.1.2 Mô tả sơ lược dây chuyền công nghệ

Toàn bộ dây chuyền sản xuất xi măng điển hình có thể được phân chia làm 03

công đoạn lớn gồm có:

A Vận chuyển và nghiền nguyên liệu: Công đoạn này bao gồm tất cả các hệ

thống thiết bị khai thác, tiếp nhận, vận chuyển, máy đập và kho chứa nguyên liệu thô, hệ thống thiết bị định lượng, đồng nhất các nguyên liệu thô (Gồm 02 nguyên liệu chính là đá vôi, sét và 02 hoặc 03 nguyên liệu phụ, trong số: cát silic, bô xit, quặng sắt hay phụ gia), cuối cùng là hệ thống máy nghiền hỗn hợp thành bột liệu

mịn và đổ vào kho chứa - silô đồng nhất

B Nung clinker: Công đoạn này chủ yếu thực hiện một quá trình nung luyện

liên tục để biến đổi bột liệu thô thành clinker trong một hệ thống trao đổi nhiệt phức tạp bao gồm tháp trao đổi nhiệt nhiều tầng - lò nung - máy làm nguội clinker Đồng thời, để cấp nhiên liệu cho hệ thống nung, cần phải có một hệ thống nghiền than

thành bột than mịn và phân phối than cho các vòi đốt

C Nghiền xi măng và đóng bao: Đây là công đoạn cuối bao gồm hệ thống

định lượng (Trộn hỗn hợp clinker, thạch cao, phụ gia xi măng), hệ thống máy nghiền xi măng, hệ thống vận chuyển sản phẩm đổ vào silô Sản phẩm xi măng được phân phối theo các kênh vận chuyển xi măng rời hoặc qua hệ thống máy đóng

bao và xuất xi măng bao tuỳ theo yêu cầu của khách hàng

Ranh giới giữa các công đoạn lớn là không gian tại các kho chứa nguyên vật liệu, silô Tại đây các nguyên liệu, bán thành phẩm hay sản phẩm được lưu trữ với khối lượng lớn (Hàng chục nghìn tấn) để phục vụ đủ cho một chu kỳ sản xuất nhất định (3÷5 ngày) Dung lượng lưu trữ tại các kho được tính toán nhằm đảm bảo cho toàn bộ dây chuyền vận hành liên tục ổn định ở công suất thiết kế với tổng thời gian vận hành đến khoảng 315 ngày/năm Các công đoạn lớn hoạt động tương đối độc

lập và có những yêu cầu khác biệt rõ rệt về vận hành và điều khiển

Từng công đoạn lớn được chia thành một số công đoạn nhỏ, tổ chức theo chức

năng công nghệ cụ thể

1/ Khai thác nguyên liệu thô; 2/ Các máy búa; 3/ Đồng nhất liệu thô; 4/ Vận chuyển

liệu; 5/ Phối liệu đầu vào; 6/ Ống khói; 7/ Lọc bụi; 8/ Máy nghiền; 9/ Silo chứa

liệu; 10/ Gas conditioning tower; 11/ Lọc bụi; 13/ Tiền nung; 14/ Than; 15/ Máy

nghiền than; 16/ Lọc bụi nghiền than; 17/ Quạt gió; 18/ Lọc bụi lò nung; 19/ Làm

mát clinke; 20/ Lò quay; 21/ Silo clinke; 22/ Thạch cao; 23/ Khoáng; 24/ Phân ly;

25/ Nghiền xi; 26/ Lọc bụi nghiền xi; 27/ Đóng bao; 28/ Xuất xi;

Hình 1.4 Quy trình sản xuất xi măng theo công nghệ khô điển hình

1.1.3 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

1.2 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

1.3 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 2 loại cơ bản như sau:

1.3.1 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 thường sử dụng trong công nghệ sản xuất xi măng được liệt kê

trong Bảng 1.1

• Chức năng: Các sensơ thực hiện một chức năng cơ bản là biến đổi tham số không điện cần đo thành tín hiệu điện Tín hiệu đầu ra của các phần tử thụ cảm thường là dạng nguồn dòng (4÷20mA, 0÷20mA) hoặc dạng nguồn áp (0÷10V,

