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
SIMTAC S7-300 VÀ PHẦN MỀM WINCC

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 6052 0216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Thái Nguyên - 2014

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:

2

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.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài: Luận văn lấy nhà máy cán
thép Thái Nguyên làm địa điểm nghiên cứu, thời gian nghiên cứu từ
tháng 03-2013 đến tháng 11-2013.
4. Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực
nghiệm.
Nghiên cứu lý thuyết về quy trình công nghệ và hệ thống tự
động hóa nhà máy, phân tích và làm rõ bài toán điều khiển nhiệt độ
lò nung, mô hình hóa các vùng lò nung, từ đó thiết kế và tổng hợp hệ
thống điều khiển.
Nghiên cứu tiến hành khảo sát thực địa tại nhà máy cán thép
Thái Nguyên, có thực nghiệm và mô phỏng kết quả nghiên cứu.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học: Phân tích và làm rõ bài toán điều khiển
nhiệt 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 cho
từng vùng lò và cuối cùng là xây dựng trạm điều khiển lò nung, lập
trình 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 đóng
góp cho việc nâng cấp và cải tiến hệ thống tự động hóa nhà máy cán
thép Thái Nguyên mà cụ thể là cho khu vực lò nung nhà máy.

6. Cấu trúc của luận văn
Ngoài phần mở đầu và kết luận, bản luận văn được chia làm
3 chương.


Thu cuộn
Đạt
Ki
ể
m tra

Cân nhập kho
Đếm, đóng bó
Cắt sản phẩm
Ki
ể
m tra

Buộc cuộn
Cân nhập kho
Phân loại, xếp riêng
Không đạt Không đạt

lý

Không đạt
Ra lò
Nung phôi
Nạp phôi
Ki
ể
m tra

Phôi
Đạt
5

1.2.1. Quy trình cán thép dây cuộn
1.2.2. Quy trình cán thép thanh tròn trơn vằn
1.3. Hệ thống cung cấp điện
1.3.1. Trạm biến áp trung áp
a. Trạm biến áp 35KV ngoài trời:
b. Trạm biến áp 22kV trong nhà
1.3.2. Trạm máy phát 110 kVA
1.3.3. Trạm lọc sóng hài bậc 5, bậc 7 và bù công suất
1.3.4. Hệ thống tủ điện
1.4. Hệ thống tự động hóa
1.4.1. Các tủ điều khiển
1.4.2. Hệ thống điều khiển phân tán
1.5. Kết luận chương 1
Tổng quan về nhà máy cán thép Thái nguyên, qui trình công
nghệ, hệ thống cung cấp điện và hệ thống tự động hóa là các nội
dung chính đã được trình bày trong chương 1. Vấn đề tìm giải pháp

Charging
Vïng sÊy
Vïng nung
è
ng khãi
Kick off1 Kick off2

Hình 2.1. Lò nung phôi cán thép
Lò nung của nhà máy cán thép Thái Nguyên là loại lò đốt
liên tục sử dụng dầu, kiểu đáy bước, có công suất nung 50 tấn/h.
2.1.2. Các yêu cầu điều khiển lò nung
a. Điều khiển hoạt động lò nung
b. Điều khiển nhiệt độ và điều khiển đốt
7

c. Kiểm soát khí thừa
d. Kiểm soát quá áp lò
e. Kiểm soát áp suất khí đốt
f. Bảo vệ bộ thu hồi khỏi nhiệt độ cao
g. Bảo vệ mạch làm nguội đáy bước.
h. Hệ thống camera theo dõi lò nung
i. Dịch vụ hỗ trợ lò nung
2.2. Phát biểu bài toán điều khiển quá trình nung
2.2.1. Yêu cầu nhiệt độ từng vùng nung
2.2.1.1. Vùng sấy
2.2.1.2. Vùng nung
2.2.1.3. Vùng đồng nhiệt
2.2.2. Bài toán điều khiển nhiệt độ lò nung
Với yêu cầu nhiệt độ từng vùng như trên nên mỗi vùng đều
được bố trí các mỏ đốt (đốt bằng dầu với không khí). Tại mỗi mỏ đốt

2.3.1.1. Hàm truyền thiết bị đo
Trong hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung thì thiết bị đo
gồm: can nhiệt (loại S) và bộ chuyển đổi đo chuẩn.
()
1
m
m
k
Gs
s
τ
=
+
(hoặc một khâu bậc hai ổn định).
Vì hằng số thời gian τ (khoảng 0.005s) rất nhỏ so với hằng
số thời gian của vùng nhiệt (100s), tức là phép đo có động học nhanh
hơn nhiều so với động học quá trình, do đó ta có thể bỏ qua quán tính
của thiết bị đo và coi đặc tính của thiết bị đo như một khâu khuếch
Thiết bị
đo
0÷550l/h

