Bài tập lớn môn Hệ thống tự động hóa Nhà máy xi măng

Bài tập lớn tìm hiểu về hệ thống tự động hóa nhà máy xi măng trường đại học bách khoa hà nội. Đất nước ta đang trong quá trình Công nghiệp hóa Hiện đại hóa mạnh mẽ. Bên cạnh đó, nhu cầu về sử dụng các trang thiết bị, nguyên vật liệu cho ngành công nghiệp xây dựng đang ở mức cao. Là một trong những ngành công nghiệp quan trọng của nước ta, ngành công nghiệp sản xuất xi măng đang được đầu tư phát triển mạnh. Các nhà máy xi măng được xây dựng khắp nơi, được áp dụng những tiến bộ kỹ thuật mới nhất. Các nhà máy sản xuất xi măng ngày càng nâng cao sản lượng và chất lượng của sản phấm, góp phần xây dựng nền kinh tế của nước ta. Trong đó Công ty Cổ phần Vật liệu Xây dựng Việt Nam (VCM) là doanh nghiệp có trang thiết bị, dây chuyền công nghệ hiện đại, đội ngũ kỹ sư lành nghề, hàng năm sản xuất hàng ngàn tấn xi măng phục vụ đất nước và xuất khẩu. Sau một thời gian học tập và nghiên cứu môn học “Hệ thống tự động hóa nhà máy xi măng” tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, em được giao nhiệm vụ tìm hiểu về Công ty Cổ phần Vật liệu Xây dựng Việt Nam (VCM). Với sự hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Mạnh Tiến, em đã học được nhiều kiến thức thực tế và bổ ích. Em xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Nguyễn Mạnh Tiến đã hướng dẫn em trong suốt thời gian môn học. Trong bài báo cáo, mặc dù em đã rất cố gắng học hỏi, tìm hiểu để hoàn thành tốt nhất. Song, bài báo cáo của em không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những góp ý từ thầy, cô giáo. Em xin chân thành cảm ơn

Lời Nói Đầu

Đất nước ta đang trong quá trình Công nghiệp hóa - Hiện đại hóa mạnh mẽ Bên cạnh đó, nhu cầu về sử dụng các trang thiết bị, nguyên vật liệu cho ngành công nghiệp xây dựng đang ở mức cao Là một trong những ngành công nghiệp quan trọng của nước ta, ngành công nghiệp sản xuất xi măng đang được đầu tư phát triển mạnh Các nhà máy xi măng được xây dựng khắp nơi, được áp dụng những tiến bộ kỹ thuật mới nhất Các nhà máy sản xuất xi măng ngày càng nâng cao sản lượng và chất lượng của sản phấm, góp phần xây dựng nền kinh tế của nước ta Trong đó Công ty Cổ phần Vật liệu Xây dựng Việt Nam (VCM) là doanh nghiệp có trang thiết bị, dây chuyền công nghệ hiện đại, đội ngũ kỹ sư lành nghề, hàng năm sản xuất hàng ngàn tấn xi măng phục vụ đất nước và xuất khẩu

Sau một thời gian học tập và nghiên cứu môn học “Hệ thống tự động hóa nhà máy

xi măng” tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, em được giao nhiệm vụ tìm hiểu về Công ty Cổ phần Vật liệu Xây dựng Việt Nam (VCM) Với sự hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Mạnh Tiến, em đã học được nhiều kiến thức thực tế và bổ ích Em xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Nguyễn Mạnh Tiến đã hướng dẫn em trong suốt thời gian môn học

Trong bài báo cáo, mặc dù em đã rất cố gắng học hỏi, tìm hiểu để hoàn thành tốt nhất Song, bài báo cáo của em không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những góp ý từ thầy, cô giáo

Em xin chân thành cảm ơn!

