THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT HMI TRÊN simatic s7 300 VÀ WinCC

lOMoARcPSD|9242611

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
KHOA CƠ HỌC KỸ THUẬT VÀ TỰ ĐỘNG HĨA

Đề tài:

Thành viên nhóm: Phùng Công Nghiệp, Phạm Thành Công, Lê Đức
Mạnh
Lớp: K65AT
Môn học: Nhập mơn tự động hóa
Giảng viên phụ trách:

Hà Nội, 2022


lOMoARcPSD|9242611

MỤC LỤC
PHẦN 1: TỔNG QUAN.......................................................................................3
I.

Cơng nghệ cán thép nóng sản xuất thép thanh và thép dây từ phôi thép. 3

II.

Khái quát dây chuyền tự động hóa cán thép nóng liên tục......................5

1,Chu trình của phơi thép đi vào dây chuyền cán nóng liên tục.......................5
2,Sơ đồ khối quy trình cán thép:...................................................................5

PHẦN 2: LỰA CHỌN, THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
NHIỆT ĐỘ LỊ NUNG.......................................................................................17
III. Các u cầu điều khiển lị nung.............................................................17
IV. u cầu nhiệt độ lị nung.......................................................................17
V.

Thiết kế mơ hình tốn học của từng vùng nung.....................................17

PHẦN 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT HMI TRÊN Simatic S7-300 VÀ
WinCC................................................................................................................23
VI. Cấu hình phần cứng và phần mềm cần có..............................................23
VII.

Thiết kế phần mềm điều khiển............................................................24

VIII. Thiết kế phần mềm giám sát...............................................................27
PHẦN 3: KẾT LUẬN.......................................................................................31
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................32


lOMoARcPSD|9242611

PHẦN 1: TỔNG QUAN
I.

Cơng nghệ cán thép nóng sản xuất thép thanh và thép dây từ phôi thép

1,Định nghĩa thép cán nóng:

Là 1 giai đoạn trong quy trình sản xuất sắt thép, sản phẩm thép được trải

qua lần gia công cuối cùng được sử dụng như thành phẩm ở thị trường. Thành
phẩm này có thể là nguyên liệu của quá trình sản xuất cán nóng tiếp theo như
phơi, dầm (để sản xuất re-bar, rod) hoặc cũng có thể nguyên liệu để sản xuất
thép cán nguội như thép cuộn, thép tấm (để cán nguội ra metal sheet mỏng hơn).
2,Mô tả chung về thép cán nóng:

Thép cán nóng là thép được nung trong lò sấy ở nhiệt độ cao (thường hơn
1000 độ C), sau đó được đưa qua các giá cán để có được các kích thước mong
muốn. Cán nóng là giai đoạn quang trọng trong cán thép thô để chuyển đến
bước cán nguội (cán tinh) hoàn thiện thành phẩm thép tiêu dùng trên thị trường.
Dây chuyền cán thép gồm có các máy cán liên tục, các block cán tinh sử dụng
bánh cán nhằm tăng hiệu suất. Tự động hóa trong dây chuyền cán thép nóng
dùng các chương trình điều khiển PLC, các cảm biến role nhiệt độ để vận hành.
3,Tầm quan trọng của cơng đoạn cán nóng:

Là giai đoạn cán phá phơi cho về gần giống kích cỡ thành phẩm nhất,
giúp tiết kiệm thời gian, chi phí. Cán nguội chỉ là giai đoạn cán tinh giúp hoàn
thiện chất lượng bề mặt, mẫu mã gia cơng thành phẩm. Thép cán nóng hay được
sử dụng để làm thành cán nguội. Cũng như chúng được sử dụng khá phổ biến vì
giá thành rẻ, độ bền cao nên sẽ được ứng dụng hầu hết tại các cơng trình địi hỏi
thép có kích thước cụ thể, các cơng trình xây dựng, đường sắt,…
4,Một số sản phẩm thép trải qua giai đoạn cán nóng và cán nguội:

Sản phẩm thép sau khi cán:
Thép thanh


lOMoARcPSD|9242611

Thép cuộn

Thép ống


lOMoARcPSD|9242611

II.

