Nghiên cứu tự động hóa quá trình sản xuất xi măng tại nhà máy xi măng xuân thành

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG TRỊNH VĂN ĐIỆP NGHIÊN CỨU TỰ ĐỘNG HÓA QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT XI MĂNG TẠI NHÀ MÁY XI MĂNG XUÂN THÀNH Chuyên ngành: K

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

TRỊNH VĂN ĐIỆP

NGHIÊN CỨU TỰ ĐỘNG HÓA QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT XI

MĂNG TẠI NHÀ MÁY XI MĂNG XUÂN THÀNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN - 2020

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

TRỊNH VĂN ĐIỆP

NGHIÊN CỨU TỰ ĐỘNG HÓA QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT XI

MĂNG TẠI NHÀ MÁY XI MĂNG XUÂN THÀNH

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: 8.52.02.16

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Người hướng dẫn khoa học:

PGS.TS NGUYỄN THANH HÀ

THÁI NGUYÊN - 2020

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan kết quả đạt được trong luận văn là sản phẩm của cá nhân

dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Thanh Hà Trong toàn bộ

nội dung luận văn, những nội dung được trình bày là của cá nhân hoặc tổng hợp

từ nhiều nguồn tài liệu khác nhau Tất cả các tài liệu tham khảo đó đều có xuất

xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp

Tôi xin chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho

lời cam đoan của mình

Thái Nguyên, tháng năm 2020

Tác giả

Trịnh Văn Điệp

ii

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Nguyễn Thanh Hà - người hướng dẫn khoa học, thầy đã định hướng và nhiệt tình hướng dẫn, giúp

đỡ em trong quá trình làm luận văn

Em xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến quý thầy cô giáo trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông; Khoa Công nghệ tự động hóa đã truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm quý báu cho chúng em trong thời gian học tập

Xin chân thành cảm ơn các bạn bè, đồng nghiệp, ban cán sự và các học viên lớp cao học CĐK 17 A, những người thân trong gia đình đã động viên, chia sẻ, tạo điều kiện giúp đỡ trong suốt quá trình học tập và làm luận văn

Thái Nguyên, tháng năm 2020

Tác giả

Trịnh Văn Điệp

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH Error! Bookmark not defined.

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT………7

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG 4

1.1 Sơ lược về công nghệ sản xuất xi măng poólăng hỗn hợp (PCB) 4

1.1.1 Nguyên liệu để sản xuất xi măng poólăng hỗn hợp 5

1.1.2 Quá trình nghiền bột liệu sống 10

1.1.2.1 Đối với dây chuyền lò đứng 10

1.1.2.2 Đối với dây chuyền lò quay 10

1.1.3 Quá trình nung tạo thành Clinker 10

1.1.3.1 Đối với dây chuyền lò đứng 11

1.1.3.2 Đối với dây chuyền lò quay 11

1.1.4 Quá trình nghiền xi măng 12

1.1.5 Quá trình đóng bao và lưu kho 12

1.2 Hệ thống điều khiển tự động hóa trong quá trình sản xuất xi măng 13

1.3 Hệ thống điều khiển tự động hóa quá trình sản xuất xi măng tại nhà máy Xi măng Xuân Thành 16

1.3.1 Hệ thống điều khiển tự động hóa quá trình sản xuất xi măng hiện tại của nhà máy Xi măng Xuân Thành 18

1.3.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển phân tán DCS của nhà máy 18

1.4 Hệ thống tự động quá trình cấp liệu tại nhà máy Xi măng Xuân Thành 22

1.5 Kết luận chương 1 23

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT 24

2.1 Tổng quan về các phương pháp điều khiển trong tự động hóa 24

2.1.1 Điều khiển truyền thẳng 24

2.1.2 Điều khiển phản hồi 25

iv

2.1.3 Điều khiển tầng 28

2.1.4 Điều khiển nâng cao 29

2.2 Giới thiệu về hệ thống cân băng định lượng 30

2.3 Phương pháp điều khiển logic khả trình 31

2.3.1 Tổng quan về phương pháp điều kiển logic khả trình 31

2.3.2 Các thành phần cơ bản của một PLC 33

2.3.3 Lập trình cho PLC 36

2.3.4 Đánh giá ưu nhược điểm của PLC 38

2.4 Ứng dụng thiết bị điều khiển PLC - S1200 vào tự động hóa quá trình sản xuất 39

2.4.1 Một số bộ điều khiển trung tâm CPUs PLC SIEMENS S7 1200: 40

2.4.2 Mô đun vào ra PLC SIEMENS S7-1200 41

2.5 Kết luận chương 2 42

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT XI MĂNG 43

3.1 Phân tích hê thống tự động hóa quá trình cấp liệu Xi măng Xuân Thành 43 3.1.1 Phân tích quá trình cân cấp liệu 43

3.1.2 Thiết kế hệ thống cân cấp liệu Xi măng Xuân Thành 46

3.1.2.1 Hiện trạng hệ thống cân cấp liệu tại nhà máy Xi măng Xuân Thành 46

3.1.2.2 Thiết kế hệ thống cấp liệu sử dụng PLC S7 1200 47

3.2 Lập trình PLC S7 1200 thực hiện tự động hóa quá trình cấp liệu 51

3.3 Lập trình giao diện HMI kết nối PLC S7 1200 giám sát – điều khiển hệ thống cấp liệu 56

3.4 Kết luận Chương 3 64

KẾT LUẬN 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 1 Hình ảnh công trường khai thác đá vôi………13