Mục lục

Lời nói đầu 1

Mục lục 2

Chương 1: Mô tả dây chuyển công nghệ sản xuất xi măng của công ty cổ phần vật liệu xây dựng VCM 3

1.1 Giới thiệu về công ty cổ phần vật liệu xây dựng VCM 4

1.2 Sơ đồ dây chuyền công nghệ 5

1.3 Các bước sản xuất xi măng 6

Chương 2: Cấu hình hệ thống điều khiển DCS của dây chuyền sản xuất xi măng 10

2.1 Mô tả cấu hình hệ thống DCS 10

2.2 Chức năng các khâu trong hệ thống 11

2.3 Mô tả các BUS và phương thức truyền thông trong hệ thống 16

Chương 3: Bộ điều khiển (PLC) chính của dây chuyền sản xuất 20

3.1 Giới thiệu chung 20

3.2 Đặc tính kỹ thuật phần cứng: CPU, I/O, ghép nối truyền thông 21

2.3 Phần mềm lập trình STEP 7 25

Kết luận 27

Tài liệu tham khảo 28

Danh mục hình ảnh

Hình 1.1: Lịch sử phát triển công ty VCM 4

Hình 1.2: Nhà máy chính sản xuất xi măng Quảng Bình – VCM 5

Hình 1.3: Quy trình sản xuất xi măng 6

Hình 1.4: Quy trình sản xuất xi măng 8

Hình 2.1: Nhiệm vụ chức năng các cấp trong nhà máy 10

Hình 2.2: Hệ thống điều khiển DCS nhà máy xi măng VCM 11

Hình 2.3: Trạm vận hành 12

Hình 2.4: Trạm kỹ thuật 12

Hình 2.5: FCS01 13

Hình 2.6: FCS02 14

Hình 2.7: FCS03 15

Hình 2.8: FCS04 15

Hình 2.9: FCS05 16

Hình 2.10: Các hình thức truyền thông trong nhà máy 17

Hình 2.11: Mạng Ethernet trong nhà máy 17

Hình 2.12: Cấu hình mạng Profibus 18

Hình 2.13: Các Slave trong mạng Profibus 19

Hình 3.1: PLC S7-400 20

Hình 3.2: CPU 414-5H 21

Hình 3.3: Ngôn ngữ LAD 22

Hình 3.4: Ngôn ngữ hình khối 23

Hình 3.5: Phần cứng PLC 23

Hình 3.6: Kết nối MPI 25

Hình 3.7: Giao diện Step 7 26

Hình 3.8: Giao diện Simatic S7 -400 26

Chương 1:

Dây chuyền công nghệ sản xuất xi măng của công ty cổ

phần vật liệu xây dựng Việt Nam (VCM)

1.1 Giới thiệu về công ty VCM

Công ty cổ phần vật liệu xây dựng Việt Nam (VCM) có văn phòng chính tại thôn Xuân Hạ, xã Văn Hóa, huyện Tuyên Hóa, tỉnh Quảng Bình, Việt Nam Nhà máy được thành lập vào ngày 02/02/2008 tại Thôn Xuân Hạ, Xã Văn Hóa, Xuân Hạ, bắt nguồn

từ dự án mang tên: Nhà máy Xi măng Quảng Phúc, với tổng vốn đầu tư là 250 triệu USD

Hình 1.1: Lịch sử phát triển công ty VCM

Tháng 10/2013, nhà máy Clinker Văn Hóa (tại xã Văn Hóa, huyện Tuyên Hóa, tỉnh Quảng Bình) đã hoàn thành và chính thức đi vào hoạt động với quy mô công suất 5.000 tấn/ngày

Trạm nghiền xi măng: Công suất 2.200.000 tấn xi măng PCB40/năm

Tháng 01/2015, Công ty Cổ phần Vật liệu xây dựng Việt Nam đã đầu tư và cho ra đời thương hiệu STARCEMT Với 2 sản phẩm chủ lực là STARMAX PCB40 và STARPRO PCB50

Hình 1.2: Nhà máy chính sản xuất xi măng Quảng Bình – VCM

 Nhà máy chính sản xuất xi măng Quảng Bình:

- Diện tích: 148.2 Ha

- Áp dụng công nghệ hiện đại, máy móc thiết bị của Châu Âu

- Năng lực sản xuất: 1,6 triệu tấn clinker/năm

- Vận hành thương mại từ tháng 10/2013

 Các lĩnh vực kinh doanh của công ty:

- Sản xuất xi măng theo phương pháp khô, hệ thống lò quay, tháp trao đổi nhiệt 5 tầng và 2 nhánh

- Đầu tư sản xuất xi măng, vôi, thạch cao; Khai thác đá, cát, sạn, đất các loại

- Sản xuất bê tông đúc sẵn, trộn sẵn và các sản phẩm từ xi măng (Clinker CPC50, Starmax PCB40, Starpro PCB50)

