ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
KIM ĐÌNH THÁI
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ
NUNG CHO NHÀ MÁY CÁN THÉP THÁI NGUYÊN
TRÊN NỀN SIMTIC S7-300 VÀ PHẦN MỀM WINCC
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Thái Nguyên - 2013
i
Kim Đình Thái – Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cho nhà máy cán thép Thái Nguyên
LỜI CAM ĐOAN
kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung trên nền Simatic S7-300 và phần mềm WinCC”
đã hoàn thành.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:
Cô giáo hướng dẫn GS.TS Phan Xuân Minh, Bộ môn Điều khiển Tự động – Viện
Điện – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Tập thể cán bộ nhà máy cán thép Thái Nguyên, đặc biệt là các cán bộ thuộc phòng
Cơ – Điện của nhà máy.
Phòng đào tạo Sau đại học và các thầy cô giáo thuộc Trường Đại học Kỹ thuật
Công nghiệp Thái Nguyên.
Toàn thể các bạn bè đồng nghiệp cùng gia đình đã quan tâm, động viên và giúp đỡ
tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn này.
Thái Nguyên, ngày 19 tháng 12 năm 2013
Học viên
Kim Đình Thái iii
Kim Đình Thái – Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cho nhà máy cán thép Thái Nguyên
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TĂT vi
DANH MỤC CÁC BẢNG vii
DANH MỤC CÁC HÌNH viii
2.2.1.3. Vùng đồng nhiệt 30
2.2.2. Bài toán điều khiển nhiệt độ lò nung 31
2.3. Mô hình toán học của từng vùng nung 32
2.3.1. Mô hình toán học vùng 1 32
2.3.1.1. Hàm truyền thiết bị đo 33
2.3.1.2. Hàm truyền thiết bị chấp hành 33
2.3.1.3. Hàm truyền vùng 1 34
2.3.2. Mô hình toán học các vùng khác 36
2.4. Thiết kế bộ điều khiển cho từng vùng 37
2.4.1. Thiết kế bộ điều khiển PID cho vùng 1. 37
2.4.1.1. Bộ điều khiển PID 37
2.4.1.2. Ứng dụng PID tune để thiết kế bộ điều khiển 38
2.4.2. Tổng hợp bộ điều khiển PID cho các vùng khác 44
2.5. Kết luận chương 2 46
CHƯƠNG 3. 47
TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG TRÊN NỀN
SIMATIC S7-300 VÀ PHẦN MỀM WINCC 47
3.1. Cấu hình hệ thống điều khiển 47
3.1.1. Cấu hình phần cứng 47
3.1.2. Bảng địa chỉ các đầu vào-ra 49
3.1.2.1. Các đầu vào tương tự 49
3.1.2.2. Các đầu ra tương tự 51
3.2. Thiết bị và phần mềm hỗ trợ lập trình 52
v
Kim Đình Thái – Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cho nhà máy cán thép Thái Nguyên
3.2.1. Thiết bị lập trình 52
3.2.2. Thiết bị ghép nối truyền thông 52
3.3. Thiết kế phần mềm điều khiển 52
3.3.1. Cấu trúc điều khiển nhiệt độ của lò nung. 52
2 AO Analog Output Module đầu ra tương tự
3 CB Cảm biến
4 CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm
5 DB Data Block Khối dữ liệu
6 DIN Deutsches Institut für Normung Tiêu chuẩn Đức
7 ĐTĐK Đối tượng điều khiển
8 FB Function Block Miền chứa chương trình con
9 FC Function Miền chứa chương trình con
10 FO Fuel Oil Nhiên liệu đốt lò
11 HMI Human - Machine Interface Giao diện người máy
12 JIS Japanese Industrial Standards-JIS Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản
13 KCS Kiểm tra chất lượng sản phẩm
14 KK Không khí
15 LMN Manipulated Value Giá trị đầu ra module mềm
16 MATLAB
MATrix LABoratory Phần mềm tính toán và mô phỏng
17 MBA Máy biến áp
18 MCC Motor Control Center Trung tâm điều khiển Motor
19 MPI Message Passing Interface Giao thức kết nối với máy tính
20 OB Organization Block Miền chứa chương trình tổ chức
21 PC Personal Computer Máy tính cá nhân
22 PID Proportional Integral Derivative Thuật toán điều khiển vi tích phân