Hình 1 2 Hình ảnh máy đập đá vôi 10

Hình 1 3 Hình ảnh lò nung Clinker 11

Hình 1 4 Hình ảnh máy nghiền xi măng 12

Hình 1 5 Hình ảnh minh họa khâu đóng bao thành phẩm 13

Hình 1 6 Cấu trúc chung của một hệ thống điều khiển phân tán 14

Hình 1 7 Cấu trúc của hệ thống điều khiển, giám sát SCADA 15

Hình 1 8 Hình ảnh về nhà máy Xi măng Xuân Thành 16

Hình 1 9 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất xi măng 17

Hình 1 10 Mô hình cân cấp liệu nhà máy Xi măng Xuân Thành 22

Hình 1 11 Bộ điều khiển và hệ thống cân cấp liệu nhà máy Xi măng Xuân Thành 23

Hình 2 1 Cấu trúc của điều khiển truyền thẳng 25

Hình 2 2 Cấu trúc của hệ thống điều khiển phản hồi 26

Hình 2 3 Cấu trúc của hệ thống điều khiển PID 27

Hình 2 4 Cấu bộ điều khiển tầng gồm hai vòng phản hồi 28

Hình 2 5 Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ 29

Hình 2 6 Sơ đồ hệ thống cân băng định lượng 30

Hình 2 7 Trình bày những thành phần cơ bản của bộ điều khiển PLC 33

Hình 2 8 Chu kỳ làm việc của PLC 34

Hình 2 9 Ngôn ngữ lập trình dạng LAD 37

Hình 2 10 Ngôn ngữ lập trình dạng CSF 37

Hình 2 11 Hình thiết bị điều khiển PLC S7-1200 40

Hình 3 1 Cấu hình cân băng cấp liêu 43

Hình 3 2 Bộ điều khiển cân băng định lượng 46

Hình 3 3 CPU1214DC/DC/DC 49

Hình 3 4 Moduel SM 1221, 16DI-S7 1200 49

Hình 3 5 Mô đune SM1231 8AI 49

Hình 3 6 Mô đune SM 1222 16DO 50

Hình 3 7 Mô đune SM1232 – 4AO 50

Hình 3 8 Cấu hình phần cứng trạm PLC S7 1200 cho cân liệu 51

Hình 3 9 Projec cân cấp liệu 51

Hình 3 10 Kết nối mạng Ethernet với PC mổ phỏng – Giao diện giám sát 52

Hình 3 11 Màn hình HMI 8071iP 57

Hình 3 12 Giao diện màn hình chính 58

Hình 3 13 Giao diện thống kê khối lượng 59

Hình 3 14 Giao diện chuẩn cân 60

vi

Hình 3 15 Giao diện chuẩn cân đá 61 Hình 3 16 Giao diện cài đặt các tham số cho bộ điều khiển 62 Hình 3 17 Đồ thị đáp ứng của cân 63

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Hệ thống điều khiển giám sát và thu

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay có rất nhiều thiết bị điều khiển phục vụ cho các bài toán tự động hoá quá trình đã được sản xuất và bán ra ở rất nhiều nước, một trong những thiết bị đó là thiết bị điều khiển khả trình PLC, thiết bị điều khiển PLC ra đời

đã khắc phục được rất nhiều những nhược điểm của hệ thống điều khiển cổ điển điều khiển kiểu Rơle, bản chất của các thiết bị điều khiển PLC là một hệ

vi xử lý chuyên dụng phục vụ cho các bài toán điều khiển logíc, khác với điều khiển kiểu rơle thì thiết bị điều khiển PLC hoàn toàn có thể thu thập và lưu trữ

dữ liệu, có khả năng điều khiển hệ thống trong nhà máy, hoặc điều khiển một công đoạn nào đó, việc thay đổi bài toán điều khiển hoàn toàn được thực hiện

dễ dàng với việc thay đổi chương trình mềm

Ở Việt Nam hiện nay có một số thiết bị mang tính thương phẩm cao và được sử dụng khá nhiều, ví dụ như omron với dòng sản phẩm CPM, CQM, Siemen với dòng sản phẩm S5, S7-200, S7-300, S7-400, S7-1200 Mitsubishi… Tại nhà máy Xi măng Xuân Thành– Hà Nam hệ thống điều khiển tự động hóa quá trình sản xuất tại một số phân đoạn còn chưa đem lại hiệu quả cao dẫn

đến sản lượng thấp Vì vậy, tôi lựa chọn đề tài “Nghiên cứu tự động hóa quá

trình sản xuất xi măng tại nhà máy Xi măng Xuân Thành”, với trọng tâm là

nghiên cứu, thiết kế hệ thống tự động hóa cấp liệu của nhà máy trên cơ sở ứng dụng thiết bị điều khiển PLC làm đề tài luận văn với mong muốn có thể tăng năng suất, tăng sản lượng giảm sức lao động của nhân công

2 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài

Mục tiêu tổng quát: Nghiên cứu các phướng pháp điều khiển và ứng dụng vào các hệ thống tự động hóa quá trình sản xuất xi măng tại nhà máy Xi măng Xuân Thành

Để thực hiện được mục tiêu này, đề tài đặt ra các nhiệm vụ chính sau:

- Nghiên cứu công nghệ sản xuất xi măng tại nhà máy Xi măng Xuân Thành

- Nghiên cứu các phương pháp điều khiển tự động hóa quá trình sản xuất

- Nghiên cứu ứng dụng PLC S7 1200 cho quá trình cân cấp liệu tại nhà máy Xi măng Xuân Thành

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn

măng tại nhà máy Xi măng Xuân Thành

- Phạm vi nghiên cứu: Ứng dụng PLC S7 1200 cho quá trình cân cấp

liệu tại nhà máy Xi măng Xuân Thành

4 Phương pháp nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu của đề tài, luận văn sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau đây:

- Nghiên cứu lý thuyết: Công nghệ sản xuất xi măng tại nhà máy Xi măng Xuân Thành và các phương pháp điều khiển tự động hóa quá trình

- Nghiên cứu thực nghiệm – mô phỏng: Khảo sát hệ thống cân cấp liệu

nhà máy Xi măng Xuân Thành và ứng dụng PLC S7 1200 để thiết kế điều khiển tự động hóa quá trình cấp liệu Lập trình PLC S7 1200 và

HMI thực hiện

5 Bố cục của luận văn

Nội dung của luận văn được trình bầy trong 3 chương, phần mở đầu và phần kết luận được bố cục như sau:

Chương 1: Công nghệ sản xuất xi măng

Chương này trình bầy tổng quan về công nghệ sản xuất xi măng cũng như công nghệ sản xuất xi măng đang ứng dụng tại nhà máy Xi măng Xuân Thành

1200 thực hiện tự động hóa quá trình cấp liệu

Chương 2: Các phương pháp điều khiển tự động hóa quá trình sản xuất

Chương 2 phân tích các phương pháp điều khiển quá trình trong sản xuất Phân tích phương pháp điều khiển logic khả trình và các phần cứng thiết bị thực hiện điều khiển logic khả trình Phân tích cấu hình PLC S7 1200 và xây dựng cấu trúc phần cứng thực hiện điều khiển quá trình cấp liệu

Chương 3: Xây dựng hệ thống tự động hóa quá trình sản xuất xi măng

Trên cơ sở phân tích bài toán cấp liệu tại nhà máy Xi măng Xuân Thành thiết kế cấu hình PLC S7 1200 thực hiện tự động hóa quá trình cấp liệu Thiết

kế, tính chọn thiết bị và vẽ sơ đồ kết nối thiết bị trong hệ thống cấp liệu Xây dựng mô hình thuật toán điều khiển trên PLC S7 1200 và viết chương trình điều khiển cân cấp liệu Xây dựng giao diện vận hành và cấu hình hệ thống trên màn hình HMI kết nối với PLC S7 1200 thực điều khiển tự động hóa quá trình cấp liệu cho nhà máy

CHƯƠNG 1 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG

Xi măng là vật liệu kết dích thủy lực dùng để tạo ra vữa và bê tông được dùng trong xây dựng do có khả năng chịu được các tác động thường thấy của môi trường Năm 1756 khi mà người Anh phát minh ra bê tông đánh dấu một cuộc cách mạng trong lĩnh vực xây dựng hiện đại Công nghệ sản xuất xi măng cũng phát triển theo và không ngừng hoàn thiện Trên thế giới hiện có rất nhiều chủng loại xi măng có đặc tính vật lý khác nhau tuy nhiên xi măng phổ biến và thông dụng nhất là xi măng poóc lăng hỗn hợp (PCB)

1.1 Sơ lược về công nghệ sản xuất xi măng poóc lăng hỗn hợp (PCB)

Công nghệ sản xuất xi măng PCB hiện nay thường được phân loại như sau:

- Theo thiết bị nung có 2 công nghệ sản xuất chính:

+ Công nghệ sản xuất bằng lò đứng

+ Công nghệ sản xuất bằng lò quay

- Theo tính chất vật lý phối liệu gồm các phương pháp:

Clinker xi măng poóc lăng dùng để sản xuất xi măng poóc lăng hỗn hợp

có hàm lượng magiê oxits (MgO) không lớn hơn 5 %

Phụ gia khoáng bao gồm phụ gia khoáng hoạt tính và phụ gia đầy:

- Phụ gia khoáng hoạt tính gồm các loại vật liệu thiên nhiên nhân tạo ở dạng nghiền mịn có tính chất puzôlan và tính chất thủy lực

5

- Phụ gia đầy gồm các loại vật liệu khoáng thiên nhiên hoặc nhân tạo, thực

tế không tham gia vào quá trình hyđrat hóa xi măng, chúng chủ yếu đóng vai trò cốt liệu mịn, làm tốt thành phần hạt và cấu trúc đá xi măng

Phụ gia công nghệ gồm các loại phụ gia có tác dụng cải thiện tính chất của

xi măng nhằm đáp ứng yêu cầu sử dụng hoặc để tăng cường quá trình nghiền và vận chuyển đóng bao và bảo quản xi măng

Tùy theo chất lượng xi măng và phụ gia, tổng lượng các loại phụ gia khoáng (không kể thạch cao) trong xi măng poóc lăng hỗn hợp, tính theo khối lượng xi măng không lớn hơn 40% trong đó phụ gia đầy không lớn hơn 20%, phu gia công nghệ không lớn hơn 1%

Yêu cầu chất lượng của xi măng poóc lăng hỗn hợp:

- Mác của xi măng hỗn hợp PCB gồm: PCB 30 và PCB 40, trong đó: +) PCB là kí hiệu qui ước cho xi măng poóc lăng hỗn hợp

+) Các trị số 30, 40 là giới hạn cường độ nén của mẫu vữa xi măng sau 28 ngày dưỡng hộ tính bằng N/mm2

Ở Việt Nam các chỉ tiêu mác xi măng được xác định theo TCVN 6260:

2009

1.1.1 Nguyên liệu để sản xuất xi măng poóc lăng hỗn hợp

Nguyên liệu chính để sản xuất xi măng là: đá vôi, đất sét, than, quặng sắt, phụ gia điều chỉnh và phụ gia khoáng hóa (nếu có) Sau khi được đồng nhất

sơ bộ và gia công đạt kích thước về cỡ hạt và độ ẩm, Chúng được đưa vào các kho chứa riêng biệt Để đảm bảo yêu cầu về chất lượng sản phẩm các nguyên liệu chính để sản xuất xi măng cần đạt được các yêu cầu sau:

Thành phần đá vôi:

Hình 1 1 Hình ảnh công trường khai thác đá vôi

Thành phần hóa học của hỗn hợp đá vôi phải thỏa mãn các qui định sau:

+) Hàm lượng canxi ôxit (CaO) không nhỏ hơn 51%

+) Hàm lượng manhê ôxit (MgO) không lớn hơn 3,0%

+) Kích thước lớn nhất đá vôi khi nhập không lớn hơn 450mm

+) Kích thước đá vôi khi nhập không nhỏ hơn 100mm

+) Kích thước đá vôi sau đập búa không lớn hơn 25mm

Thành phần đất sét:

Thành phần hóa học của hỗn hợp đất sét phải thỏa mãn qui định sau:

+) Hàm lượng silic đioxit (SiO2) từ 64% đến 72 %

+) Hàm lượng nhôm oxit (Al2O3) từ 14% đến 18%

+) Hàm lượng mất khi nung không lớn hơn 8%

- Đất sét không lẫn dị vật thép và các dị vật có hại

- Độ ẩm đất sét khi nhập không lớn hơn 15%

- Độ ẩm đất sét sau sấy không lớn hơn 3%

Thành phần đá cao silíc:

Thành phần hóa học của hỗn hợp đá cao Silíc phải thỏa mãn các qui định sau:

+) Hàm lượng silíc đioxit (SiO2) trên 82%

+) Hàm lượng nhôm oxit (Al2O3) từ 8% đến 14 %

+) Hàm lượng mất khi nung không lớn hơn 5 %

7

- Đá cao si líc không lẫn dị vật thép và các vật có hại

- Độ ẩm đá cao Silíc khi nhập không lớn hơn 5%

Thành phần quặng sắt: Tiêu chuẩn này qui định cho việc sử dụng

quặng sắt để làm phụ gia điều chỉnh thành phần hóa học của phối liệu sản xuất

Thành phần cát non: Tiêu chuẩn này qui định cho việc sử dụng cát non

làm phụ gia điều chỉnh thành phần hóa học của phối liệu để sản xuất Clinker

ximăng Poóc lăng

Thành phần hóa học của cát non phải thỏa mãn qui định:

+) Hàm lượng điôxít (SiO2) không nhỏ hơn 85%

+) Hàm lượng nhôm ôxít (Al2O3) không lớn hơn 5%

- Độ ẩm tự nhiên của cát non khi nhập không lớn hơn 15%

- Độ ẩm tự nhiên của cát non sau khi sấy không lớn hơn 2%

Thành phần quặng barít: Tiêu chuẩn này qui định cho việc sử dụng

quặng barít làm phụ gia khoáng hóa để nung Clinker xi măng poóc lăng

- Hàm lượng sulfat bari (BaSO4) không nhỏ hơn 75%

- Kích thước hạt khi nhập không lớn hơn 250mm

- Kích thước hạt sau khi đập nhỏ hơn 20mm

Thành phần than cám: Tiêu chuẩn này qui định cho việc sử dụng than

cám làm nhiên liệu để nung Clinker xi măng poóc lăng và làm nhiên liệu để sấy đất sét, cát

- Than Quảng Ninh ở Việt Nam dùng để sản xuất xi măng poóc lăng: +) Hàm lượng tro trong than (Ak) không lớn hơn 24%

+) Hàm lượng chất bốc trong than (Vk) từ 5% đến 10%

+) Độ ẩm tự nhiên trong than không lớn hơn 7,5%(trong quí I,II,IV) không lớn hơn 11,5% (trong qúi III)

- Than Khánh Hòa, than Bá Sơn, Trường CNKT mỏ dùng để nung Clinker xi măng poóc lăng:

+) Hàm lượng tro trong than (Ak) không lớn hơn 22%

+) Hàm lượng chất bốc trong than (Vk) từ 6% đến 13%

+) Độ ẩm tự nhiên trong than không lớn hơn 10%

- Than Núi Hồng dùng để sấy đất sét, cát non:

+) Hàm lượng tro trong than (Ak) không lớn hơn 30%

+) Hàm lượng chất bốc trong than (Vk) từ 8% đến 15%

+) Độ ẩm tự nhiên trong than không lớn hơn 20%

Thành phần thạch cao: Tiêu chuẩn này áp dụng cho việc sử dụng thạch

cao làm phụ gia điều chỉnh thời gian ninh kết của hồ xi măng:

- Hàm lượng SO3 trong thạch cao không nhỏ hơn 37%

- Hàm lượng các chất hữu cơ không lớn hơn 3%

- Kích thước thạch cao khi nhập không lớn hơn 300mm

- Kích thước thạch cao sau khi đập không lớn hơn 25mm

Thành phần xỉ lò cao: Tiêu chuẩn này qui định cho việc sử dụng xỉ lò

cao làm phụ gia sản xuất xi măng poóc lăng hỗn hợp:

- Hàm lượng nhôm oxit (Al2O3) không nhỏ hơn 7%

- Hàm lượng Manhe ôxit (MgO) không lớn hơn 12%

- Kích thước hạt khi nhập không lớn hơn 300mm (đối với xỉ cục)

- Kích thước hạt khi nhập không lớn hơn 10mm (đối với xỉ hạt nhẹ)

- Kích thước hạt sau khi đập không lớn hơn 20mm

- Độ ẩm xỉ hạt nhẹ khi nhập không lớn hơn 20%

- Độ ẩm xỉ hạt nhẹ sau khi sấy không lớn hơn 3%

Bột phối liệu để nung Clinker ximăng poóc lăng bằng công nghệ lò đứng:

- Độ mịn (lượng còn lại trên sàn 0,08mm) không lớn hơn 16%

9

- Hàm lượng canxi ôxit (CaO) dao động không vượt quá  1

- Hàm lượng sắt ôxit (Fe2O3) dao động không vượt quá  0,2

- Các hệ số : KH = 0,931,03

n = 2,0  2,5

p = 0,9  1,5 Bột liệu sống sau nghiền được đổ vào các silô chứa, đồng nhất

Bột phối liệu để nung Clinker ximăng poóc lăng bằng công nghệ lò quay:

- Độ mịn (lượng còn lại trên sàn 0,08mm) không lớn hơn 12%

- Độ mịn (lượng còn lại trên sàn 0,08mm) không lớn hơn 16%

- Hàm lượng canxi ôxit (Cao) dao động không vượt quá  1

- Hàm lượng sắt ôxit (Fe2O3) dao động không vượt quá  0,2

- Các hệ số : KH = 0,88  0,94

n = 2,3  2,7

p = 1,4  1,7 Bột liệu sống sau nghiền được đổ vào các silô chứa, đồng nhất

Clinker xi măng poóc lăng sản xuất bằng công nghệ lò quay : Tiêu

chuẩn này qui định cho việc sử dụng Clinker xi măng poóc lăng để sản xuất xi măng poóc lăng hỗn hợp PCB30, PCB40:

- Hàm lượng đá vôi tự do CaOtd trong Clinker không lớn hơn 2%

- Hàm lượng mất khi nung trong Clinker không lớn hơn 2%

- Màu sắc: xanh sám

- Nhiệt độ Clinker ra lò không lớn hơn 1500C

- Kích thước Clinker sau máy đập hàm không lớn hơn 25mm

- Khối lượng thể tích của Clinker không nhỏ hơn 1200g/l

Clinker ra lò được phân loại và được bảo quản trong các silô hoặc kho chứa, khô ráo, tránh mưa, nước

1.1.2 Quá trình nghiền bột liệu sống

1.1.2.1 Đối với dây chuyền lò đứng

Từ các kho chứa các vật liệu bao gồm: Đá vôi, đất sét, than, quặng sắt, phụ gia điều chỉnh được phối trộn theo yêu cầu của bài toán phối liệu qua hệ thống cân băng định lượng cấp vào máy nghiền và được nghiền trong máy nghiền bi theo chu trình kín Hỗn hợp bột liệu có độ mịn đạt yêu cầu kỹ thuật được chuyển đến các silô chứa nhờ hệ thống cơ học Việc đồng nhất bột liệu được thực hiện bằng cách đảo trộn cơ qua hệ thống vít tải, gầu nâng Bột liệu đạt yêu cầu kỹ thuật cung cấp cho công đoạn nung Clinker

Hình 1 1 Hình ảnh máy đập đá vôi

1.1.2.2 Đối với dây chuyền lò quay.

Từ các kho chứa các vật liệu bao gồm: Đá vôi, đất sét, quặng sắt, phụ gia điều chỉnh được phối trộn theo yêu cầu của bài toán phối liệu qua hệ thống cân băng định lượng cấp vào máy nghiền và được nghiền trong máy nghiền đứng chu trình kín Việc đồng nhất bột liệu được thực hiện bằng phương pháp xục khí qua hệ thống khí nén

1.1.3 Quá trình nung tạo thành Clinker

Sau khi nguyên liệu được nghiền đến cỡ hạt theo yêu cầu hỗn hợp bột liệu sẽ được đồng nhất và chuyển sang quá trình nung

11

Hình 1 2 Hình ảnh lò nung Clinker

1.1.3.1 Đối với dây chuyền lò đứng

Hỗn hợp bột liệu đồng nhất được trộn ẩm cấp cho máy vê viên sau đó đưa vào lò nung Quá trình gia nhiệt trong lò nung tạo cho hỗn hợp bột liệu thực hiện các phản ứng hóa lý để hình thành Clinker Clinker ra lò dạng cục màu đen, kết khối tốt, có độ đặc chắc được chuyển vào ủ trong các silô chứa Clinker và chờ chuyển tới máy nghiền tiếp theo

1.1.3.2 Đối với dây chuyền lò quay

Hỗn hợp bột liệu sau đồng nhất được cấp vào tháp trao đổi nhiệt qua 5 tầng tháp thực hiện phân hủy phần lớn cácbonnát trong nguyên liệu sau đó được chuyển vào lò nung Trong lò nung hỗn hợp liệu được tiếp tục gia nhiệt để thực hiện các phản ứng hóa lý hình thành Clinker Clinker ra lò qua hệ thống máy làm nguội được chuyển vào ủ trong các silô chứa Clinker chờ chuyển tới máy nghiền tiếp theo

1.1.4 Quá trình nghiền xi măng

Hình 1 3 Hình ảnh máy nghiền xi măng

Clinker, thạch cao và phụ gia hoạt tính được cân băng điện tử định lượng theo tỉ lệ đã tính đưa vào máy nghiền chu trình khép kín và đưa lên máy phân

ly để tuyển độ mịn Bột xi măng đạt độ mịn theo yêu cầu kỹ thuật được chuyển vào các silô chứa xi măng Xi măng bột sau máy phân ly được kiểm tra các chỉ tiêu theo tiêu chuẩn quy định đạt yêu cầu mới được đem đóng bao và xuất kho

1.1.5 Quá trình đóng bao và lưu kho

Xi măng được chuyển đến máy đóng bao để đóng bao xuất thẳng hoặc xếp thành từng lô Sau khi kiểm tra các chỉ tiêu theo tiêu chuẩn và đạt yêu cầu mới được nghiệm thu, đánh dấu lưu giữ chuẩn bị xuất kho

13

Hình 1 4 Hình ảnh minh họa khâu đóng bao thành phẩm

1.2 Hệ thống điều khiển tự động hóa trong quá trình sản xuất xi măng

Như ta đã biết tự động hóa quá trình sản xuất (TĐH QTSX) bao gồm tự động hóa quá trình công nghệ (TĐH QTCN) và tự động hóa điều hành sản xuất (TĐH ĐHSX) Quá trình điều hành sản xuất như thiết kế sản phẩm, lập kế hoạch sản xuất, kế hoạch vật tư, lao động, kế hoạch tài chính, kinh doanh tiếp thị vv muốn tự động hóa ở mức độ cao thì nhà máy phải có hệ thống trang thiết bị hiện đại và một hệ thống điều khiển tự động hóa quá trình sản xuất tiên tiến vì vậy mà TĐH QTSX có thể coi như một quá trình TĐH QTCN