- Mua bán vật liệu xây dựng, sắt thép, gạch ngói, đá, cát, sạn, đất…

- Xây dựng dân dụng, cảng biển, cảng sông, giao thông đường bộ, thuỷ lợi; Dịch

vụ hỗ trợ vận tải đường thuỷ, bốc xếp hàng hoá, điều hành cảng

 Cam kết chất lượng:

- Được kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt trong quá trình sản xuất từ khâu nguyên vật liệu đầu vào cho đến khi giao sản phẩm cho khách hàng và dịch vụ sau bán hàng

- Cam kết mạnh mẽ luôn đạt chất lượng vượt hơn Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6260:2009 và TCVN 7024:2013 tuân thủ hoàn toàn Tiêu chuẩn cơ sở về Chất lượng sản phẩm của chúng tôi đã công bố

1.2 Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất xi măng

Sơ đồ tổng quan về dây chuyền công nghệ sản xuất xi măng của công ty VCM, từ công đoạn khai thác cho đến công đoạn đóng gói

Hình 1.3: Quy trình sản xuất xi măng

1.3 Các bước sản xuất xi măng

Quy trình sản xuất xi măng theo công nghệ lò quay phương pháp khô Dây chuyền sản xuất được chia thành các bước cụ thể như sau:

Hình 1.4: Quy trình sản xuất xi măng

Bước 1: Khai thác và đập nguyên liệu

Nguyên liệu sử dụng: Đá vôi Lèn Đứt Chân, đất sét Thọ lộc, Đồng Trại, cao silic Đức Hóa, Lý Hòa, quặng sắt Sen Thủy, Tiến Hóa, thạch cao Lào, than cám 4c Hòn Gai- Quảng Ninh, dầu DO

Đá vôi và đất sét được khai thác và chở bằng xe tải tới trạm đập (1), (3) Tại đây chúng được đập vỡ với nhau Phương pháp này làm tăng tính đồng nhất của vật liệu

và giảm lượng bụi thải ( Sử dụng máy lọc (10) )

Vật liệu từ mỏ được làm giảm kích thước bằng những máy đập khác nhau Các khối đá được giảm kích thước từ 120cm đến khoảng từ 1.2-8cm Vật liệu thô cũng có thể cần được sấy để pha trộn và đập hiệu quả hơn

Nguyên liệu sau khi đập lẫn chạy qua máy phân tích hệ thống sử dụng tia Gamma ngẫu nhiên để giám sát và điều chỉnh thành phần hóa học của hỗn hợp đá vôi, đất sét

Bước 2: Lưu kho tạm thời và trộn nguyên liệu

Từ trạm đập, nguyên liệu thô sẽ được vận chuyển qua máy cào liệu (5), (6) vào kho tròn (7), (20) bằng băng tải Nguyên liệu sẽ được đồng nhất sơ bộ trước khi đưa vào máy nghiền

Bước 3: Phối liệu

Trạm phối cấp liệu (7) cấp nguyên liệu tới máy nghiền (8), (20) với số lượng và thành phần nhất định nhằm đạt được các hệ số chế tạo như mong muốn

 Bước 4: Nghiền nguyên liệu

Nguyên liệu được nghiền trong máy nghiền liệu (8) tới độ mịn yêu cầu Sau đó bột liệu nghiền được đưa tới silo đồng nhất bột liệu

 Bước 5: Đồng nhất

Bột liệu được trộn đều và chứa trong silo đồng nhất (9), từ đó được cấp tới tháp trao đổi nhiệt

 Bước 6: Nung, trao đổi nhiệt và phân hủy

Bột liệu được nung sơ bộ trong tháp trao đổi nhiệt dạng xiclon (11) và phân hủy trong buồng phân hủy

Dưới tác dụng quay của lò bột liệu được luân chuyển qua các zone trong lò được kết khối ở nhiệt độ 1300-1400oC

 Bước 7: Làm nguội clinker

Sau quá trình nung để hình thành clinker người ta làm nguội nhanh clinker xuống còn khoảng 75-100oC bằng dàn ghi làm lạnh, quạt cao áp và nước làm lạnh (13) Phần lớn nhiệt lượng tỏa ra trong quá trình làm nguội clinker đều được thu hồi để sử dụng cho sản xuất

