Xemtailieu thiet ke he thong dieu khien nhiet do lo nung cho nha may can thep thai nguyen tren nen simtac s7 300 va phan mem wincc đã chuyển đổi

Mặtkhác,mộttrong nhữngyếutốảnh hưởng quan trọng đến chất lượng thépchính là điều khiển quá trình nung phôi trong lò nung sao cho tiếtkiệm chi phí nhất, chất lượng phôi sau khi nung đạtđư

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Công trình được hoàn thành tại

Người hướng dẫn khoa học:

(Ghi rõ họ tên, chức danh khoa học, học vị)

Phản biện 1:

Phản biện 2:

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại:

Vào hồi giờ tháng năm 20

tự động hóa cho thấy, việc nghiên cứuvàcải tiến hệ thống tự động hóacủa nhàmáycán thép nói chungvàcho nhàmáycán thép Thái Nguyênnói riêng là thực sự cấp thiết để nâng cao hiệu quả sản xuất Mặtkhác,mộttrong nhữngyếutốảnh hưởng quan trọng đến chất lượng thépchính là điều khiển quá trình nung phôi trong lò nung sao cho tiếtkiệm chi phí nhất, chất lượng phôi sau khi nung đạtđượcnhiệtđộyêucầu công nghệ đặt ra.Với ý nghĩa đóvàđược sự đồng

ý của cánbộhướng dẫn GS.TS Phan Xuân Minh, tôi đề xuất đề

tài“Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cho nhà máy cánthép Thái Nguyên trên nền Simatic S7-300 và phần mềmWinCC”.

2 Mụcđích nghiêncứu

Mục đích của nghiên cứu nhằm khai thác công nghệ tự độnghóa hiện đại để nâng cấpvàcải thiện hiệu quả nung phôi thép trong lò.Trên cơ sở đó, mục tiêu của nghiên cứu là: Phân tíchvàlàm rõ đượcbài toán điều khiển nhiệt độ lò nung, làm rõ được cácyêucầu côngnghệ đặt ra để từ đó thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho bốn vùngnung, tổnghợphệ thống điều khiểnvàgiámsátnhiệtđộ lò nung trên nềnSimatic S7-300vàphầnmềmWinCC

3 Đốitượngvà phạm vi nghiêncứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống điều khiểnn h i ệ t

độ lò nung của nhà máy cán thép Thái Nguyên

Phạm vi nghiên cứu của đề tài: Luận văn lấy nhà máy cánthép Thái Nguyên làm địa điểm nghiên cứu, thời gian nghiên cứu từtháng 03-2013 đến tháng 11-2013

Nghiên cứu tiến hành khảo sát thực địa tại nhà máy cán thépThái Nguyên, có thực nghiệm và mô phỏng kết quả nghiên cứu

5 Ý nghĩa khoahọcvà thực tiễn của đềtài

Ý nghĩa khoa học: Phân tích và làm rõ bài toán điều khiểnnhiệt độ lò nung của nhà máy cán thép Thái Nguyên Từ đó xây dựng

mô hình toán học của bốn vùng lò nung, thiết kế bộ điều khiển chotừng vùng lò và cuối cùng là xây dựng trạm điều khiển lò nung, lậptrình điều khiển và thiết kế giao diện giám sát khu vực lò nung

Ý nghĩa thực tiễn: Từ các kết quả nghiên cứu này sẽ đónggóp cho việc nâng cấp và cải tiến hệ thống tự động hóa nhà máy cánthép Thái Nguyên mà cụ thể là cho khu vực lò nung nhà máy

6 Cấutrúc của luậnvăn

Ngoài phần mở đầuvà kếtluận, bản luận văn được chia làm3chương

CHƯƠNG 1 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ VÀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA TẠI NHÀ MÁY CÁN THÉP THÁI NGUYÊN1.1 Giới thiệu nhàmáy

Nhàmáy cán thép Thái Nguyên được khởi côngxâydựngtháng 6/2002vớichủ đầu tư là công ty gang thép Thái Nguyên Tất cảthiết bị chính trong dây chuyền là do hãng Danieli - Italia cung cấp

1.2 Quytrình công nghệ cánthép

Qui trình công nghệ của nhà máy cán thép Thái Nguyênđược biểu diễn ở hình dưới đây:

Cân nhập kho

Đếm, đóng bó

Cắt sản phẩm

Cân nhập kho Buộc cuộn

Thu cuộn

Máy tạo vòng Làm nguội dây

Sàn nguội

Cắt phân đoạn

Cán thô

Cán trung/tinh Cắt đầu đuôi lần 1

Kiểm tra

Đạt Không đạt

Nung phôi Nạp phôi

Không Hồi lò

Do vậy, trong khuôn khổ luận văn này, tác giả tập trung vàonghiên cứu các phương pháp điều khiển nâng cao chất lượng của hệthống lò nung.