tỷ lệ
23 PLC Programmable Logic Controller Thiết bị logic khả trình
24 PS Power Supply Module nguồn nuôi
25 QTB Quenching Hệ thống xử lý nhiệt
26 STL Statement list Ngôn ngữ liệt kê lệnh
27 TCGT Tiêu chuẩn cơ sở của công ty cổ
phần gang thép
36
4 Bảng 2.2. Tổng hợp thông số bộ điều khiển PID cho 4 vùng nung
45
5 Bảng 3.1. Bảng địa chỉ đầu vào tương tự
50
6 Bảng 3.2. Bảng địa chỉ đầu ra tương tự
51
viii
Kim Đình Thái – Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cho nhà máy cán thép Thái Nguyên
DANH MỤC CÁC HÌNH Trang
1 Hình 1.1. Sơ đồ quy trình công nghệ cán thép
6
2 Hình 1.2. Hệ thống điều khiển phân tán nhà máy
19
3 Hình 2.1. Lò nung phôi cán thép
22
4 Hình 2.2. Cấu tạo mỏ đốt lò nung phôi cán 23
5 Hình 2.3. Hệ thống nước làm mát
17 Hình 2.11. Mô phỏng vùng đồng nhiệt 3, 4 khi nhiệt độ đặt 1150
0
C 46
18 Hình 3.1. Cấu trúc trạm PLC của hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung 48
19 Hình 3.2. Cấu hình cứng của trạm PLC điều khiển nhiệt độ lò nung
49
ix
Kim Đình Thái – Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cho nhà máy cán thép Thái Nguyên
20 Hình 3.3. Kết nối PLC với PC
52
21 Hình 3.4. Cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung
53
22 Hình 3.5. Cấu trúc module mềm FB41 “CONT_C”.
56
23 Hình 3.6. Thuật điều khiển PID
58
24 Hình 3.7. Cấu trúc điều khiển van không khí
63
25 Hình 3.8. Giao diện tổng quan khu vực lò nung
66
26 Hình 3.9. Màn hình điều khiển nhiệt độ vùng 1
Kim Đình Thái – Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cho nhà máy cán thép Thái Nguyên
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Với tình trạng một số nhà máy cán thép được xây dựng từ thế kỷ 20 ở nước ta và
công nghệ tự động hoá phát triển mạnh trong công nghiệp nói chung và trong công nghiệp
cán thép nói riêng thì thiết bị công nghệ trong các nhà máy đã tỏ ra lạc hậu ảnh hưởng tới
hiệu quả sản xuất. Do vậy, việc cải tạo nâng cấp thiết bị nâng cao khả năng tự động hoá
trong sản xuất cán thép là điều tất yếu.
Đối với nhà máy cán thép Thái Nguyên, qua khảo sát tìm hiểu, thì hiện tại nhà máy
có khá nhiều các công đoạn được điều khiển thủ công và phụ thuộc khá nhiều vào kinh
nghiệm của người vận hành. Cụ thể là công đoạn nung phôi thép trong lò nung của nhà
máy đang được điều khiển dưới dạng bán tự động, vì thế chất lượng thép thành phẩm
nhiều khi không đạt được các yêu cầu công nghệ đặt ra. Từ đó thấy rằng việc nghiên cứu
và cải tiến hệ thống tự động hóa nhà máy cán thép nói chung và nhà máy cán thép Thái
Nguyên nói riêng là thực sự cấp thiết để nâng cao hiệu quả sản xuất. Với ý nghĩa đó và
được sự đồng ý của cán bộ hướng dẫn GS.TS Phan Xuân Minh, tôi đề xuất đề tài “Thiết
kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cho nhà máy cán thép Thái Nguyên trên nền
Simatic S7-300 và phần mềm WinCC”.
2. Mục đích nghiên cứu
Mục đích của nghiên cứu nhằm khai thác công nghệ tự động hóa hiện đại để nâng
cấp và cải thiện hiệu quả nung phôi thép trong lò. Trên cơ sở đó, mục tiêu của nghiên cứu
là: Phân tích và làm rõ được bài toán điều khiển nhiệt độ lò nung, làm rõ được các yêu
cầu công nghệ đặt ra để từ đó thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho bốn vùng nung, tổng
hợp hệ thống điều khiển và giám sát nhiệt độ lò nung trên nền Simatic S7-300 và phần
mềm WinCC.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung của nhà
máy cán thép Thái Nguyên.