0÷5V …) tuỳ thuộc cấu tạo của đầu đo

• Cấu tạo: Các sensơ hầu hết được chế tạo liền khối gồm khâu thụ cảm và khâu chuyển đổi chuẩn hoá tín hiệu Một số thiết bị đo thông minh có trang bị bộ vi xử

lý tín hiệu và bộ chỉ thị số Riêng sensơ đo nhiệt độ kiểu cặp nhiệt và nhiệt điện trở

thì có khâu thụ cảm và khâu chuyển đổi-chuẩn hoá tín hiệu được lắp riêng

™ Một số thiết bị đo lường công nghiệp chuyên dùng trong sản xuất xi măng

• Thiết bị phân tích thành phần khí:

- 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 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

ra là nguồn áp 0 ÷50 mV

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

thiết bị làm nguội clinker

• Đo áp suất:

- Chức năng: Đo lường áp suất bên trong các tầng của hệ thống nung cliker

phục vụ việc điều chỉnh chế độ đốt

- Cơ cấu đo lường: Cảm biến kiểu điện dung biến đổi

- 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

Bảng 1.1 Một số loại cảm biến thường dung trong công nghiệp xi măng

Tên thiết bị Nguyên lý làm việc

Đo lường điều khiển công nghệ:

Tín hiệu Analog:

Phân tích thành phần khí Cảm biến thuận từ Pyrometer-Camera tiếp Bức xạ hồng ngoại trực Quét nhiệt độ vỏ lò tiếp Bức xạ hồng ngoại trực

Đo nhiệt độ cao Cặp nhiệt (Platin-Rodi)

Đo nhiệt độ thấp Nhiệt điện trở (PT100)

Đo vị trí góc mở Điện thế kế điện trở

Đo năng suất máy nghiền bi Cảm biến sóng âm thanh

Tín hiệu digital:

Giám sát chuyển động Từ trở biến đổi

Công tắc giới hạn mức Điện dung; dao động Công tắc hành trình, chỉ thị vị trí Từ trở biến đổi

Công tắc áp suất, lưu lượng Cơ điện

Công tắc bảo vệ băng tải Cơ điện

Đo lường điều khiển thiết bị điện:

Tín hiệu analog:

Đo công suất tác dụng Điện tử số

Đo công suất phản kháng Điện tử số

Tín hiệu digital:

Giám sát trạng thái máy cắt Rơ le vi mạch điện tử Giám sát trạng thái vận hành động cơ Rơ le vi mạch điện tử

Giám sát trạng thái thiết bị biến tần Rơ le vi mạch điện tử

1.3.2 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, sử dụng kỹ thuật vi xử lý và tích hợp màn hình hiển thị số

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

Hình 1.5 Quan hệ giữa hàm lượng vôi tự do trong clinker với nhiệt độ vùng nung

• 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

Lò vận hành không ổn định Vùng ổn định

Bột liệu “B”

Bột liệu “A”

Vùng Chất lượng

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 clinker 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 clinker thực tế, muốn tăng tỷ lệ phụ gia khoáng thì nhất thiết phải nâng cao chất lượng clinker, 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…), 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

Chiến lược của giải pháp thiết bị hay giải pháp cơ khí đó là việc thiết kế và sử dụng các hệ thống các thiết bị máy móc có tính năng đồng nhất/trộn đều ở mức tối

ưu dòng vật liệu lưu chuyển liên tục trên dây chuyền, trong chu kỳ sản xuất

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: 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: 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 hệ thống 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 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN DCS

2.1 Mô hình phân cấp hệ thống

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

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

Càng ở cấp dưới thì các chức năng càng mang tính chất cơ bản hơn và đòi hỏi yêu cầu cao hơn về tốc độ đáp ứng hay tính thời gian thực Một chức năng ở cấp trên được thực hiện dựa trên các chức năng cấp dưới, tuy không đòi hỏi thời gian phản ứng nhanh như ở cấp dưới, nhưng ngược lại lượng thông tin cần trao đổi và xử lý lại lớn hơn nhiều Thông thường, người ta chỉ coi ba cấp dưới thuộc phạm vi của một hệ thống điểu khiển và giám sát Tuy nhiên, biểu thị hai cấp trên cùng (quản lý công ty và điều hành sản xuất) giúp ta hiểu thêm mô hình

lý tưởng một mô hình lý tưởng cho cấu trúc chức năng tổng thể cho các nhà máy

Cấp chấp hành: Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường, truyền

động, và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiêt Thực tế, đa số các thiết

