Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGÀNH : TỰ ĐỘNG HOÁ

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PLC TRONG CÔNG NGHỆ
SẢN XUẤT TẠI NHÀ MÁY XI MĂNG LA HIÊN
THÁI NGUYÊN
TRẦN THỊ TUYẾT LAN
THÁI NGUYÊN Học viên: Trần Thị Tuyết Lan
Người HD Khoa Học: TS. Nguyễn Thanh Hà THÁI NGUYÊN 2008

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
2
THUYẾT MINH

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
o0o
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
5
Mục lục
Mục
Tên đề mục
Trang

Trang phụ bìa
1

Lời nói đầu
2

Mục lục
5
Chương 1
Công nghệ sản xuất và hệ thống tự động hoá
của nhà máy xi măng la hiên thái nguyên
7
1.1
Sơ lược về quá trình hình thành và cấu trúc tổ
chức của nhà máy xi măng La Hiên Thái Nguyên
7
1.2
Giới thiệu chung về sơ đồ tổ chức của nhà máy xi
măng La Hiên Thái Nguyên
8
1.3

Thuật toán
38
3.2
Cấu hình cứng
43
3.3
Cấu hình mạng
43
3.4
3.5
Địa chỉ hoá các đầu vào ra
Chương trình thu thập dữ liệu với phần mềm
STEP7
44
46
Chương 4
Mô phỏng hoạt động của hệ thống
47
4.1
Khái niệm cơ bản về WinCC
47
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
6
4.2
Những đặc điểm chính của WinCC
48
4.3
Các thành phần của WinCC
50
4.4

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
3
Lời nói đầu
Sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật và sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật máy
tính đã cho ra đời các thiết bị điều khiển số như CNC, PLC… các thiết bị này cho
phép khắc phục được rất nhiều các nhược điểm của hệ thống điều khiển trước đó và
đáp ứng được yêu cầu về kinh tế và kỹ thuật trong sản xuất.
Với sự phát triển của khoa học công nghệ như hiện nay thì việc ứng dụng
thiết bị logic khả trình PLC để tự động hoá quá trình sản xuất, nhằm mục tiêu tăng
năng xuất lao động, giảm sức người, nâng cao chất lượng sản phẩm đang là một vấn
đề cấp thiết và có tính thời sự cao.
Luận văn với đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng PLC trong công nghệ sản
xuất tại nhà máy xi măng Thái Nguyên” nhằm mục đích tìm hiểu nghiên cứu ứng
dụng của bộ điều khiển PLC trong sản xuất. Đối tượng để luận văn đề cập đến là lò
quay trong nhà máy xi măng La Hiên – Thái Nguyên, đây là một nhà máy hiện nay
đã có mức độ tự động hoá được nâng lên rất cao với việc sử dụng thiết bị điều khiển
PLC S7-300 cùng với các thiết bị khác của hãng SIEMENS.
Luận văn bao gồm những nội dung chính như sau:
Chương 1: Công nghệ sản xuất và hệ thống tự động hoá của nhà máy xi
măng La Hiên Thái Nguyên
Chương 2: Tổng quan về PLC và PLC S7-300
Chương 3: Ứng dụng PLC cho quá trình công nghệ
Chương 4: Mô phỏng hoạt động của hệ thống
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
4
Trong quá trình tiến hành làm luận văn, mặc dù được sự hướng dẫn tận tình
của giáo viên hướng dẫn T.S. Nguyễn Thanh Hà và bản thân tác giả cũng đã cố
gắng tham khảo tài liệu và tìm hiểu thực tế trong nhà máy nhưng do thời gian và
kinh nghiệm còn hạn chế nên luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Tác
giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp và nhận xét đánh giá quí báu của