2
CHƯƠNG 1
QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ VÀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA TẠI
NHÀ MÁY CÁN THÉP THÁI NGUYÊN
1.1. Giới thiệu nhà máy
Nhà máy cán thép Thái Nguyên được khởi công xây dựng tháng 6/2002 với chủ
đầu tư là công ty gang thép Thái Nguyên. Tất cả thiết bị chính trong dây chuyền là do
hãng Danieli - Italia cung cấp.
Ngày 19/8/2005, nhà máy được công nhận đạt chứng chỉ ISO 9001-2000. Tháng
7/2005 nhà máy được công ty gang thép Thái Nguyên giao kế hoạch sản xuất, nhằm đáp
ứng nhu cầu thép trong nước.
Với công nghệ, thiết bị hiện đại và tiên tiến của các nước G7 được áp dụng từ năm
1997 trở lại đây. Mức độ tự động hoá cao và có các thiết bị xử lý chất thải bảo vệ môi
trường theo tiêu chuẩn cho phép với công suất 300.000 tấn/năm, dây chuyền của nhà máy
được đánh giá là tương đối hiện đại với mức độ tự động hoá cao từ giai đoạn đưa phôi vào
lò đến khi ra thành phẩm. Các sản phẩm của nhà máy không ngừng được cải thiện về cả
chất lượng lẫn số lượng.
Sản phẩm:
+ Thép cuộn: Ø5,5 mm đến Ø12mm.
+ Thép thanh tròn, vằn: Ø10 mm đến Ø36 mm.
+ Ngoài ra các sản phẩm trung gian có thể cán đến Ø50 mm.
Tiêu chuẩn sản phẩm: Theo tiêu chuẩn DIN của Đức, ngoài ra khi có yêu cầu của
khách hàng nhà máy vẫn có thể sản xuất theo các tiêu chuẩn hiện hành công ty gang thép
đang áp dụng.
+ Tiêu chuẩn Nhật Bản JISG 3112-87.
+ Tiêu chuẩn cơ sở TCGT 001-2001, của công ty gang thép.
4
Kim Đình Thái – Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cho nhà máy cán thép Thái Nguyên
+ Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1650-85.
50 14 42.000 865
Ø6,5/8,0
50 15 45.000 925
Ø9/12
50 1 3.000 65
100% 300.000 3096000 1,032 6.180
- Thời gian sản xuất trong năm (365 ngày).
- Thời gian vận hành 7396 h/ năm (308 ngày).
- Thời gian dừng sửa chữa cơ điện và các nguyên nhân khác: 908h/ năm.
5
Kim Đình Thái – Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cho nhà máy cán thép Thái Nguyên
- Thời gian cán lý thuyết: 7396 - 980 = 6416 h / năm.
- Thời gian cán thực tế: 6180 h / năm.
- Hiệu suất thời gian: 86,7%.
- Năng suất cán trung bình: 50T/ h.
- Tiêu hao phôi cán: 1,030 kg/ Tsp. (phế + đầu mẫu = 2%, cháy trong lò = 0,6%,
vẩy sắt = 0,4%, Tổng = 3%).
- Tỷ lệ thu hồi sản phẩm : 97%.
1.2. Quy trình công nghệ cán thép
Qui trình công nghệ của nhà máy cán thép Thái Nguyên được biểu diễn ở hình 1.1.
Hình 1.1. Sơ đồ quy trình công nghệ cán thép
Thu cu
ộ
n
Đạt
Ki
ể
m tra
Cân nh
ậ
p kho
Đ
ế
m, đóng bó
C
ắ
t s
ả
n ph
ẩ
m
Làm ngu
ộ
i dây
Máy t
ạ
o vòng
Sàn lăn d
ả
i
Sàn ng
u
ộ
i
C
ắ
t phân đo
ạ
n
Quenching
Cán thanh
Cán thô
C
Không đạt
Ra lò
Nung phôi
N
ạ
p phôi
Ki
ể
m tra
Phôi
Đạt
Đạt
7
Kim Đình Thái – Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cho nhà máy cán thép Thái Nguyên
1.2.1. Quy trình cán thép dây cuộn
Phôi được nhập về từ nhà máy Luyện thép Lưu xá và một lượng nhập khẩu từ các
nước Trung Quốc, Nga Qua kiểm tra, thực hiện theo quy định kiểm tra nhập phôi
QĐ824-02 và áp dụng tiêu chuẩn. Phôi tiết diện vuông 120
2
÷ 130
2
mm
2
Vật cán chuyển tiếp từ giá nọ sang giá kia nhờ hệ thống dẫn hướng cơ khí và máng
chuyển. Từ giá cán số 9 đến giá cán số 14 giữa các giá có bố trí một máy tạo trùng (5 máy
tạo trùng), mục đích tạo sự ổn định trong quá trình cán.