bị cảm biến (Sensor) hay cơ cấu chấp hành (Actuator) cũng có phần điều khiển

riêng cho việc thực hiện đo lường/ truyền động được chính xác

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

các cảm biến, xử lý các thông tin đó theo một thuật toán nhất định và truyền đạt

lại kết quả xuống các cơ cấu chấp hành Khi còn điều khiển thủ công, thì các nhiệm vụ đó được các người đứng máy thao tác trực tiếp đảm nhận qua việc theo dõi các thiết bị đo lường, sử dụng kiến thức và kinh nghiệm để thực hiện những thao tác cần thiết Trong một hệ thống điều khiển tự động hiện đại

những thao tác đó được thực hiện thông qua máy tính

Cấp điều khiển giám sát: Có chức năng giám sát và vận hành một quá

trình kỹ thuật Khi đa số các chức năng như đo lường, điều khiển, điều chỉnh, bảo toàn hệ thống được các cấp dưới thực hiện, thì nhiệm vụ của cấp điều khiển giám sát là hỗ trợ người sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, thao tác, theo dõi, giám sát vận hành và xử lý những tình huống bất thường Ngoài ra, trong một số trường hợp, cấp này còn thực hiện các bài toán điều khiển cao cấp như điều khiển phối hợp, điều khiển trình tự và điều khiển theo công thức (ví dụ trong chế biến dược phẩm, hoá chất) Khác với cấp dưới, cấp điều khiển giám sát không đòi hỏi phương tiện đặc biệt, thiết bị phần cứng đặc biệt ngoài các máy tính thông thường (máy tính cá nhân, máy trạm, máy chủ, terminal…) Việc phân cấp chức

năng sẽ tiện lợi cho việc thiết kế hệ thống và lựa chọn thiết bị

Cấp điều hành sản xuất: Nhiệm vụ của cấp điều hành sản xuất là nhận

các thông tin về trạng thái làm việc của các quá trình kỹ thuật, các giàn máy, cũng như của hệ thống điều khiển tự động, các số liệu tính toán, thống kê về diễn biến quá trình sản xuất và chất lượng sản phẩm Đồng thời cấp điều hành sản xuất có nhiệm vụ 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 bao gồm các máy tính văn phòng nối mạng cục bộ với

nhau

Cấp quản lý công ty: Cấp quản lý công ty là cấp trên cùng trong mô

hình phân cấp hệ thống Nhiệm vụ của cấp này trao đổi thông tin giữa công ty và khách hàng thông qua thư điện tử, hội thảo từ xa, dịch vụ truy cập Internet và thương mại điện tử… Cấp quản lý công ty còn có nhiệm vụ tính toán giá thành,

kế hoạch sản xuất, thống kê tài nguyên, 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 nối tiếp, sử dụng kỹ thuật truyền tin số

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 cơ bản của bus trường

là tính năng thời gian thực phải cao, yêu cầu về lượng thông tin thì không cao Các hệ thống bus trường thường sử dụng là: Profibus, ControlNet, Modbus,

Foundation Fieldbus, DeviceNet, AS-i, EIB

Bus hệ thống, Bus quá trình: Dùng để kết nối các máy tính điều khiển

và các máy tính trên cấp điều khiển giám sát với nhau Qua bus hệ thống các máy tính điều khiển có thể phối hợp hoạt động, cung cấp dữ liệu quá trình cho trạm kỹ thuật và trạm quan sát Đối với bus hệ thống, tuỳ theo lĩnh vực ứng dụng mà đòi hỏi về tính năng thời gian thực có được đặt ra một cách ngặt nghèo hay không Thời gian phản ứng thông thường trong khoảng vài trăm ms Trong khi đó lưu lượng thông tin lớn hơn nhiều so với bus trường Các hệ thống bus trường tiêu biểu: Ethernet, Industrial Ethernet, Profibus-FMS, Fieldbus