Các nhà máy xi măng hiện nay thường sử dụng là hệ thống điều khiển phân tán DCS và hệ thống điều khiển SCADA điều khiển tự động hóa quá trình sản xuất Hệ thống điều khiển phân tán DCS (Distributed Control System) là một hệ thống điều khiển cho một dây chuyền sản xuất, một quá trình hoặc bất

cứ một hệ thống động học nào, trong đó các bộ điều khiển không tập trung tại một nơi mà được phân tán trên toàn hệ thống với mỗi hệ thống con được điều khiển bởi một hoặc nhiều bộ điều khiển

Một hệ thống điều khiển phân tán DCS bao gồm các thành phần chính sau:

Hình 1 5 Cấu trúc chung của một hệ thống điều khiển phân tán

- Trạm điều khiển cục bộ (local control station, LCS) đôi khi còn được

gọi là các khối điều khiển cục bộ (local control unit, LCU) hoặc các trạm quá trình (process station, PS) Các trạm điều khiển cục bộ thuộc cấp điều khiển, là nơi thực hiện mọi chức năng điều khiển cho một công đoạn Các trạm này thường được đặt trong phòng điều khiển hoặc phòng điện ở cạnh phòng điều khiển trung tâm hoặc rải rác gần khu vực hiện trường

- Trạm vận hành (operator station, OS) được đặt tại phòng điều khiển

trung tâm Các trạm vận hành có thể hoạt động song song, độc lập với nhau

Để tiện cho việc vận hành hệ thống, người ta thường sắp xếp mỗi trạm vận hành tương ứng với một phân đoạn hoặc một phân xưởng

- Trạm kỹ thuật (engineering station, ES) 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

- Hệ thống truyền thông gồm bus hệ thống (system bus) và bus trường

(field bus) Bus hệ thống (system bus) sẽ nối mạng các trạm điều khiển cục bộ với nhau và với các trạm vận hành, trạm kỹ thuật Bus trường có chức năng

15

ghép nối trạm điều khiển với các trạm vào/ ra phân tán và các thiết bị trường

thông minh

Ngoài các thành phần chính trên, một hệ thống điều khiển DCS cụ thể

có thể bao gồm các thành phần khác như trạm vào/ra từ xa (remote I/O station), các bộ điều khiển chuyên dụng, v.v

Hệ thống điều khiển SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu, ra đời vào những năm 80 trên cơ sở ứng dụng kỹ thuật tin học, mạng máy tính và truyền thông công nghiệp Hệ SCADA cho phép liên kết mạng ở nhiều mức độ khác nhau từ các bộ cảm biến, cơ cấu chấp hành, các bộ điều khiển, các trạm máy tính điều khiển và giám sát, cho đến các trạm máy tính điều hành và quản lý công ty

Hình 1 6 Cấu trúc của hệ thống điều khiển, giám sát SCADA

Nhìn chung SCADA là một hệ kết hợp phần cứng và phần mềm để tự động hoá việc quản lý giám sát điều khiển cho một đối tượng sản xuất công nghiệp Tuỳ theo yêu cầu cụ thể của bài toán tự động hoá ta có thể xây dựng hệ SCADA thực hiện một số những nhiệm vụ tự động hoá như: Thu thập giám sát

từ xa về đối tượng, điều khiển đóng cắt từ xa lên đối tượng, điều chỉnh tự động

từ xa với các đối tượng và các cấp quản lý

Các chức năng đó mỗi thứ đều có những yêu cầu đặc biệt đối với các bộ phận phần cứng, phần mềm, phần chuyên trách của SCADA Cụ thể là phần

đo, giám sát từ xa cần bảo đảm thu thập dữ liệu hiển thị in ấn đủ những số liệu cần cho quản lý kỹ thuật Phần điều khiển thao tác xa phải đảm bảo được việc kiểm tra đóng cắt an toàn, đúng đắn Phần truyền tin xa phải quy định rõ các nhiệm vụ truyền số liệu hiện trường, đặc biệt là thủ tục truyền với các SCADA cấp trên

Ngày nay, hầu hết các hệ SCADA còn có khả năng liên kết với các hệ thống thương mại có cấp độ cao hơn, cho phép đọc viết theo cơ sở dữ liệu chuẩn như Oracle, Access, Microsoft SQL …

1.3 Hệ thống điều khiển tự động hóa quá trình sản xuất xi măng tại nhà máy Xi măng Xuân Thành

Hình 1 7 Hình ảnh về nhà máy Xi măng Xuân Thành

Nhà máy Xi măng Xuân Thành thuộc tỉnh Hà Nam được xây dựng trên địa phận xã Thanh Nghị – huyện Thanh Liêm – tỉnh Hà Nam Với nguồn nguyên liệu đá vôi dồi dào, chất lượng tốt nhất Việt Nam, ngay bên cạnh nhà máy, cùng với nguyên liệu đất sét cách nhà máy 5km tạo điều kiện thuận lợi cho sản xuất Nhà máy cách quốc lộ 1A chỉ 1km và với hệ thống Sông Đáy nằm dọc theo chiều dài nhà máy đã tạo nên những điều kiện tự nhiên rất thuận

Hiện nay nhà máy có 2 dây chuyền sản xuất xi măng trong đó dây chuyền thứ 2 mới được lắp ráp theo công nghệ sản xuất của Châu Âu, còn dây chuyền sản xuất thứ nhất sản xuất xi măng theo công nghệ lò quay của Trung Quốc Trong giới hạn của luận văn này chỉ nghiên cứu, cải tiến hệ thống điều khiển

tự động hóa quá trình sản xuất xi măng đối với dây chuyền sản xuất thứ nhất của nhà máy

Quy trình công nghệ của dây chuyền sản xuất số 1 được mô tả như hình sau:

Hình 1 8 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất xi măng

1.3.1 Hệ thống điều khiển tự động hóa quá trình sản xuất xi măng hiện tại của nhà máy Xi măng Xuân Thành

Hiện tại nhà máy đang sử dụng hệ thống điều khiển phân tán DCS được thiết kế do 2 cấp cấu thành đó là: Cấp điều khiển thao tác và cấp điều khiển quá trình, sử dụng liên kết bằng mạng công nghiệp Ethernet network

Cấp điều khiển thao tác thiết kế 3 trạm thao tác, trong đó một trạm đồng thời là trạm công trình sư, trạm thao tác đều nằm ở buồng điều khiển trung tâm CCR

Cấp điều khiển quá trình bao gồm:

+) Trạm điều khiển quá trình đập đá vôi và sét (bao gồm đập đá vôi và sét, đồng nhất đá vôi và sét)

+) Trạm điều khiển quá trình nghiền liệu (bao gồm vận chuyển đá vôi và sét, chứa nguyên nhiên liệu, chứa nguyên liệu và phối liệu, sấy nghiền liệu và đỉnh silô đồng nhất)

+) Trạm điều khiển đuôi lò (bao gồm silô đồng nhất liệu, cấp liệu đuôi

lò, xử lý khí thải đuôi lò, khung giá đuôi lò)