KK thõa

Van x¶ 2

KK ra

TT2 Discharging

2.1.2 Cácyêu cầu điều khiển lònung

a Điềukhiển hoạt động lònung

c Kiểm soát khíthừa

d Kiểm soát quá áplò

e Kiểm soát áp suấtkhíđốt

f Bảo vệ bộ thu hồi khỏi nhiệt độcao

g Bảo vệ mạch làm nguội đáybước

h Hệ thống camera theo dõi lònung

i Dịchvụhỗ trợ lònung

2.2 Phátbiểu bài toán điều khiển quá trìnhnung

2.2.1 Yêu cầu nhiệt độtừngvùngnung

2.2.1.1 Vùngsấy

2.2.1.2 Vùngnung

2.2.1.3 Vùngđồngnhiệt

2.2.2 Bài toán điều khiển nhiệt độ lònung

Với yêu cầu nhiệt độ từng vùng như trên nên mỗi vùng đềuđược bố trí các mỏ đốt (đốt bằng dầu với không khí) Tại mỗi mỏ đốtđều có các van điều khiển bằng tay để điều chỉnh lưu lượng dầu, khínén hóa mù dầu và điều chỉnh lưu lượng không khí Riêng với từngcụm mỏ đốt cho các vùng chỉ có 1 van điều khiển lưu lượng dầu và 1van điều khiển lưu lượng không khí Bài toán điều khiển nhiệt độ lònung chính là điều chỉnh tự động các van này sao cho nhiệt độ từngvùng ổn định và duy trì theo yêu cầu đặt ra

Việc đo lường và điều khiển nhiệt độ cho bốn vùng nung làhoàn toàn tương tự nhau Cho nên nghiên cứu tập trung chủ yếu vàovùng 1(vùng sấy), các vùng còn lại là hoàn toàn tương tự

Bài toán điều khiển đặt ra là:Với các vùng lò nung là vùng

sấy, vùng nungvà2 vùng đồng nhiệt thì với giá trịnhiệtđộ đặt trước

(theo yêu cầu công nghệ) ở mỗi vùng cần điều khiển vancấp

Tín hiệu đk Thiết bị chấp hành Biến đk

Nhiệt độ vùng 1

Biến cần đk T Thiết bị đo Tín hiệu đo

dầu(vàtừ đóđiềukhiển không khí theotỷlệ tối ưu nhất) sao cho nhiệt

độ vùng ổn định tại nhiệt độ đặt trước đó Nhiệt độ của mỗi vùngđược đo bằng hai cặp nhiệt loại “S” ở hai bên lò.Giátrịnhiệtđộ đođượcsosánh vớigiátrị nhiệt độ đặt trước (được người vận hành cài đặttrên giao diện giám sát) Sailệchgiữa hai giá trịnhiệtđộnày được đưavào bộ điều khiển để có tín hiệu điều khiển van cấp dầuvàtừ đó điềukhiển nhiệt độ củavùng

2.3.1 Mô hình toán học vùng1

Đối tượng điều khiển vùng 1

Hình 2.2 Đối tượng điều khiển vùng 1

Tiếp theo ta đi xác định hàm truyền của thiết bị đo, thiết bịchấp hànhvàcủavùng1 để từ đó xây dựng hàm truyền của đối tượngđiều khiển vùng1

2.3.1.1 Hàm truyền thiết bịđo

Trong hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung thì thiết bị đogồm: can nhiệt (loại S) và bộ chuyển đổi đo chuẩn

G m (s) k m

1s (hoặc một khâu bậc hai ổn định).