Foundation’s High Speed Ethernet

Mạng xí nghiệp: Là một mạng LAN bình thường, có chức năng kết nối

các máy tính văn phòng thuộc cấp điều hành sản xuất với cấp điều khiển giám sát Mạng xí nghiệp không yêu cầu nghiêm ngặt về tính năng thời gian thực Việc trao đổi dữ liệu diễn ra không định kỳ, nhưng có khi với số lượng lớn tới hàng megabyte Hai loại mạng chủ yếu được dùng là Ethernet và Token-Ring trên cơ

sở các giao thức chuẩn như TCP/IP và IPX/SPX

Mạng công ty: Đặc trưng của mạng công ty là gần với một mạng viễn thông

hoặc một mạng máy tính diện rộng nhiều hơn trên các phương diện phạm vi và hình thức dịch vụ, phương pháp truyền thông và các yêu cầu về kỹ thuật Mạng công ty thường sử dụng các loại mạng có tốc độ truyền thông và độ an toàn tin cậy

đặc biệt cao, chẳng hạn như: Fast Ethernet, FDDI, ATM…

2.2 Mạng truyền thông công nghiệp

2.2.1 Cấu trúc mạng

Cấu trúc mạng (Topology) là cách sắp xếp, tổ chức về mặt vật lý của mạng hay là cách sắp xếp logic của các nút mạng, các định nghĩa về tổ chức logic các mối liên kết giữa các nút mạng Cấu trúc mạng được xác định theo cách thức ghép nối các trạm công tác cũng như máy chủ trong một lớp của hệ thống Trên thực tế

có các kiểu cấu trúc mạng cơ bản như sau :

tin đặt là 2,5Mbit/s trong môi trường cáp đồng trục

Nhược điểm :

- Khi có sự cố ở trạm trung tâm sẽ làm tê liệt toàn bộ các hoạt động truyền thông trong mạng.Vì vậy trạm trung tâm phải có độ tin cậy rất cao.Người ta phân trạm trung tâm ra thành hai loại trạm tích cực và trạm thụ động.Một trạm thụ động chỉ có vai trò truyền thông tin, trong khi đó một trạm tích cự kiểm soát toàn bộ các

hoạt động giao tiếp trong mạng

- Tốn dây dẫn

Do vậy cấu trúc hình sao trong công nghiệp chỉ thấy trong phạm vi nhỏ

Hình 2.2: Cấu trúc hình sao

• Cấu trúc BUS

Là cấu trúc mà tất cả các thành viên của mạng đều được nối trực tiếp với một đường dẫn chung Đặc điểm cơ bản của cấu trúc bus là việc sử dụng chung một đường dây dẫn duy nhất cho tất cả các trạm, vì thế tiết kiệm được dây dẫn Ngoài

ra ưu điểm của của cấu trúc bus là trường hợp có một trạm không làm việc sẽ

không làm ảnh hưởng gì đến các phần còn lại

Cấu trúc bus có thể chia làm 3 loại: dasiy-chain, truck-line/drop-line và mạch vòng không tích cực Tuy nhiên do việc dùng chung đường dẫn dòi hỏi phải có sự phân chia thời gian sử dụng tuyến bus cho thích hợp, tránh xung đột tín hiệu được gọi là phương pháp truy nhập bus Nguyên tắc của phương pháp truy nhập bus như sau: tại một thời điểm nhất định chỉ có một thành viên trong mạng đựoc gửi tín

hiệu, còn các thành viên khác chỉ được quyền nhận

Cấu trúc Bus có một số nhược điểm sau:

- Mỗi tín hiệu gửi đi có thể tới tất cả các trạm và theo một trình tự không thể

kiểm soát được vì vậy cần phải gán địa chỉ cho từng trạm

- Tất cả các trạm đều phải có khả năng phát và luôn “nghe” tuyến bus để phát hiện ra một thông tin có phải gửi cho mình không, nên phải được thiết kế sao cho

đủ tải với số trạm tối đa Đây chính là lý do phải hạn chế số trạm trong một đoạn

mạng Khi cần mở rộng thì phải sử dụng nhiều bộ lặp

- Chiều dài dây dẫn thường tương đối dài, vì vậy dẽ xảy ra trường hợp phản

xạ tín hiệu ở mỗi đầu dây dẫn do vậy ta phải chặn đường dây bởi hai tải đầu cuối,

do vậy làm tăng tải của hệ thống

- Trường hợp đường dây bị đứt hoặc ngắn mạch trong phần kết nối Bus của

một trạm bị hỏng đều dẫn tới việc dừng hoạt động của cả hệ thống

- Cấu trúc đường thẳng liên kết đa điểm gây khó khăn cho việc áp dụng các

công nghệ truyền tín hiệu mới như cáp quang

Hình 2.3: Cấu trúc BUS

• Cấu trúc mạch vòng

Cấu trúc mạch vòng được thiết kế sao cho các thành viên trong mạng được nối từ điểm này đến điểm kia một cách tuần tự trong một mạch vòng kép kín Mỗi thành viên đều tham gia vào việc kiểm soát dòng tín hiệu Ở đây tín hiệu được truyền đi theo một chiều quy định Mỗi trạm nhận được dữ liệu từ trạm đứng trước