Biến đk
0÷1400
0
C
Biến cần đk T

4÷20mA
Tín hiệu đo

1
()0.0114
m
Gs=
.
2.3.1.2. Hàm truyền thiết bị chấp hành
Thiết bị chấp hành được sử dụng là van bướm được điều
chỉnh bằng thiết bị thủy lực khí nén. Mô hình động học của van điều
khiển có thể đưa về một khâu quán tính bậc nhất:
()
()
()1
v
v
v
k
Fs
Gs
Uss
τ
==
+

Thông thường τ
v
có giá trị khoảng một vài giây, ta chọn
1
v
s
τ

+2.3.1.3. Hàm truyền vùng 1
Lò nung là đối tượng có dung lượng lớn, có thời gian trễ và
quan hệ không tuyến tính của các tham số, bằng giải tích ta rất khó
tìm được đặc trưng tĩnh học và động lực học của chúng. Với những
10

lý do trên nên hiện nay ta sử dụng chủ yếu dựa trên phương pháp
thực nghiệm xác định hàm truyền của từng vùng nung trong lò.
Bằng phương pháp thực nghiệm ta thấy, khi cấp nhiệt tối đa
(công suất P=100%) cho vùng lò thì nhiệt độ của vùng lò tăng dần
với đường đặc tính quá độ của các vùng lò có dạng hình chữ S. Do
đó có thể xấp xỉ mô hình toán học các vùng lò nung về dạng mô hình
toán học bậc nhất có trễ.
Hàm truyền vùng 1:
1
1
1
1
.
()
1
s
Ke
Gs
Ts
τ
−


11
100;30
Tss
τ==
. Vậy ta có:
30
1
2.55
()
1001
s
Gse
s
−
=
+

Như vậy tổng hợp các kết quả trên đây ta có thể xác định
hàm truyền của đối tượng điều khiển vùng 1:
30
111
1
()().().().
(1001)(1)
s
Imv
GsGsGsGse
ss
−

II
e
Gs
ss
−
=
++

3
Vùng 3, 4
(vùng đồng nhiệt)
50
()()
(1201)(1)
s
IIIIV
e
GsGs
ss
−
==
++

2.4. Thiết kế bộ điều khiển cho từng vùng
Vì lò nung là một đối tượng có tham số biến đổi chậm, đặc
tính động học của quá trình và của cảm biến nhiệt độ thường chậm
hơn của thiết bị chấp hành. Phép đo nhiệt độ chậm nhưng thường ít
chịu ảnh hưởng của nhiễu. Vì thế ta sẽ sử dụng luật PID để cải thiện
tốc độ đáp ứng, đồng thời giúp ổn định hệ thống dễ dàng hơn.
2.4.1. Thiết kế bộ điều khiển PID cho vùng 1

s
I
Gse
ss
−
=
++

K
PID
(s) là hàm truyền của bộ điều khiển PID:
()
I
PIDPD
K
KsKKs
s
=++

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.
E(s)

Tín hiệu

I
KPI==
;
.13.7372
D
KPD==
.
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 thời
gian trễ (30s) và độ quá điều chỉnh (1.59%< 10%) thỏa mãn yêu cầu
công nghệ.
2.4.2. Tổng hợp bộ điều khiển PID cho các vùng khác
Dưới đây là bảng tổng hợp bộ điều khiển PID của cả 4 vùng nung:
14

Bảng 2.2. Tổng hợp thông số bộ điều khiển PID cho 4 vùng nung
Vùng
1
()
1
i
s
i
i
K
Gse