Khái quát dây chuyền tự động hóa cán thép nóng liên tục

1,Chu trình của phơi thép đi vào dây chuyền cán nóng liên tục

Dưới đây là chu trình cán 2 mẫu cán thép thanh và thép cuộn thành phẩm
Sơ đồ cơng nghệ dây chuyền cán thép nóng chia làm 3 phần chính: Khu
vực lị nung, khu vực giá cán, khu vực thu thập sản phẩm.

2,Sơ đồ khối quy trình cán thép:


lOMoARcPSD|9242611

3,Giải thích quy trình cơng nghệ:

+ Phơi đầu vào có kích thước (150 x150 x 9000) (mm) có thành phần và
chất lượng được kiểm tra đảm bảo. Sau đó phơi được kiểm tra bằng mắt thường
về hình dạng và sự đồng đều về tiết diện sao cho người vận hành cảm thấy q
trình di chuyển của phơi trong lị là thuận lợi. Nếu phơi cong vênh lớn thì khi
nung trong lị phơi bị cong vênh khiến dịch chuyển gặp trục trặc. Sự cố tắc phơi
trong lị sẽ rất nguy hiểm đối với an toàn vận hành của nhà máy cán.
+ Q trình nạp phơi được thao tác tự động hóa bằng các đường dẫn, con

lăn và cần tống phôi. Khi quá trình cán diễn ra ổn định và chất lượng phơi đầu
vào được đảm bảo thì phơi sẽ được nạp liên tục đều đặn vào lị, nếu phơi gặp
vấn đề về chất lượng thì sẽ được cẩu ra ngồi, chờ nguội bớt và nhập vào bãi
phôi phế.


lOMoARcPSD|9242611

+ Q trình nung (1) trong lị được thực hiện rất nghiêm ngặt, lị nung sử
dụng khí CO kết hợp với khí thiên nhiên và dầu phun FO để tạo thành nhiên
liệu kép giúp tăng hiệu suất nhiệt cũng như tiết kiệm chi phí. Nhiên liệu được
phun vào lị thơng qua 16 mỏ đốt được bố trí xung quanh lị. Trong lị có 3
vùng: vùng sấy (700 ÷ 900) oC, vùng nung (1100 ÷ 1200) oC, vùng đồng đều
nhiệt 1250 oC. Phơi trong lị được dịch chuyển nhờ hệ thống đáy bước lần lượt
qua các vùng, phôi được xếp thành một hàng vng góc với hướng dịch chuyển
trong lị. Lị có thể chứa tối đa tới 80 phơi. Kết thúc q trình nung, phơi được
đưa ra khỏi lị nhờ hệ thống cần đẩy kết hợp với dàn còn lăn tống phơi đưa ra
ngồi. Cửa lị có bố trí thiết bị cạo xỉ bằng xích. Q trình ra vào phơi diễn ra
tuần tự, 1 phơi ra sẽ có 1 phơi khác vào.
+ Trước khi phôi vào cụm giá cán thô (3), phôi được đưa qua máy đẩy
tiếp (prinron 0) để căn chỉnh và định hình hướng vào giá K1. Prinron 0 này
cũng một phần cạo bớt lớp xỉ đúc khi xảy ra sự tương tác giữa phơi và máy. Sau
đó phơi được đưa vào (3) gồm 8 giá cán đứng nằm xen kẽ dùng chung hệ thống
lỗ hình và kích thước cho tất cả các sản phẩm cán. Kích thước của các giá loại
này khá lớn để đảm bảo độ cứng vững vì lượng ép ở các giá này khá lớn, nhất là
các giá từ K5 đến K8. Khoảng cách giữa các giá cán ở nhóm cán thơ này là
2,3m. Nhiệt độ bắt đầu cán là 1150oC, kết thúc giá K8 là khoảng 1010oC.
+ Sau khi cán hết các giá cán thô (3) phôi được cắt đầu đuôi thông qua
máy cắt trục khủy số 1 (4) để thuận tiện cho phôi vào cụm giá cán trung. Máy
cắt đầu đi (4) có nhiệm vụ cắt đi một đoạn đầu và đuôi phôi thép dài khoảng