+) Trạm điều khiển đầu lò (bao gồm giữa lò, đầu lò và nghiền than, làm nguội Clinker và vận chuyển, chứa Clinker và liệu hỗn hợp)

1.3.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển phân tán DCS của nhà máy

Trạm thao tác, trạm điều khiển quá trình của hệ thống điều khiển DCS ở bản thiết kế này có những tính năng cụ thể sau:

* Trạm điều khiển quá trình đập đá vôi và sét

- Điều khiển trình tự khởi động hoặc dừng của thiết bị điện công đoạn đập đá vôi và sét

- Điều khiển trình tự khởi động hoặc dừng của thiết bị điện công đoạn liệu vào kho nguyên liệu

- Điều khiển đồng nhất xả liệu kho đồng nhất đá vôi và sét

- Điều khiển và kiểm tra số liệu vận hành công đoạn đập đá vôi và sét

- Điều khiển và kiểm tra số liệu vận hành công đoạn liệu vào kho nguyên liệu

* Trạm điều khiển nghiền liệu sống:

- Điều khiển phối liệu liệu sống

- Điều khiển và kiểm tra số liệu vận hành hệ thống máy nghiền liệu đứng

- Điều khiển và kiểm tra số liệu vận hành hệ thống trạm dầu bôi trơn máy nghiền liệu đứng

- Điều khiển và kiểm tra số liệu vận hành công đoạn nghiền bột liệu sống

- Điều khiển và kiểm tra mức liệu silô đồng nhất

* Trạm điều khiển đuôi lò:

- Điều khiển trình tự dừng và khởi động của thiết bị điện công đoạn ra liệu và silô đồng nhất liệu

- Điều khiển trình tự khởi động và dừng thiết bị điện công đoạn cấp liệu đuôi lò

- Điều khiển khởi động và dừng quạt chịu nhiệt cao đuôi lò

- Điều khiển trình tự dừng và khởi động thiết bị điện hệ thống cấp thoát nước tháp gia ẩm đuôi lò

- Điều khiển trình tự dừng và khởi động thiết bị điện công đoạn hồi bụi đuôi lò

- Điều khiển trình tự dừng và khởi động hệ thống điều khiển lọc bụi tĩnh điện đuôi lò

- Điều khiển và kiểm tra số liệu nhiệt công của quá trình sản xuất như áp lực, lưu lượng, vòng quay, mức liệu, tải trọng của công đoạn cấp liệu đuôi lò

- Điểu khiển và kiểm tra tham số vận hành của quạt chịu nhiệt cao đuôi

lò

- Điểu khiển và kiểm tra tham số nhiệt công trong quá trình sản xuất của nhiệt độ, áp lực, hàm lượng CO, độ mở cửa gió, v.v của lò phân giải và tháp trao đổi nhiệt đuôi lò

- Điều khiển và khiển tra tham số nhiệt công quá trình sản xuất của áp lực, lưu lượng, độ mở của van của hệ thống cấp nước cho tháp gia ẩm đuôi lò

- Điều khiển và kiểm tra tham số nhiệt công trong quá trình sản xuất của nhiệt độ, áp lực, độ mở của gió của công đoạn hồi bụi đuôi lò

- Điều khiển và kiểm tra tham số vận hành của điện lưu, điện áp, điện trường ba điện cao áp của hệ thống điều khiển lọc bụi tĩnh điện đuôi lò

- Điều khiển chống tắc của tháp trao đổi nhiệt

- Kiểm tra số liệu áp lực đường ống khí ra trạm khí nén

- Kiểm tra số liệu áp lực miệng nước ra của nhà bơm nước tuần hoàn

* Trạm điều khiển đầu lò:

- Điều khiển trình tự khởi động hoặc dừng thiết bị điện truyền động của

lò quay

- Điều khiển trình tự khởi động hoặc dừng thiết bị điện khác của công đoạn trong lò

- Điều khiển và kiểm tra số liệu vận hành của hệ thống điều tốc trực lưu

số của động cơ chính của lò quay

- Điều khiển và kiểm tra số liệu nhiệt công trong quá trình sản xuất như nhiệt độ dầu của các công đoạn trong lò, nhiệt độ của bánh đẩy.v.v

- Điều khiển trình tự khởi động hoặc dừng các thiết bị điện công đoạn chứa than nguyên liệu

- Điều khiển trình tự khởi động hoặc dừng các thiết bị điện chuẩn bị than bột

- Điều khiển trình tự khởi động hoặc dừng các thiết bị điện công đoạn cấp than đầu lò

- Điều khiển trình tự khởi động hoặc dừng các thiết bị điện công đoạn vận chuyển đập làm nguội Clinker

- Điều khiển trình tự khởi động hoặc dừng các thiết bị điện công đoạn lọc bụi gió thừa

- Điều khiển trình tự khởi động hoặc dừng các thiết bị điện công đoạn ra liệu của silô Clinker

- Điều khiển và kiểm tra lưu lượng cấp than nguyên liệu

21

- Điều khiển và kiểm tra số liệu nhiệt công trong quá trình sản xuất như nhiệt độ công đoạn chuẩn bị than mịn, áp lực, tải trọng, điện lưu, độ mở của cửa gió

- Điều kiển và kiểm tra số liệu nhiệt công trong quá trình sản xuất như nhiệt độ công đoạn cấp than đầu lò, áp lực, tải trọng, điện lưu, độ mở của cửa gió

- Kiểm tra tham số nhiệt công của quá trình sản xuất như nhiệt độ công đoạn làm nguội, nghiền, vận chuyển Clinker, áp lực, vòng quay, điện lưu, độ

mở của cửa gió

- Điều khiển tốc độ biến tần chuyền động hai đoạn thân ghi chính của máy làm nguội kiểu ghi

- Kiểm tra tham số nhiệt công của quá trình sản xuất như nhiệt độ công đoạn lọc bụi gió thừa, áp lực, vòng quay, điện lưu, độ mở của cửa gió

- Điều khiển điều tốc biến tần công đoạn ra liệu silô Clinker

- Khống chế điều tiết tự động cấp than đầu lò

- Khống chế điều tiết tự động cấp than lò phân giải đuôi lò

* Trạm thao tác:

- Sử dụng sơ đồ lưu trình công nghệ quá trình sản xuất hiển thị chia tầng, chia công đoạn, và luôn hiển thị trạng thái vận hành của các thiết bị điện cho từng công đoạn và các tham số công nghệ của dây chuyền sản xuất

- Sử dụng sơ đồ xu thế chia nhóm chỉ đạo thực tế giá trị, hiển thị chia nhóm xu thế biến đổi có tính chất lịch sử ở từng nhóm thiết bị với các tham số tương quan giữa các nhóm trong quá trình sản xuất, chỉ đạo thao tác từng vị trí

- Sử dụng sơ đồ bảng biểu để liệt kê các tham số một cách trực quan; Chia trang hiển thị tham số công nghệ của lưu trình công nghệ

- Sử dụng menu khởi động - dừng thiết bị kiểu bật lên, thực hiện nhiệm

vụ dừng - khởi động thiết bị

- Sử dụng menu mặc định tham số kiểu bật lên, trạm điều khiển thiết kế thời gian thực và giá trị các tham số điều khiển hệ số PID tự động điều khiển