chạy thử do các chuyên gia của Trung Quốc đảm nhiệm. Cán bộ, công nhân Việt
Nam được tiếp nhận công nghệ và tổ chức thực hiện.
Hiện nay, nhà máy cách trung tâm thành phố Thái nguyên 18km nằm trên
quốc lộ 1B (Thái Nguyên - Lạng Sơn). Giao thông thuận tiện, các nguồn nguyên
liệu chính cung cấp cho nhà máy ( quặng, sắt, đá vôi, đất sét ) ở trong phạm vi
không quá 30km.
Sản phẩm của nhà máy hiện nay được tiêu thụ trên các thị trường thuộc các
tỉnh: Thái Nguyên, Hà Nội, Quảng Ninh, Bắc Kạn, Vĩnh Phúc, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
8 1.2 Giới thiệu chung về sơ đồ tổ chức của nhà máy xi măng La Hiên
Thái Nguyên
PX
vận tải
PX
cơ điện
Phòng
TCNS
Phòng
KDTT
Phòng
KHVT
Phòng
TCKT
phòng
TCKTTK
Phòng
thanh tra
Phòng
HC
Đội
bảo vệ
Trạm Y tế
Phòng
an toàn
PX
cấp liện
PX
lò quay
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
9
1.3 Tóm tắt công nghệ sản xuất xi măng của nhà máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
10
Bảng 1.1
Chỉ tiêu
Mức
PCB 30
PCB40
1. Cường độ nén(N/mm
2
), không nhỏ hơn
-72 giờ  45 phút (R
3
)
- 28 ngày  2 giờ (R
28
)

14
30

18
40
2. Thời gian đông kết
- Bắt đầu (phút) không nhỏ hơn
- Kết thúc (giờ) không lớn hơn

45
10
3. Độ nghiền mịn:
- Phần còn lại trên sàng 0,09mm, % không lớn hơn

+) 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
Đất sét:
- Thành phần hóa học của hỗn hợp đất sét phải thỏa mãn qui định sau:
+) Hàm lượng silic đioxit (SiO
2
) từ 64% đến 72 %
+) Hàm lượng nhôm oxit (Al
2
O
3
) 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%
Đá cao silíc:
- Thành phần hóa học của hỗn hợp đá cao Silíc phải thỏa mãn các qui định
sau:
+) Hàm lượng silíc đioxit (SiO
2
) trên 82%
+) Hàm lượng nhôm oxit (Al
2
O
3
) từ 8% đến 14 %
+) Hàm lượng mất khi nung không lớn hơn 5 %

4
) không nhỏ hơn 75%.
- Kích thước hạt khi nhập không lớn hơn 250mm.
- Kích thước hạt sau khi đập nhỏ hơn 20mm.
Than cám: Tiêu chuẩn này qui định cho việc sử dụng than cám làm nhiên
liệu để nung Clinker xi măng poolăng và làm nhiên liệu để sấy đất sét, cát.
- Than Quảng Ninh dùng để sản xuất xi măng poolăng:
+) 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 poolăng:
+) 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%
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 SO
3
trong thạch cao không nhỏ hơn 37%.
- Hàm lượng các chất hữu cơ không lớn hơn 3%
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
13
- Kích thước thạch cao khi nhập không lớn hơn 300mm.
- Kích thước thạch cao sau khi đập không lớn hơn 25mm.

O
3
) 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 theo yêu cầu của phòng
KTSXXM
Bột phối liệu để nung clinker ximăng poolăng bằng công nghệ lò quay:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
14
- 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 (Fe
2
O
3
) 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 poolăng sản xuất bằng công nghệ lò đứng: Tiêu chuẩn
này qui định cho việc sử dụng Clinker xi măng poolăng để sản xuất xi măng
poolăng hỗn hợp:
- Hàm lượng vôi tự do CaO
td