Phôi cán trước khi vào block được cắt đầu đuôi tại máy cắt số 2 nhằm loại bỏ các
khuyết tật đầu đuôi vật cán tạo cho quá trình cán trong block được ổn định. Trường hợp
sự cố phía sau, máy cắt này có nhiệm vụ cắt phôi thành từng đoạn ngắn không cho cán
vào block. Sau máy cắt số 2 có bố trí 01 máy tạo trùng làm cho quá trình cán ổn định hơn
trong block. Cán block gồm 10 giá đặt nghiêng 45
0
so với mặt phẳng ngang, các giá
vuông góc với nhau ( 90
0
). Năm giá cán đầu kích thước bánh cán là: Ø212 x 72mm, 5 giá
tiếp theo kích thước bánh cán là: Ø212x 60 mm. Tuỳ theo từng loại sản phẩm cán mà số
lần cán trong block và kíck thước lỗ hình bánh cán khác nhau.
+ Thép thanh tròn trơn, vằn Ø14, Ø16 kết thúc ở giá thứ 2 trong block ( K16 )
+ Thép thanh tròn trơn, vằn Ø12 kết thúc ở giá thứ 4 trong block ( K18 )
+ Thép thanh tròn trơn, vằn Ø10 kết thúc ở giá thứ 6 trong block ( K20 )
+ Thép tròn trơn cuộn Ø8 kết thúc ở giá thứ 8 trong block ( K22 )
+ Thép tròn trơn cuộn Ø5,5 ÷ Ø6,5 kết thúc ở giá thứ 10 trong block ( K24 ).
Sản phẩm đi ra khỏi Block theo 2 đường:
- Đối với thép thanh: Theo đường dẫn tới hệ thống Quenching ( QTB )
- Đối với thép dây cuộn: Theo đường dẫn tới hệ thống làm nguội ( QTR )
Gồm hai hộp nước lớn. Bên trong có các thiết bị khác nhau với mục đích xử lý
nhiệt làm nguội thép dây tăng cơ tính độ bền của thép, cải thiện chất lượng bề mặt nhẵn
bóng.
Máy tạo vòng được đặt nghiêng 15
0
so với mặt phẳng ngang. Thép dây được dẫn
vào rôto của máy tạo vòng quay ngược chiều kim đồng hồ tính theo hướng cán bởi một
khiển bằng tay khi cần thiết).
10
Kim Đình Thái – Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cho nhà máy cán thép Thái Nguyên
Bó thép dịch chuyển trên đường con lăn ra hệ thống cân tự động và được gắn
êtekét chuyển nhập xếp vào kho. Tất cả các thông số, kết quả sản xuất được các công
nhân vận hành tại các vị trí lưu trữ trên các thiết bị ghi và sổ sách cần thiết cho việc lưu
trữ và tính toán kinh tế của các kỳ sản xuất kinh doanh.
1.3. Hệ thống cung cấp điện
Hệ thống cung cấp điện phải luôn luôn đảm bảo cung cấp điện liên tục cho dây
chuyền sản xuất, thiết bị chiếu sáng, cầu trục, nhà điều hành, kho bãi…bao gồm các trạm
biến áp trung áp, hạ áp, trạm máy phát, trạm lọc sóng hài bậc cao và bù công suất.
1.3.1. Trạm biến áp trung áp
a. Trạm biến áp 35KV ngoài trời:
+ Số lượng : 1
+ Hãng sản xuất: Nhà máy Chế tạo thiết bị điện Đông Anh - Hà Nội
+ Thông số kĩ thuật:
S
đm
=14/16 MVA
/3581.25%/23
ONANONAFKV
=±∗
U=8 % at 14 MVA
Dyn11/
+Thiết bị phụ trợ đi kèm: Máy cắt hợp bộ và các thiết bị bảo vệ: Bảo vệ kém áp,
bảo vệ quá áp, bảo vệ quá dòng, bảo vệ chạm đất. Rơ le hơi (bảo vệ nhiệt độ dầu, áp suất
dầu…)
+ Nhiệm vụ:
22± 2x2,5%/0,73 kV
U
k
=7 %
MBA T4:
S
đm
=3150 kVA
22± 2x2,5%/0,73 kV
U
k
=7 %
MBA T5:
S
đm
=2500 kVA
22± 2x2,5%/0,4 kV
U
k
=6.5 %
MBA T5:
S
đm
=2500 kVA
22± 2x2,5%/0,4 kV
U
k
=6.5 %
- Thiết bị phụ trợ đi kèm: máy cắt hợp bộ và các thiết bị bảo vệ:
1.3.4. Hệ thống tủ điện
Sau các máy biến áp 22kV các thiết bị được cung cấp điện thông qua các tủ động
lực và điều khiển. Các tủ này được bố trí trong phòng điện chính, một số tủ ngoài hiện
trường.