- Tham số công nghệ quá trình sản xuất sẽ báo động khi bị vượt giới hạn

và báo động sự cố thiết bị trong quá trình sản xuất

- Ghi nhớ toàn bộ số liệu quá trình sản xuất, bao gồm báo động và kiểm tra số liệu tham số công nghệ

- Sử dụng menu ghi nhớ số liệu và sơ đồ xu thế, có thể dùng để phân tích

sự cố và phân tích sự thay đổi của quá trình sản xuất

- In ra báo cáo của quá trình sản xuất

* Hệ thống mạng công nghiệp:

- Trao đổi các số liệu giữa cấp thao tác và cấp điều khiển

- Dự phòng hỗ trợ và cắt đổi giữa các trạm thao tác

- Kết nối trạm công trình sư đến trạm thao tác, trạm điều khiển

1.4 Hệ thống tự động quá trình cấp liệu tại nhà máy Xi măng Xuân

Thành

Hệ thống tự động hóa quá trình cấp liệu tại nhà máy Xi măng Xuân Thành cho phép điều khiển tự động cân phối liệu các thành phần nguyên liệu đầu vào theo tỉ lệ bài toán phối liệu đã tính toán đặt ra

Hệ thống cấp liệu bao gồm nhiều cân băng cấp liệu, mỗi cân băng sẽ cấp một loại liệu cụ thể: Đá, đất sét, quặng, thạch cao … Trên cơ sở bài toán phối liệu, mỗi cân băng sẽ được chạy cấp ổn định lưu lượng đã đặt

Hình 1 9 Mô hình cân cấp liệu nhà máy Xi măng Xuân Thành

Hiện tại các cân cấp liệu tại nhà máy Xi măng Xuân Thành sử dụng mô đune cân vi xử lý của Trung quốc để điều khiển và giám sát hoạt động của hệ

Phân tích công nghệ của nhà máy Xi măng Xuân Thành và hệ điều khiển DCS đang được ứng dụng trong nhà máy Nghiên cứu hoạt động của quá trình tự động hóa cấp liệu tại nhà máy, khảo sát hiện trạng cân cấp liệu

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA

QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT 2.1 Tổng quan về các phương pháp điều khiển trong tự động hóa

Về cơ bản trong tự động hóa có 2 kiểu điều khiển vòng lặp: Vòng lặp mở (open loop) và vòng lặp kín (closed loop)

Với bộ điều khiển vòng lặp mở, các lệnh từ bộ điều khiển độc lập với đầu ra Ví dụ dễ hiểu như: Để giữ ấm nhiệt độ trong một tòa nhà, người ta lắp một cái lò sưởi ở trung tâm, được điều khiển bởi 1 bộ timer Bộ timer này sẽ điều khiển bật/ tắt lò sưởi theo thời gian định sẵn lặp đi lặp lại mà không cần biết nhiệt độ trong phòng đang là nóng hay lạnh

Với bộ điều khiển vòng lặp kín, các lệnh từ bộ điều khiển luôn phụ thuộc vào giá trị ở đầu ra Trong trường hợp lò sưởi bên trên, để giữ nhiệt độ trong phòng luôn ổn định, người ta lắp thêm một cảm biến nhiệt độ nhờ có phản hồi (feedback) từ cảm biến mà bộ điều khiển có thể cảm nhận được nhiệt độ trong phòng, từ đó so sánh giữa nhiệt độ trong phòng và nhiệt độ cần tăng giúp nhiệt

độ trong phòng luôn ở mức cố định Do đó, bộ điều khiển vòng lặp kín, luôn có một vòng của tín hiệu phản hồi để đảm bảo đầu ra theo đúng giá trị đã thiết lập vậy nên, bộ điều khiển vong lặp kín còn được gọi là bộ điều khiển có phản hồi

2.1.1 Điều khiển truyền thẳng

Cấu trúc của điều khiển truyền thẳng (feedforward) được minh họa như

hình 2.1 Đặc điểm cơ bản của điều khiển truyền thẳng là số biến nhiễu quá trình được đo và đưa thẳng tới bộ điều khiển Dựa trên các giá trị đo lường cùng với giá trị đặt, bộ điều khiển tính toán đưa ra giá trị cho biến điều khiển Nếu đáp ứng đặc tính của quá trình với biến điều khiển cũng như với biến nhiễu biết trước, bộ điều khiển có thể thực hiện thuật toán bù trước sao cho giá trị biến được điều khiển bằng với giá trị đặt

25

Hình 2 1 Cấu trúc của điều khiển truyền thẳng

Ưu điểm của điều khiển truyền thẳng là khả năng loại bỏ nhiễu trước khi nhiễu kịp ảnh hưởng xấu đến quá trình (đối tượng) Tuy nhiên nhược điểm lớn nhất của điều khiển truyền thẳng là cần phải biết rõ thông tin về quá trình và ảnh hưởng của nhiễu

Điều khiển tỉ lệ là một cấu trúc đặc biệt của điều khiển truyền thẳng Trong

rất nhiều các ứng dụng của điều khiển các quá trình tự động hóa trong công nghiệp, giá trị của một biến cần điều khiển có quan hệ trực tiếp với tỉ lệ giữa giá trị biến vào Điều khiển tỉ lệ là duy trì tỉ lệ giữa hai biến tại một giá trị đặt nhằm dán tiếp điều khiển một biến thứ ba Điều khiển tỉ lệ được áp dụng trong nhiều bài toán khác nhau ví dụ như trong quá trình đốt cháy cần hiệu suất cao

ta cần duy trì tỉ lệ nhiên liệu và tỉ lệ không khí ở một giá trị thích hợp

2.1.2 Điều khiển phản hồi

Điều khiển phản hồi (feedback control) dựa trên nguyên tắc liên tục đo giá trị biến được điều khiển và phản hồi thông tin về bộ điều khiển để tính toán lại giá trị của biến điều khiển Vì cấu trúc này nên điều khiển phản hồi còn được gọi là điều khiển vòng kín (closed-loop control) Trong các sách lược điều khiển, điều khiển phản hồi đóng vài trò quan trọng trong các hệ thống tự động Điều khiển phản hồi được sử dụng gần như hầu hết trong tất cả các hệ thống điều khiển tự động

Bộ điều khiển

z

w

u

Mô hình tổng quát

Hình 2 2 Cấu trúc của hệ thống điều khiển phản hồi

Cấu trúc của hệ thống điều khiển phản hồi được minh họa như hình 2.2

Trong đó w là các đầu vào của quá trình, z là các đầu ra cần kiểm soát, y là các đầu vào bộ điều khiển, u là các tín hiệu điều khiển Có thể nói, hầu hết cấu hình