Vì hằngsốthời gian τ (khoảng 0.005s) rất nhỏsovới hằng sốthời gian của vùngnhiệt(100s), tức là phép đo có động học nhanhhơnnhiềusovới động học quá trình, do đó ta có thể bỏ qua quán tínhcủa thiết bị đovàcoi đặc tính của thiết bị đo như một khâuk h u ế c h

m A

đại thuần túy Vậy:G(s)k.Vìkhi nhiệt độ thay đổi từ 0÷14000Cthì tương ứng với đầu ra thay đổi từ4÷20mA

G(s) F(s) k v

v U(s) s1

v

v 1s

Thông thường τvcó giá trịk h o ả n g mộtvài giây, ta chọn

Khi tín hiệu điều khiển thay đổi từ 4÷20mA thì quab ộchuyển đổi điện-khí nén I/P ta được đầu ra là tín hiệu khí nén thayđổi từ 0.2÷1 bar.Khitín hiệu khí nén thay đổi thì tínhiệuđộ mở vanthay đổi từ 0÷100%.Vàkhi độ mở van thay đổi thì lưu lượng dầu quavan thay đổi từ 0÷550lit/h Vậy hệsốkhuếch đại van điều khiển vùng1là:

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

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

Stt Đối tượng điều khiển Mô hình toán học từng vùng

2.4 Thiếtkếbộ điều khiểnchotừngvùng

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

2.4.1 Thiếtkếbộ điều khiển PIDchovùng1

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

2.4.1.1 Bộ điều khiểnPID

2.4.1.2 Ứngdụng PID tune để thiếtkếbộ điềukhiển

Trong phần mềm Matlab/Simulink có công cụ PID tune đểxác định các thông số của bộ điều khiển Nhiệm vụ đặt ra là cần xácđịnh các tham số của bộ điều khiển KP, KI,KDsao cho nhiệt độ vùng 1tiến tới và ổn định tại giá trị đặt theo yêu cầu công nghệ Vậy sơ đồkhối hệ thống điều khiển nhiệt độ vùng 1 như sau:

Tín hiệu

đặt

ĐTĐKvùng1

Tín hiệura

Hình 2.3 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ vùng sấy

Mô phỏng trên phần mềm MATLAB ta có:

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

trên Simulink

Để tìm tham số bộ điều khiển ta sử dụng phương pháp tổng hợp PID tune Sau khi thực hiện ta thu được kết quả sau đây:

P=2.1532, I=0.0089473, D=6.3799

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

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

Từ đó suy ra:

K PP2.1532;K IP.I0.019265;K DP.D13.7372

Sau khi chạy mô phỏng trên Simulink ta được kết quả sau đây:

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

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

2.4.2 Tổng hợp bộ điều khiển PIDchocác vùngkhác

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

Bảng 2.2 Tổng hợp thông số bộ điều khiển PID cho 4 vùng nung

Qua cáckếtquả tổng hợp trênvàchạy kiểm chứng mô phỏngtrên phần mềm Matlab/simulink ta thấynhiệtđộ của các vùng lò ổnđịnh ở giá trị đặt trước với độtrễvàđộ quá điều chỉnh đáp ứngyêucầucôngnghệ

2.5 Kết luận chương2

Nhưvậy, trong chương này, tađãtìm hiểu về lò nung liên tụccủanhàmáy cán thép Thái Nguyên đang hoạt động Sau đó tađãphântíchvàlàm rõ bài toán điều khiển nhiệt độ lò nung Từ bài toán điềukhiển quá trình đặt ra, tađãxác định được mô hình toán học của cả 4vùng nung Cuối cùng là thiết kế bộ điều khiển Phương pháp thiết kếđược sử dụng là công cụ PID tune của matlab.Kếtquả mô phỏng chothấy khinhiệtđộ đặt cho trước thì đầu ra lànhiệtđộ của từngvùngbámsát theo giá trị đặt,vớiđộ quá điều chỉnhvàthời gian trễthỏamãnyêu cầu côngnghệ

Tiếp theo sang chương 3 chúng ta sẽ tổng hợp hệ thống điềukhiển nhiệt độ trên nền Simatic S7-300 và phần mềm WinCC

CHƯƠNG 3.

TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ

LÒ NUNG TRÊN NỀN SIMATIC S7-300

- Một module nguồn PS307 2A: 6ES307-1BA00-0AA0

- Một module CPU 314: 6ES7314-1AG14-0AB0

- Ba module đầu vào tương tự AI8x12bit : 0AB0

6ES7331-7KF02-0AB0

- Ba module đầu ra tương tự: AO4x12bit: 6ES7

332-5HD01-3.1.2 Bảng địachỉcác đầuvào-ra

3.1.2.1 Cácđầu vào tươngtự

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

3.1.2.2 Cácđầu ra tươngtự

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

- PhầnmềmStep7 v5.5 có dung lượng 1.11GB.

- PhầnmềmWinCC 7.0 sp2 có dung lượng 5.4GB

3.2.2 Thiết bị ghép nối truyềnthông

- Một cáp truyền thông theo giao thứcMPI

- Một Card CP5611 (32 bit) đểkếtnối PC với PLC S7-300thông qua giao thứcMPI

3.3 Thiếtkếphần mềm điềukhiển

3.3.1 Cấutrúc điều khiển nhiệt độ của lò nung.

Cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt độ của vùng thứ i(i=1,2,3,4) của lò nung được biểu diễn như trong hình 3.1

Nhiệt

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

Hệ thống điều khiển sử dụng hai bộ điều khiển:

- Bộ điều khiển PID là bộ điều khiển chính được sửdụngđểđiều khiển van dầu

Giá trị nhiệt độ của vùng i được cảm biến CB (can nhiệt) đođược và so sánh với giá trị nhiệt độ đặt Sai lệch này được bộ điềukhiển PID xử lý và điều khiển van dầu

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

có bù để chế độ cháy hoàntoàn

Tín hiệu điều khiển van dầu qua bộ điều khiểntỷlệ Ktl Đồngthời cảm biến đo không khídưCBKK trong lòsẽđược nhân vớihệsốbù nhiệt độ Tổnghợphai tín hiệu này để điều khiển vankhôngkhí

3.3.2 Một số module của STEP7

3.3.2.1 ModuleFC105

3.3.2.2 ModuleFC106

3.3.2.3 Modulemềm PID(FB41)

3.3.3 Thiếtkếchương trình điều khiển trên nền STEP7.

Điều khiểnnhiệtđộ lò nung, tức là điều khiển nhiệt độ 4 vùng

lò nung ổn định tạimộtgiá trị định trước Để viết chương trình điềukhiển trướchếtcần xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển nhiệt độlònung

a Lưu đồthuậttoán điều khiển nhiệt độ lònung

Toàn bộ chương trình đượcviếttrong OB35 Thời giantríchmẫuT(mặcđịnh T=100ms) có thể thay đổi được bằng cách vàophầnmềmStep7, cài đặt theo yêu cầu công nghệ(T=100ms)

Tín hiệu đầu ra của PID K

Đưa đến van điều khiển khí đốt

b Lưu đồ thuật toán điều khiển nhiệt độcácvùnglò:

Thuật toán điều khiển nhiệt độ các vùng lò hoàn toàn tương

tự nhau Thuật toán được thực hiện tuần tự: Từ việc xử lý tín hiệu đo

để đưa ra tín hiệu quá trình, sau đó tín hiệu quá trình được tính toán

điều khiển để đưa ra tín hiệu điều khiển van dầu Và cuối cùng tín

hiệu điều khiển van dầu được tính toán để đưa ra tín hiệu điều khiển

van không khí

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

Lưu đồ chương trình xử lý tín hiệu nhiệt độ các vùng của lò

nung để đưa vào bộ điều khiển Mỗi vùng đều có hai cặp nhiệt để đo

nhiệt độ, một để sử dụng và một để dự phòng nếu can nhiệt nào đó bị

lỗi Giá trị của hai cặp nhiệt được so sánh với nhau và giá trị lớn hơn

được coi là giá trị đúng và được chuyển vào bộ điều khiển

Gọi giá trị đovàsau khi xử lý của cặpnhiệtthứ nhấtcủavùng

nung là PV1.Giátrị đovàsaukhixử lý của cặpnhiệtthứ hai của vùng

nung là PV2.Giátrị lấy làm thamsốbộ điều khiển là PV được chọn là

làgiátrịlớnnhất của PV1vàPV2

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

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

Vì lưu lượng khí đốt được điều khiển tỷ lệ theo lưu lượngdầu Do đó, tín hiệu ra của hàm FB41 là LMN sẽ là tín hiệu vào củaFC106 (ký hiệu là IN1) Ngoài ra để quá trinh đốt cháy hoàn toàn thìcần tính đến lưu lượng khí thừa (ký hiệu là IN2) trong lò theo như sơ