13
Kim Đình Thái – Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cho nhà máy cán thép Thái Nguyên
Trong phòng điện chính các tủ điện được chia làm 2 dãy. Các khu vực bố trí tủ cụ
thể như sau:
* Hệ thống tủ máy cắt hợp bộ
- Nhiệm vụ: Đây là hệ thống tủ chứa máy cắt hợp bộ với các MBA, các tín hiệu
liên quan đến MBA (dòng, áp, nhiệt độ dầu…) được đưa về nhằm khởi động và bảo vệ
các MBA, gồm 2 hệ thống tủ:
- Máy cắt hợp bộ 36kV cho MBA 16MVA ngoài trời.
+ Mã hiệu: MERLIN GERIN SM6-36.
+ Nhà cung cấp: Nhà máy chế tạo thiết bị điện Đông Anh-Hà Nội
+ Loại tủ: Techgel.
- Máy cắt hợp bộ 22kV cho các MBA từ T1 đến T6
+ Mã hiệu: MERLIN GERIN SM6.
+ Nhà cung cấp: Nhà máy chế tạo thiết bị điện Đông Anh-Hà Nội
+ Loại tủ: Techgel
* 30BB D01: Power centrer – 1: Trung tâm năng lượng 1
* 30BB D02: Power centrer – 2: Trung tâm năng lượng 2
+ Nhiệm vụ: Đây là 2 trung tâm nhận điện từ MBA T5, T6 và tr
ạm phát điện
khi sự cố phân phối cho các phụ tải của MBA T5, T6:
* ACCU Panel: Tủ nạp điện 110V DC
+ Loại tủ: Techgel
+ Nhiệm vụ:
Hệ thống đóng cắt phối hợp hoạt động giữa các tủ và ắc quy.
Kim Đình Thái – Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cho nhà máy cán thép Thái Nguyên
+ Các tủ -A1;-A2;-A3;-A3;-A4;-A5 cho động cơ con lăn bàn nâng phôi và nạp
phôi trong lò.
+ Tủ -A6 cho hành trình 9 động cơ con lăn ra phôi đầu ra lò nung.
+ Tủ -A10 cho máy bơm, bộ sấy dầu.
+ Tủ -A7 cho sấy ống phân phối khí phun mù.
+ Tủ -A8;-A9;-A11;-A12;-A15 cho động cơ máy bơm 1; 2; 3; 4 trên đường phân
phối dầu.
+ Tủ -A16 cho động cơ đóng mở cơ cấu dẫn động thuỷ lực van khí thải và áp lực
lò nung.
+ Tủ -A17;-A18 cho động cơ quạt khí đốt lò nung.
+ Tủ -A19 cho động cơ bơm mỡ bôi trơn.
+ Tủ -A20;-A21;-A22;-A23 cho máy bơm số 1; 2; 3; 4 trạm thuỷ lực lò.
+ Đầu cấp cho hệ thống TVCC.
+ Tủ -A29 (30BB L05) bảng điện PLC cho lò nung
* 30BB E10: Rolling mill MCC.
+ Loại tủ: Techgel
- Nhiệm vụ:
+ Tủ -A1 cho động cơ nâng hạ bàn di chuyển làm mát
+ Tủ -A2;-A3 cho động cơ bơm thuỷ lực máy cán
+ Tủ -A4 cho động cơ bơm tuần hoàn máy cán
+ Tủ -A5 cho bộ sấy hệ thống thuỷ lực khu vực máy cán
+ Tủ -A6 cho động cơ bơm thuỷ lực cho QRT
+ Tủ -A34 (30BB L42) PLC cho các dịch vụ phụ trợ FFB.
Copyright: Tài liệu đại học ©