Bước 8: Chứa clinker

Sau khi được làm nguội clinker được băng tải vận chuyển vào kho chứa clinker (15) là trạm cấp liệu cho giai đoạn nghiền clinker tạo xi măng tiếp theo

Bước 9: Cán, nghiền clinker

Clinker được cấp đến máy cán (16) và máy nghiền bi (17) thành những hạt nhỏ theo yêu cầu

Những viên clinker đạt yêu cầu phân li và rơi thẳng xuống gầu xiên, còn những viên, tảng clinker chưa đạt yêu cầu được dàn ghi vận chuyển tới máy đập sơ bộ đến kích thước yêu cầu rơi xuống gầu xiên vận chuyển lên đổ xuống gầu nâng vận chuyển

đổ vào xích cào, vận chuyển đổ vào silo clinker ủ

Các phụ gia được đưa vào trong quá trình nghiền clinker nhằm đạt được sản phẩm

xi măng có phẩm cấp và chủng loại theo yêu cầu

Bước 10: Chứa, đóng gói và vận chuyển

Xi măng thành phần được chuyển tới 2 silo chứa xi măng (22) mác PCB40 hoặc PCB50 Sau đó xi măng được xuất dưới dạng bao, rơi theo đường bộ và đường thủy tới bên mua

Hình 2.1: Nhiệm vụ chức năng các cấp trong nhà máy

Các hoạt động của nhà máy như tính toán lãi suất, kế hoạch phát triển được điều hành thông qua ban quản lý công ty Ban quản lý sẽ quyết định mọi hoạt động của nhà máy thông qua dữ liệu, thông số mà ban sản xuất báo cáo Quá trình sản xuất được thực hiện và giám sát thông qua hệ DCS

Toàn bộ quá trình sản xuất của nhà máy được thực hiện tự động hoá ở mức độ cao

và điều khiển tập trung CCR (Central Control Room) để kiểm soát toàn bộ hoạt động của nhà máy, đồng thời cho phép điều chỉnh kịp thời các thông số khi chất lượng của sản phẩm thay đổi hoặc khi có sự cố bất thường xảy ra

Ở nhà máy xi măng VCM trang bị 2 Server, chia làm 5 nhóm:

 Tầng trên cùng có 6 trạm vận hành (Operator Station) OS1, OS2, OS3, OS4, OS5, OS6 Các trạm này được đặt tại phòng điều khiển trung tâm, các trạm hoạt động song song và độc lập với nhau Trạm kĩ thuật ES ( Engineer Station) cũng đặt ở phòng điều khiển trung tâm cho phép thiết lập, cấu hình hệ thống

 Tầng dưới có 5 trạm hiện trường FS (Field Station), mỗi trạm thực hiện chức năng điều khiển các công đoạn khác nhau trong nhà máy

 FS1 (Limestone crusing & conveying E.R(801))

 FS2 (Raw meterial crusing & conveying E.R(802) and Limestone blending storage E.R (803))

pre- FS3 (Raw material grinding Waste gas treatment (804))

 FS4 (Clinker Cooling and conveying Electric Room (805))

 FS5 (Cool Grinding (806))

Hình 2.2: Hệ thống điều khiển DCS nhà máy xi măng VCM

2.2 Chức năng các khâu trong hệ thống

a) Trạm vận hành (Operating system)

Thực hiện chức năng giám sát, điều khiển các công đoạn khác nhau của nhà máy Các trạm được thiết kế để giám sát và điều khiển ít nhất là 2 công đoạn sản xuất 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 thay thế chức năng của các trạm khác

Hình 2.3: Trạm vận hành

Chức năng cụ thể:

 Hiển thị các hình ảnh chuẩn (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 đồ thị quá khứ)

 Hiển thị các hình ảnh đồ họa 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

OS sử dụng máy tính công nghiệp với màn hình lớn (19inh) và độ phân giải cao để theo dõi quá trình sản xuất Trạm có cả hệ thống hỗ trợ thao tác như chuột và bàn phím

Đặc điểm tiêu biểu của các trạm vận hành hiện đại là sử dụng kỹ thuật giao diện người-máy kiểu đa cửa sổ với các phần tử giao diện chuẩn

b) Trạm kỹ thuật (Engineering station)

Hình 2.4: Trạm kỹ thuật

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 hóa các thiết bị trường Việc tạo ứng dụng điều khiển 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 là các máy tính công nghiệp