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

Tín hiệu IN1 qua khâu tỷ lệ được tín hiệu ra u1 Tín hiệu vàoIN2 qua khâu FC105, Kb cho tín hiệu ra ub Tổng hợp u1-ub=u Tínhiệu tổng hợp u1 được đưa qua FC106 đến đầu ra OUT điều khiểnvan khí đốt

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

trình được đặt ở phụ lục của luận văn (xem phụ lục trang78-92).

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

3.4.2.1 Giao diện HMI tổng quan khu vực lònung

3.4.2.2 Giao diện HMI điều khiển và giám sát nhiệt độcácvùng lònung

3.4.2.3 Giao diện HMI giám sát nhiệt độcácvùng lònung

3.4.2.4 Giao diện cài đặt tham số PID điều khiển nhiệt

độcácvùng lònung

3.5 Càiđặt phầnmềm,lắp đặthệthống và đánh giákếtq u ả

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

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

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

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

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

Qua các kết quả thu được sau khi tiến hành thực nghiệm, cóthể thấy giải pháp đưa ra đáp ứng được các yêu cầu điều khiển nhiệt

độ lò nung

3.6 Kết luận chương3

Sau khi thiết kế phần mềm điều khiển, thiết kế phần mềmgiám sát hệ thống điều khiển nhiệt độ các vùng lò nung, chúng ta đấunối các thiết bị cần thiết vào hệ thống điều khiển, cài đặt các tham số

bộ điều khiển PID và download chương trình lên bộ PLC S7- 300…kết quả thực nghiệm trên đối tượng có mô hình tương đương lò nungcho thấy thiết kế đưa ra là thích hợp

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Với đề tài nghiên cứu là “Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệtđộ lò nung của nhà máy Cán thép Thái Nguyên” chúng ta đã tìm

hiểu được quy trình công nghệ cán thép tại nhàmáy(chương 1), thiết

kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung (chương 2)vàtổng hợp hệthống điều khiển nhiệt độ lò nung trên nền Simatic S7-300vàphầnmềm WinCC (chương3)

Nhưđã phân tích, điều khiển nhiệt độ lò nung làmộtbài toánđiều khiển phức tạp, bao gồm điều khiển lưu lượng dầu, lưu lượngkhí đốtvàđiều khiểntỷlệ dầu/khí để quá trình nung kim loại trong lòđạtyêucầu công nghệvà tiếtkiệm chi phí Vì thời gian có hạn nên luậnvăn chỉ giới hạn phạm vi nghiên cứu điều khiển nhiệt độ lò bằng cáchđiều khiển lưu lượng dầu đốt Nếu nhiệt độ đặt tăng thì lượng dầucấp cần phải tăng hoặc ngược lại Khi lưu lượng dầu thay đổi thì lưulượng khí đốtvàkhí hóamùdầu cần thay đổi theomộttỷ lệ nhất địnhnào đó (cần điều khiển) Bài toán điều khiểntỷ lệdầu/khí làmộtbàitoán điều khiển cực trị đã có nhiều công trình nghiên cứu Trong luậnvăn đã xem như được giải quyết,vìthế chỉ có một biến điều khiển làlưu lượng dầu Tuy nhiên, luận văn vẫn chỉ dừng ởmứcthựcnghiệmvàmô phỏng, chưa được kiểm chứng kết quả trên lò nungthựctế

Trên cơ sở còn hạn chế của đề tài, hướng phát triển của đềtài là sẽ giải quyết bài toán điều khiểnnhiệtđộmộtcách triệt để, nghĩa

là từ việc điều khiển lưu lượng dầu, lưu lượng khí đến điều khiểntỷlệdầu/khívàđiều khiển thời gian nung phôi trong lòđểkếtquảlànhiệtđộphôitronglòđạtcácchỉtiêucôngnghệđặtravàphù