và chuyển tiếp sang trạm đứng sau nó Quá trình này được lặp lại cho tới khi tín

hiệu quay trở lại trạm đã gửi, khi đó nó sẽ bị huỷ

Ưu điểm:

- Mỗi nút đồng thời có thể là một bộ khuyếch đại do vậy khi thiết kế mạng

theo cấu trúc vòng có thể thực hiện được khoảng cách và số trạm lớn

- Mỗi thành viên trong mạng chia ra làm hai phần và tín hiệu chỉ được truyền

đi theo một chiều do vậy tránh được xung đột tín hiệu

- Cấu trúc mạch vòng được thực hiện trên cơ sở liên kết điểm-điểm vì vậy

thích hợp cho việc sử dụng truyền tín hiệu hiện đại như cáp quang, hồng ngoại…và

gán địa chỉ cho các thành viên trong mạng

các bộ liên kết mạng khác như : bridge, router, và gateway

Hình 2.5: Cấu trúc hình cây 2.2.2 Các chuẩn giao tiếp trong công nghiệp

• Chuẩn giao diện OPC

OPC (OLE for Process Control) là chuẩn giao diện được OPC Foundation xây đựng và phát triển Nó được dựa trên mô hình đối tượng thành phần OPC định nghĩa thêm một số giao điện cho phép 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 ban đầu là 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, RTU 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 nhất trong kiến trúc điều khiển OPC là OPC-Server và OPC-Group OPC-Server có nhiệm vụ quản lý việc sử dụng và khai thác dữ liệu Các đối tượng của OPC-Group có chức năng tổ chức các phần tử dữ liệu thành từng nhóm để tiện cho truy cập Thông thường mỗi Item ứng với một

biến trong quá trình công nghệ hay một thiết bị điều khiển

• Chuẩn giao tiếp HART

Chuẩn giao tiếp HART (Highay Address Remote Transduce) ứng dụng trong giao tiếp cấp trường Nó cho phép trao đổi tín hiệu số giữa hai thiết bị bên cạnh là tín hiệu tương tự Các thiết bị trường được hỗ trợ chuẩn HART có thể gọi là “Smart Devices” Chuẩn HART đặc biệt hữu ích cho việc đặt cấu hình, tham số hoá và

chuẩn đoán các thiết bị trường

2.2.3 Các loại mạng và Bus truyền thông thông dụng

• 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:

- Profibus-DP (Distributed 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 Specification): trao đổi một lượng dữ liệu

có dung lượng trung bình giữa các thành viên bình đẳng với nhau trong mạng

- Profibus-PA: được thiết kế riêng cho những khu vực có khả năng 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

- Foundation Field-H1: Được thiết kế cho mục đích truyền thông của các thiết

bị trường mà yêu cầu cung cấp nguồn từ bus với tốc độ thấp Nó có thể sử dụng ở

điều kiển với nhau Có 2 kiểu thông tin được truyền trên mạng Controlnet:

- Tín hiệu điều khiển và dữ liệu

- Dữ liệu bảo mật (thông tin giữa Client và Server)

Tốc độ truyền dữ liệu của chuẩn truyền thông này là 5Mbit/s Có thể kết nối được 99 địa chỉ trên một mạng, có thể có đến 48 điểm rẽ nhánh trrên 250m cáp

đồng trục và không cần sử dụng bộ lặp (Repeater) nếu chiều dài cáp nhỏ hơn 1km

• Mạng Ethernet

Ethernet là kiểu mạng cục bộ (LAN) được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay trong các mạng văn phòng cũng như với vai trò là bus hệ thống trong các ứng dụng

điều khiển Các đặc trưng của Ethernet là :

- Tập giao thức được sử dụng rộng rãi nhất: TCP/IP, tuy nhiên mỗi nhà cung cấp sản phẩm chỉ có thể thực hiện giao thức riêng hoặc theo chuẩn quốc tế cho giải

phấp của mình

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