Trạm kỹ thuật có 2 server hoạt động song song, có tinh chất độc lập có thể hoạt động thay thế nhau khi xảy ra sự cố

c) Trạm trường

Mỗi trạm trường được điều khiển bằng các bộ điều khiển cỡ lớn S7 – 400 của Siemen Các I/O được đưa về CPU theo chuẩn Profibus DP, ở các khu vực dễ cháy nổ như khu vực lò nung, trạm nghiền thì làm việc theo chuẩn Profibus PA

Các trạm quan trọng đều được trang bị 2 CPU với 1 cái làm việc ở chế độ dự phòng khi xảy ra sự cố với CPU chính Các trạm điều khiển quá trình này đưa thông tin về 2 server1 và server2 đặt ở phòng engineering thông qua hệ thống cáp quang và cáp ethernet Mạng này gọi là mạng client/server network

Hai sever có chức năng cung cấp các dịch vụ truy cập đến các controller theo thời gian thực, nhật ký vận hành, các cảnh báo và các sự kiện xảy ra ở các thiết bị lưu trữ khác trong quá trình vận hành

Mỗi trạm thực hiện chức năng điều khiển các công đoạn khác nhau trong nhà máy

 FS1 (Limestone crusing & conveying E.R (801)):

Hình 2.5: FCS01

Trạm này điều khiển động cơ nghiền đá vôi và băng tải vận chuyển PLC sử dụng 1 CPU 414-3PN được sử dụng để điều khiển, nó giao tiếp với các thiết bị ngoại vi cũng như điều khiển động cơ thông qua hệ thống profibus DP Dữ liệu từ PLC sẽ được truyền lên server thông qua tuyến cáp quang

 FS2 (Raw meterial crusing & conveying E.R(802) and Limestone pre-blending storage E.R (803)):

Hình 2.6: FCS02

Trạm này có nhiệm vụ điều khiển quá trình nghiền, vận chuyển liệu thô khác và khâu đồng nhất sơ bộ và đưa vào kho, được trang bị 2 CPU cho PLC S7-400 và 3 I/O modules ( 2 cho khâu nghiền liệu thô, 1 cho khâu đồng nhất sơ bộ)

Trạm này có nhiệm vụ điều khiển quá trình nghiền liệu thô và xử lý khí thải Trạm FCS03 cũng sử dụng 2 CPU 414-5H và 4 I/O module, ngoài ra còn có các bộ chuyển đổi từ chuẩn Profibus PA sang DP, khi truyền các tín hiệu từ khu vực dễ cháy nổ đến FCS

Hình 2.7: FCS03

 FS4 (Clinker Cooling and conveying Electric Room (805)):

Trạm 4 chịu trách nhiệm điều khiển quá trình làm mát Clinker và chuyển đến kho chứa: bao gồm các quạt làm mát và động cơ băng tải để vận chuyển clanke vào kho chứa Trạm cũng bao gồm 2 CPU, 4 I/O module và bộ chuyển đổi từ Profibus PA sang DP

Hình 2.8: FCS04

 FS5 (Cool Grinding (806)):

Trạm 5 điều khiển quá trình làm mát clinker và trộn thêm phụ gia trước khi nghiền thành xi măng, bao gồm điều khiển máy nghiền than đá cung cấp cho lò nung clanke,

Hình 2.9: FCS05

2.3 Mô tả các BUS và phương thức truyền thông trong hệ thống

Nhà máy xi măng VCM sử dụng hệ thống điều khiển phân tán - 1 hệ thống điều khiển phức tạp được chia thành các hệ thống điều khiển con bé hơn liên lạc trao đổi thông tin với nhau

Cấu trúc mạng truyền thông của nhà máy xi măng VCM sử dụng hệ thống mạng công nghiệp Siemen, hệ tự động hóa được chia làm 3 mức:

 Mức tế bào: Thực hiện các chức năng điều khiển, tự động hóa, tối ưu hóa Các thiết bị sử dụng là máy tính, PLC, màn hình điều khiển OP (operation control)

 Mức trường: Ghép nối các bộ điều khiển với các thiết bị trong dây chuyền sản xuất xi măng

 Mức cảm biến/chấp hành: Ghép cảm biến, thiết bị chấp hành với PLC

Tùy theo mức độ quản lý có 2 loại mạng:

 Mạng ethernet công nghiệp

 Mạng Profibus