=11.2655
Vùng đồng nhiệt (trái) K
P
=1.9247 K
I
=0.014365 K
D
=26.6505
Vùng đồng nhiệt (phải) K
P
=1.9247 K
I
=0.014365 K
D
=26.6505
Qua các kết quả tổng hợp trên và chạy kiểm chứng mô
phỏng trên phần mềm Matlab/simulink ta thấy nhiệt độ của các vùng
lò ổn định ở giá trị đặt trước với độ trễ và độ quá điều chỉnh đáp ứng
yêu cầu công nghệ.
2.5. Kết luận chương 2
Như vậy, trong chương này, ta đã tìm hiểu về lò nung liên
tục của nhà máy cán thép Thái Nguyên đang hoạt động. Sau đó ta đã
phân tích và làm rõ bài toán điều khiển nhiệt độ lò nung. Từ bài toán
điều khiển quá trình đặt ra, ta đã xác định được mô hình toán học của
cả 4 vùng nung. Cuối cùng là thiết kế bộ điều khiển. Phương pháp
thiết kế được sử dụng là công cụ PID tune của matlab. Kết quả mô
phỏng cho thấy khi nhiệt độ đặt cho trước thì đầu ra là nhiệt độ của
từng vùng bám sát theo giá trị đặt, với độ quá điều chỉnh và thời gian
trễ thỏa mãn yêu cầu công nghệ.
Tiếp theo sang chương 3 chúng ta sẽ tổng hợp hệ thống điều

3.2.1. Thiết bị lập trình
Thiết bị lập trình được sử dụng ở đây là máy tính PC có thể
cài đặt được 2 phần mềm được sử dụng là hai phần mềm mới nhất
hiện nay của hãng Seimen:
- Phần mềm Step7 v5.5 có dung lượng 1.11 GB.
- Phần mềm WinCC 7.0 sp2 có dung lượng 5.4 GB.
3.2.2. Thiết bị ghép nối truyền thông
- Một cáp truyền thông theo giao thức MPI.
- Một Card CP5611 (32 bit) để kết nối PC với PLC S7-300
thông qua giao thức MPI.
3.3. Thiết kế phần mềm điều khiển
3.3.1. Cấu trúc 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.
Hình 3.1. Cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung
CB KK
Van KK
Nhiệt
độ đặt

K
b

K

3.3.2.2. Module FC106
3.3.2.3. Module mềm PID (FB41)
3.3.3. Thiết kế chương trình điều khiển trên nền STEP 7.
Điều khiển nhiệt độ lò nung, tức là điều khiển nhiệt độ 4
vùng lò nung ổn định tại một giá trị định trước. Để viết chương trình
điều khiển trước hết cần xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển nhiệt
độ lò nung.
a. Lưu đồ thuật toán điều khiển nhiệt độ lò nung
Toàn bộ chương trình được viết trong OB35. Thời gian trích
mẫu T (mặc định T=100ms) có thể thay đổi được bằng cách vào
phần mềm Step7, cài đặt theo yêu cầu công nghệ (T=100ms).
18

b. Lưu đồ thuật toán điều khiển nhiệt độ các vùng lò:
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): với i=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 đo và sau khi xử lý của cặp nhiệt thứ nhất của
vùng nung là PV1. Giá trị đo và sau khi xử lý của cặp nhiệt thứ hai
của vùng nung là PV2. Giá trị lấy làm tham số bộ điều khiển là PV
được chọn là là giá trị lớn nhất của PV1 và PV2.


Lượng khí đốt
thừa trong lò

Đưa đến van điề
u
khiển khí đốt

ub

u
19

Vì lưu lượng khí đốt được điều khiển tỷ lệ theo lưu lượng
dầu. Do đó, tín hiệu ra của hàm FB41 là LMN sẽ là tín hiệu vào của
FC106 (ký hiệu là IN1). Ngoài ra để quá trinh đốt cháy hoàn toàn thì
cần 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 vào
IN2 qua khâu FC105, Kb cho tín hiệu ra ub. Tổng hợp u1-ub=u. Tín
hiệu tổng hợp u1 được đưa qua FC106 đến đầu ra OUT điều khiển
van khí đốt.
Sau khi có lưu đồ thuật toán ta vào phần mềm Step7 để lập
trình. Ngôn ngữ lập trình được sử dụng là STL. Toàn bộ chương
trình được đặt ở phụ lục của luận văn (xem phụ lục trang 78-92).
3.4. Thiết kế phần mềm giám sát
3.4.1. Yêu cầu thiết kế
3.4.2. Thiết kế giao diện HMI
Từ yêu cầu về thiết kế giao diện HMI để điều khiển và giám
sát nhiệt độ lò nung ở trên, ta đi vào việc thiết kế giao diện.

thể thấy giải pháp đưa ra đáp ứng được các yêu cầu điều khiển nhiệt
độ lò nung.
22

3.6. Kết luận chương 3
Sau khi thiết kế phần mềm điều khiển, thiết kế phần mềm
giám sát hệ thống điều khiển nhiệt độ các vùng lò nung, chúng ta đấu
nối 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
nung cho thấy thiết kế đưa ra là thích hợp.

23

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