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.
1.3.2.2. 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.
1.3.3. 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.
1.3.3.1. Đối với 02 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.
1.3.3.2. 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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
16
phản ứng hóa lý hình thành clinker. Clinker ra lò qua hệ thống máy làm lạnh được
chuyển vào ủ trong các silô chứa clinker chờ chuyển tới máy nghiền tiếp theo.
1.3.4. Quá trình nghiền xi măng:
Clinker, thạch cao và phụ gia hoạt tính được cân băng điện tử định lượng

nghệ, những công đoạn sản xuất chính của dây chuyền sử dụng điều khiển bằng
DCS. Hệ thống DCS được thiết kế nhất thiết phải thích ứng với công nghệ sản xuất
sau khi cải tạo, hoàn toàn thỏa mãn yêu cầu điều khiển cụ thể, từ phương diện điều
khiển vì công suất chất lượng của cả dây chuyền đưa ra đảm bảo kỹ thuật.
Độ tin cậy: Hệ thống chọn sử dụng cần có độ tin cậy cao, từ phương diện
thiết bị là điều khiển quá trình sản xuất ổn định, tỉ lệ vận hành thiết bị cao đưa ra
đảm bảo về thiết bị.
Tính kinh tế: Hệ thống chọn dùng phải đảm bảo tính kinh tế, độ tin cậy cao,
kết hợp tình hình cụ thể của dây chuyền sản xuất, xem xét tổng hợp đến đầu tư cho
cả hệ thống, tính năng của hệ thống, trình độ điều khiển và các nhân tố kinh tế kỹ
thuật khác đảm bảo tính kinh tế của toàn hệ thống.
1.4.2. Phƣơng án hệ thống điều khiển DCS
Hệ thống DCS của phương án thiết kế này do 2 cấp cấu thành đó là: cấp điều
khiển thao tác và cấp điều khiển quá trình, giữa 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; ngoài ra
buồng điều khiển trung tâm có lắp đặt một máy in khổ rộng, để in tài liệu của hệ
thống;
Cấp điều khiển quá trình có một trạm điều khiển, 2 trạm từ xa I/O:
+) Trạm I/O đập đá vôi (bao gồm đập đá vôi, đồng nhất đá vôi).
+) Trạm điều khiển nghiền liệu I/O (bao gồm vận chuyển đá vôi, 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).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
18
+) 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.

- 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.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
20

21
- 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 của 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 một cách hình tượng, trực quan, toàn
diện, phong phú; Lưu trình công nghệ quá trình sản xuất hiển thị chia tầng, chia
công đoạn, và luôn hiển thị rõ ràng trạng thái vận hành của các thiết bị điện 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 hoàn chỉnh, trực
quan; Chia trang hiển thị tham số công nghệ của lưu trình công nghệ.
- Sử dụng menu dừng - khởi động thiết bị một cách rõ ràng, đơn giản, chia
đoạn để thực hiện dừng - khởi động máy đơn và dừng - khởi động liên kết các thiết
bị điện, và điều khiển quá trình dừng - khởi động thiết bị, hiển thị thời gian thực chỉ
thị phương thức điều khiển khởi động công đoạn.
- 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 PIĐ 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.
- Hoàn thành hình thức điều khiển phức tạp ( mà trạm điều khiển PLC không
thể hoàn thành được) bao gồm:
+) Điều khiển phối liệu sống.
+) Điều khiển cân bằng gió máy làm nguội kiểu ghi.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
23
Tóm lại
Trong công nghệ sản xuất xi măng có rất nhiều công đoạn có thể được tự
động hoá và xây dựng thành một hệ điều khiển DCS mà trong đó phải sử dụng các
thiết bị điều khiển thích hợp.
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 phần
mềm trợ giúp…
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, Mitsubishi…
Hiện nay nhà máy đã và đang sử dụng một số sản phẩm của hãng SIEMENS,
một sản phẩm hiện nay đang có uy tín trên thị trường Việt Nam và quốc tế, do vậy
trong phạm vi đề tài tác giả ứng dụng với sản phẩm PLC S7-300 trong sản xuất là
một sản phẩm của hãng SIEMENS.

24

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
CHƢƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ PLC S7-300
2.1 Mở đầu