điều khiển có thể đưa về dạng này như điều khiển phản hồi trạng thái, điều khiển thích nghi và điều khiển dự báo theo mô hình Cấu hình điều khiển phản hồi thông dụng được minh họa trong hình 2.3, bộ điều khiển thực hiện luật điều khiển dựa trên sai lệch giữa giá trị quan sát được của biến được điều khiển và giá trị đặt Thuật toán PID đưa ra giá trị đầu ra của biến đươc điều khiển dựa

trên tỉ lệ với sai lệch điều khiển (e(t)), luật tích phân tỉ lệ với tích phân của sai

lệch điều khiển và luật vi phân tỉ lệ với vi phân sai lệch điều khiển

Bộ điều khiển PID được sử dụng rộng rãi để điều khiển đối tượng SISO

Lý do bộ điều khiển PID được sử dụng rộng rãi là tính đơn giản của nó cả về

cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc Bộ PID có nhiệm vụ đưa ra sai lệch e(t) của hệ

thống về 0 sao cho trong quá trình quá độ thỏa mãn các yêu cầu về tiêu chuẩn chất lượng:

- Nếu sai lệch e(t) càng lớn thì tín hiệu điều chỉnh càng lớn – vai trò của

thành phần khuếch đại KP

- Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua thành phần tích phân vẫn

tạo ra tín hiệu điều chỉnh

- Nếu sự thay đổi của sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần tích phân phản ứng của u(t) càng nhanh

27

Hình 2 3 Cấu trúc của hệ thống điều khiển PID

Trong đó: giá trị sai lệch r(t) là giá trị đặt, u(t) là giá trị đầu ra của bộ điều khiển, y(t) là giá trị đầu ra cần được điều khiển, e(t) là giá trị sai lệch Giá trị

đầu ra của bộ điều khiển được viết theo biểu thức 2.1:

𝑢(𝑡) = 𝐾𝑃𝑒(𝑡) + 𝐾𝐼∫ 𝑒(𝑡) + 𝐾𝐷𝑑𝑒(𝑡)

Chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào các tham số KP, KI và KD của bộ điều khiển Có thể kể đến một số phương pháp xác định các tham số của bộ điều khiển như sau:

- Phương pháp Ziegler-Nichols;

- Phương pháp Chien-Hrones-Reswich;

- Phương pháp tổng T của Kuhn;

- Phương pháp tối ưu độ lớn và phương pháp tối ưu đối xứng;

- Phương pháp tối ưu theo sai lệch bám

Tùy thuộc vào đối tượng mà bộ điều khiển có thể có cả ba thành phần hoặc chỉ có 2 thành phần Ví dụ như trong đối tượng đã có thành phần tích phân thì trong thiết kế bộ điều khiển không cần phải có thêm thành phần tích phân mới có thể tạo cho sai lệch bằng 0, nói cách khác khi đó bộ điều khiển chỉ cần PD Hoặc tín hiệu trong hệ thống thay đổi chậm và bản thân bộ điều khiển không cần phải có phản ứng nhanh với sai lệch e(t) thì ta chỉ cần sử dụng bộ điều khiển có cấu trúc PI

2.1.3 Điều khiển tầng

Điều khiển phản hồi có rất nhiều ưu điểm, tuy nhiên một nhược điểm của phương pháp điều khiển này là ảnh hưởng của nhiễu đến biến được điều khiển đầu ra chậm được phát hiện Điều khiển tầng (cascade control) là một cấu trúc

mở rộng của điều khiển vòng đơn nhằm khắc phục vấn đề trên

Điều khiển tầng giúp loại bỏ ảnh hưởng của một số dạng nhiễu và cải thiện đặc tính động học của hệ thống Tư tưởng của điều khiển tầng là loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu ngay tại nơi mà nhiễu phát sinh ra Một cấu trúc điều khiển tầng có thể bao gồm hai hay nhiều vòng điều khiển Trong bất kỳ trường hợp nào, bộ điều khiển vòng trong cũng phải nhanh hơn bộ điều khiển vòng ngoài

Hình 2 4 Cấu bộ điều khiển tầng gồm hai vòng phản hồi

Điều khiển tầng có một số ưu điểm sau:

- Cải thiện khả năng loại bỏ nhiễu cục bộ;

- Giảm độ quá điều chỉnh;

- Cải thiện tính ổn định của toàn hệ kín;

- Nâng cao tính bền vững của hệ kín

Đối tượng

y(t) r(t)

-

Bộ điều khiển 1

-

Bộ điều khiển 2

29

2.1.4 Điều khiển nâng cao

Trong nhiều bài toán, biến cần điều khiển chưa chắc đã dễ điều khiển trực tiếp bởi một trong các lý do:

- Quan hệ giữa biến điều khiển và biến được điều khiển không tuyến tính (phi tuyến)

- Phép đo biến cần điều khiển và biến điều khiển không chính xác hoặc rất chậm so với động học của quá trình (hoặc chậm so với một phần nào đó của quá trình)

- Bản thân động học của quá trình rất chậm, ảnh hưởng của nhiễu chậm được phản ánh trong biến cần điều khiển

Một số vấn đề trên có thể được khắc phục bằng một số phương pháp bù nhiễu, hoặc kết hợp các phương pháp điều khiển ở trên, một số phương pháp khác sử dụng các bộ điều khiển điều khiển mờ, điều khiển nơ ron, điều khiển deep learning,

Điều khiển mờ: Hoạt động của một bộ điều khiển mờ phụ thuộc vào

kinh nghiệm và phương pháp rút ra kết luận theo tư duy của con người sau đó được cài đặt vào máy tính trên cơ sở logic mờ Một bộ điều khiển mờ bao gồm 3 khối cơ bản: Khối mờ hoá, thiết bị hợp thành và khối giải mờ Ngoài ra còn có khối giao diện vào và giao diện ra

Hình 2 5 Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ

- Khối mờ hoá có chức năng chuyển mỗi giá trị rõ của biến ngôn ngữ đầu

vào thành véc tơ μ có số phần tử bằng số tập mờ đầu vào

- Thiết bị hợp thành mà bản chất của nó sự triển khai luật hợp thành R

được xây dựng trên cơ sở luật điều khiển

- Khối giải mờ có nhiệm vụ chuyển tập mờ đầu ra thành giá trị rõ y0 ứng với mỗi giá trị rõ x0 để điều khiển đối tượng

- Giao diện đầu vào thực hiện việc tổng hợp và chuyển đổi tín hiệu vào

(từ tương tự sang số), ngoài ra còn có thể có thêm các khâu phụ trợ để thực hiện bài toán động như tích phân, vi phân,

- Giao diện đầu ra thực hiện chuyển đổi tín hiệu ra (từ số sang tương tự)

để điều khiển đối tượng

Nguyên tắc tổng hợp một bộ điều khiển mờ hoàn toàn dựa vào những phương pháp toán học trên cơ sở định nghĩa các biến ngôn ngữ vào/ra và sự lựa chọn những luật điều khiển

2.2 Giới thiệu về hệ thống cân băng định lượng

Hệ thống cân băng định lượng là một hệ thống cân điện tử động, ứng dụng việc cân định lượng khối lượng nguyên liệu cho quá trình sản xuất sản phẩm ngay trên hệ thống băng truyền cấp liệu Việc ứng dụng cân băng định lượng vào dây truyền sản xuất sẽ giúp cho hệ thống sản xuất của nhà máy được diễn ra liên tục, đảm bảo được khối lượng nguyên liệu chuẩn cho sản phẩm đầu

ra, giúp cho tiêu chuẩn chất lượng sản phẩm đạt được tiêu chuẩn cao nhất, giá trị sản phẩm được nâng cao

Hình 2.6 Sơ đồ hệ thống cân băng định lượng