(20÷35)cm, để loại bỏ phần đầu, đi phơi thép bị nứt, cong, oxy hóa nhiều,
khơng đảm bảo chất lượng. Do sau cán xong tại (3), đầu và cuối phơi bị mất
nhiệt nhiều nhất, q trình biến dạng cũng khác với phần giữa do biến dạng với
1 đầu tự do nên đầu phơi bị cong nứt, cuối phơi có dạng đi cá. Khơng chỉ có
vậy việc bố trí máy cắt đầu đi (4) cịn có tác dụng rất lớn. Khi gặp sự cố ở
phía sau dây chuyền, máy cắt này sẽ băm phôi thành những đoạn nhỏ để tránh
ùn ứ ở các giá sau, do đó sẽ hạn chế được thiệt hại và đảm bảo an tồn.
+ Tiếp đó phôi đi vào cụm giá cán trung – tinh (5). Khoảng cách giữa các
giá là 4,2 (m) lớn hơn ở (3). Từ sau giá K9, xen giữa các giá cán trung có đặt
bàn tạo chùng để tránh việc kéo căng giữa các giá cán, do tốc độ cán ở những
giá cán cuối khá cao. Với các dòng sản phẩm cỡ lớn khơng đi qua block thì trục
cán tinh là giá cuối cùng, dịng cơng nghệ là đường (I) (K16) có lắp trục với lỗ
hình giống với sản phẩm. Phơi cán đi qua cụm giá này có tốc độ khá cao nên rất
dễ xảy ra sự cố, do vậy khi vận hành cần đảm bảo độ an tồn cho cơng nhân
viên.
+ Với sản phẩm nhỏ (≤ D18) cán qua block, thì quy trình cơng nghệ sẽ
theo đường (II). Với cán sản phẩm lớn ( D18- D32) thì quy trình cơng nghệ sẽ
theo đường (I).


lOMoARcPSD|9242611

+ Với sản phẩm Ø14; cán qua block (7), quy trình cơng nghệ đi theo
đường cán (III) ra sản phẩm là thép cuộn. Trước khi vào block phôi sẽ qua máy
cắt bay số 2 (6) cũng có tác dụng như (4). Trong hộp block có 10 giá cán, đặt
vng góc với nhau và nghiêng so với mặt đất 45o. Với sản phẩm thép Ø14 cán
16 lần thì trong hộp block cán qua 4 cụm bánh cán (8 giá) trong đó giá cán tinh
bánh cán có lỗ hình giống hình dạng sản phẩm. Các giá khơng cán thì chỉ lắp
dẫn hướng. Trong hộp block do phôi chạy với tốc độ rất cao nên rất dễ gặp sự
cố cục bộ, để phát hiện hiện ra sự cố sớm nhằm tránh thiệt hại thì lắp đặt thêm

hệ thống dây chăng nối với cảm biến. Khi gặp sự cố thì ngay lập tức máy cắt (6)
– (9) hoạt động.
+ Để cải thiện cơ tính thì ngay sau block có lắp thêm thiết bị tơi QTB sử
dụng hệ thống vòi phun áp lực cao. Tốc độ tôi thép được điều chỉnh phụ thuộc
vào áp suất của vịi phun, tùy thuộc vào kích thước sản phẩm và u cầu về cơ
tính đối với sản phẩm thì phòng lập kế hoạch sản xuất sẽ đưa ra phương án mở
bao nhiêu vòi phun, với áp suất phù hợp.
+ Sau đó phơi đi qua máy đẩy tiếp để tăng tốc độ cũng như kéo phơi tiếp
tục hành trình do bị ma sát lớn trong quá trình đi qua hộp dẫn hướng và hộp tôi.
+ Đối với thép dạng cuộn thì phơi sẽ đi qua máy tạo vịng (15) để tạo
cuộn rồi dẫn ra sàn nguội (16). Thép chạy trên sàn nguội nhờ bàn con lăn rồi rơi
xuống hố gom. Kết thúc quá trình, thép được gom lại thành cuộn trong hố gom
và được nhấc ra cho vào khu đóng bó (17).
+ Đối với thép dạng thanh, sau khi đi qua hộp tơi QTB (8) (thiết bị kiểm
sốt nhiệt), phơi sẽ đi vào máy cắt phân đoạn (9) và được đẩy tiếp ra kênh đơi,
sau đó nhờ con lăn lật thép được nhập vào sàn nguội thép thanh (10). Thép được
dịch chuyển nhờ cơ chế kiểu sàn nguội đáy bước, nhiệt độ thép trước khi vào
sàn nguội khoảng 800oC, sau khi ra khỏi sàn nguội thép đã giảm nhiệt xuống
còn khoảng hơn 600oC. Thép được tập hợp lại, đưa đến máy cắt thành phẩm
(11) và được cắt thành đoạn 11,7m hoặc cắt theo kích thước yêu cầu của đơn đặt
hàng. Sau đó thép được đưa đến khu vực đếm thanh, đóng bó (12). Các bó thép
này sẽ được cân lại trên máy cân để kiểm tra trọng lượng, nếu đảm bảo u cầu
thì bó thép sẽ được phun sơn đầu tùy theo mác thép và kích cỡ sản phẩm và gắn
etiket (13). Cuối cùng, bó thép đảm bảo yêu cầu sẽ được cẩu trục từ cẩu ra khu
vực kho sản phẩm (14) chờ xuất hàng.
4,Bản vẽ mô tả mặt bằng dây chuyền:


lOMoARcPSD|9242611

5,Các thiết bị trong dây chuyền cán thép:
a)Sàn nạp phôi:

Được đặt ở đầu dây chuyền cán, các phôi được máy nâng lấy từ kho vận
chuyển tới sàn nạp và nạp vào dây chuyền cán qua đây. Sàn nạp cấu tạo từ các
con lăn quay xung quanh trục của nó, giúp đẩy các thanh phơi vào lị nung đáy
bước. Các con lăn và cơ cấu gạt phơi hồn tồn được điều khiển 1 cách chính
xác bằng bộ điều khiển PLC, PLc giúp thu thập thông tin từu các động cơ, cảm
biến,… và ra lệnh cho các cơ cấu chấp hành: motor, van khí,…
b)Lị nung phơi (phần nghiên cứu mơ phỏng):

Là dạng lị nung đáy bước đốt bằng khí than do hệ thống lị sinh khí cung
cấp (dùng khí CO + Khí thiên nhiên + Dầu FO). Buồng lị có 3 vùng: vùng sấy
(700÷900oC), vùng nung (1100÷1200oC), vùng đồng nhiệt (1300oC). Cấu tạo
tường lị gồm 3 lớp: 2 lớp chịu nóng dày 240 (mm), lớp cách nhiệt dày 120
(mm). Trên tường lò bố trí 42 mỏ đốt, cấp nhiên liệu cho quá trình nung phơi.
Đáy lị gồm 2 thành phần: đáy cố định và đáy di động. Phơi trong lị được xếp
thành 1 hàng. Hệ thống đáy dịch chuyển theo các bước nhờ hệ thống thuỷ lực.


lOMoARcPSD|9242611

c)Hệ thống các giá cán thô, trung, tinh và cụm giá cán block:

Trong dây chuyền bố trí các giá đứng nằm xen kẽ nhau nên có 2 loại: giá
cán đứng; giá cán nằm. Bố trí các giá cán đứng nằm xen kẽ nhằm cán thanh
phôi theo hai hướng khác nhau (phương ngang và phương đứng) để thuận lợi
cho việc kéo dãn thanh phôi.
-Hệ thống cán thô gồm các giá cán thơ liên tục được bố trí ngang, đứng
xen kẽ, được điều chỉnh tốc độ nhờ vào hệ thống cảm biến và cơ cấu chấp hành

phản hồi về PLC. Các giá cán có đường kính giá cán giảm dần để cán cho phơi
gần với kích thước thành phẩm nhất, ví dụ như dưới đây 4 giá cán đầu có đường
kính 550mm, 2 giá cán dau đường kính 450mm:

Ở đây H là giá cán nằm ngang, V là giá cán đứng.
-Hệ thống giá cán trung và tinh: cũng gồm các giá cán đứng và nằm
ngang xếp xen kẽ nhau, nhưng với đường kính: thơ>trung>tinh.


lOMoARcPSD|9242611

Hệ thống giá cán trung, tinh được xếp từ phải qua trái. Nếu sản xuất thép
thanh thì sau giai đoạn này, thép sau khi cán được đẩy bằng sàn lăn tới hệ thống
làm nguội cưỡng bức bằng nước trước khi cho vào sàn nguội.
-Hệ thống giá cán block sản xuất thép dây: Gồm 10 giá cán đặt nghiêng
45 với mặt nằm ngang và vng góc tương ứng với nhau, chỉ có 2 động cơ
chính vận hành giá cán block, phơi thép chạy với tốc độ cao (thường trên
100m/s).
o

d)Máy cắt:

Trong nhà máy cán thường sử dụng rất nhiều các loại máy cắt khác nhau
ứng với vị trí làm của chúng. Ví dụ: máy cắt trục khủy, máy cắt bay, máy cắt
phân đoạn, máy cắt nguội.
Nhiệm vụ của chúng là cắt đầu đi thép cán, cắt sản phẩm thép cán theo
kích thước u cầu, 1 số máy cắt cịn có nhiệm vụ cắt nát các đoạn thép cán khi
có sự cố để sản loại bỏ sản phẩm lỗi khỏi dây chuyền, ngăn không cho thép vào
giai đoạn tiếp theo của dây chuyền.
Cấu tạo gồm động cơ motor điện 1 chiều, các hệ thống hộp truyền động,

cơ cấu thủy lực, thủy khí điều khiển lưỡi dao, lưỡi dao cắt, các cảm biến,…

Downloaded by tran quang ()


lOMoARcPSD|9242611

e)Bàn tạo chùng:

Vị trí: bố trí xen kẽ giữa các giá cán trong nhóm cán trung-tinh sau K9 –>
K16; trước khi vào block.
- Chức năng: đảm bảo quá trình cán ổn định, tránh sự cố kéo căng gây
đứt vật cán.
- Đặc điểm: khung làm bằng kết cấu thép và được lắp trên khung nền; Có
một con lăn khơng tải được chạy bằng khí nén; Con lăn ép xuống được lắp trên
ổ bi đũa; Hệ thống này được đồng bộ với bộ cảm biến quang thu nhận tín hiệu
qua khe hở và báo về hệ thống xử lí.
- Cấu tạo: 1- tạo chùng; 2- con lăn tự do; 3- con lăn ép; 4- cảm biến.

f)Sàn nguội:

-Vị trí: khu vực sau block;
- Tác dụng: vận chuyển và làm nguội thép thanh hoặc thép cuộn.
- Đặc tính kỹ thuật:
+ Cơ cấu truyền động: cơ cấu bánh lệch tâm
+ Kiểu làm nguội: Làm nguội tự nhiên bởi khơng khí;
- Cấu tạo:

Downloaded by tran quang ()

lOMoARcPSD|9242611

1. Khớp nối động cơ
2. Cụm răng cưa đầu sàn nguội
3. Khung cố định và có thể di chuyển
4. Hộp giảm tốc và nhóm truyền động
5. Con lăn căn chỉnh
6. Bàn đi vào sàn nguội
7. Bàn đi ra sàn nguội

g)Máy đóng bó:

Vị trí: đặt cuối cùng của dây chuyền cơng nghệ.
- Đặc điểm: có 2 loại máy đóng bó là máy đóng bó thép thanh hoặc thép
cuộn.
+ Máy đóng bó thép dây: được bố trí ở cuối cùng của quá trình gom thép
trước khi ra bàn cân. Có cấu tạo khá phức tạp: khung kết cấu bằng thép và có
bốn bánh bằng con lăn dẫn hướng; có nhiều trụ định vị tạo cuộn khác nhau và
hoạt động tuần hoàn theo 1 chu trình được lập trình sẵn.
+ Máy đóng bó thép thanh: được đóng bó tự động nhờ hệ thống palet
được đồng bộ với hệ thống con lăn dẫn độn ra vào. Khi bó thép di chuyển tới vị
trí đóng bó thì máy sẽ ép cuộn thép nhờ hai xi-lanh thủy lực kẹp chặt và tiến
hành buộc, các hệ thống xoắn thép, cắt, ra vào hoặc lên xuống tiến hành độc lập
cùng lúc.

Downloaded by tran quang ()


lOMoARcPSD|9242611

Hình (a) đóng bó cuộn thép dây, hình (b) là đóng bó cuộn thép thanh
6,Sơ đồ P&ID:

Đang vẽ()
Cấp phơi vào lị nung:

Phơi thép trước khi đưa vào lị nung:

Downloaded by tran quang ()


lOMoARcPSD|9242611

Thép ra khỏi lò nung đáy bước:

Thép qua giá cán thô:

Downloaded by tran quang ()


lOMoARcPSD|9242611

Hình ảnh bên ngồi chụp các giá cán đứng và giá cán ngang xếp xen kẽ
nhau:

Downloaded by tran quang ()


lOMoARcPSD|9242611

PHẦN 2: LỰA CHỌN, THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN NHIỆT ĐỘ LỊ NUNG
III.

Các u cầu điều khiển lị nung

- Hệ thống nạp/ thốt phơi, khóa cửa lị, tống phôi.
- Điều khiển nhiệt độ và điều khiển đốt: điều chỉnh lượng khí, nhiên liệu
dầu nạp.
- Điều khiển áp suất lò.
- Hệ thống điều khiển, làm má đáy bước.
- Hệ thống camera, cảm biến theo dõi lò nung.
IV.

Yêu cầu nhiệt độ lị nung

Chia làm 3 vùng:

- Vùng sấy có nhiệt độ khoảng 700 – 800oC, vùng này có nhiệm vụ làm
tăng dần nhiệt độ phơi lên tránh tình trạng phơi bị nóng lên một cách đột ngột ở
nhiệt độ vùng nung gây nứt tế vi phôi làm ảnh hưởng tới chất lượng của sản
phẩm.
- Vùng nung từ 1200 ÷1250oC, là vùng tăng nhiệt độ của phơi, nhiệt độ lị
lớn hơn nhiệt độ bề mặt phôi khoảng 100oC, sai số nhiệt độ của phơi chủ yếu do
mác thép nung, kích thước phôi nung thay đổi và sản lượng cán thay đổi.
- Vùng đồng nhiệt từ 1150÷1170oC, nhiệm vụ khống chế nhiệt độ vùng
này là làm cho phôi nung trước khi ra lị có độ chênh nhiệt độ giữa bề mặt và
tâm phôi nằm trong giới hạn cho phép, khoảng 30oC/dm chiều dày.
V.

Thiết kế mơ hình tốn học của từng vùng nung

Do 3 vùng đều có bài tốn điều khiển nhiệt giống nhau nên ta xây dựng
mơ hình vùng 1, các vùng cịn lại được xác định tương tự.
1,Mơ hình tốn học vùng 1

2,Xây dựng hàm truyền

Downloaded by tran quang ()


lOMoARcPSD|9242611

Đặc tính động học của hầu hết các thiết bị đo có thể mơ tả bằng phương
trình vi phân cấp một hoặc cấp hai. Coi đặc tính của thiết bị đo là tuyến tính,
động học của nó có thể được biểu diễn với khâu quán tính bậc nhất:
k
Gm ( s )  m
1   s (hoặc 1 khâu bậc 2 ổn định)

Vì τ = 0.005s rất nhỏ so với hằng số hằng nhiệt t = 100s do đó có thể bỏ
qua quán tính của thiết bị đo, coi đặc tính của thiết bị đo như một khâu khuếch
đại thuần túy. Vậy
20  4
Gm km 
0.0114
1400  0
 Gm1 ( s ) 0.0114

(Do nhiệt độ thay đổi từ 0 ÷ 1400 thì tín hiệu thay đổi từ 4-20mA)

Tương tự Gm2(s) = Gm3(s) = Gm4(s) = 0.0114
Hàm truyềền thiềết bị chấếp hành (van bướm phun khí và nhiền li ệu)
Gv ( s) 

k
F (s)
 v
U (s)  v s  1

Qua tính tốn tính được:
Gv1 ( s) 

34.375
68.75
17.81
; Gv 2 ( s ) 
; Gv 3 ( s ) Gv 4 ( s ) 
s 1
s 1
s 1

Xấếp xỉ mơ hình toán học vùng 1 vềề bậc trềễ
Gdt ( s ) 

K .e  s
Ts  1

Tiếp tục tính tốn được:

1400  0
.55
 C 
K1 
2.55 
e  30 s
 ; G1 ( s) 
550  0
L
/
h
100
s

1


G2 ( s) 

K e   x s 4, 91.e  50 s
K 2 e   x s 1, 27.e  60 s

; G3 ( s ) G4 ( s )  3

T2s  1 150 s  1
T4s  1
120 s  1

=> Hàm truyền của đối tượng điều khiển vùng 1

Downloaded by tran quang ()


lOMoARcPSD|9242611

Từ những phần trên tính tốn được hàm truyền của đối tượng điều khiển
vùng 1 là:
GI ( s) Gm1 ( s).Gv1 ( s).G1 ( s) 

1
.e  30 s
(100s  1)( s  1)

Tính tốn tương tự cho vùng 2, 3, 4 ta được:
T
T

Đối tượng điều
khiển

Mơ hình tốn học từng vùng
nung

1

Vùng 1 (vùng sấy)

2

Vùng 2 (vùng

nung)

3

Vùng 3,4 (vùng
đồng nhiệt)

GI ( s ) 

1
.e 30 s
(100s  1)(s  1)

e 60 s
GII ( s) 
(150 s  1)( s  1)
GIII ( s ) GIV (s ) 

e 50 s
(120 s  1)( s  1)

3,Thiết kế bộ điều khiển PID cho vùng 1

K PID ( s)  K P 

KI
 KD s
s

Tìm hàm truyền KPID(s) của bộ điều khiển PID:

Mơ phỏng trên phần mềm Matlab để tìm, sử dụng tín hiệu hàm bậc thang
đơn vị:

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ vùng sấy trên Matlab Simulink
Sử dụng PID tuner tìm thơng số P, I, D và N (khâu lọc):

Downloaded by tran quang ()


lOMoARcPSD|9242611

Hiệu chỉnh các thống sô của bộ điều khiển PID để có đáp ứng tốt nhất
bằng cách thay đổi thơng số Response time, ta được kết quả là:
P = 2.1532, I = 0.0089473, D = 6.3799.
Tương ứng với thời gian quá độ 44.3 giây, thời gian xác lập là 88.8 giây
và độ vọt lố điều chỉnh là 1.59% (thỏa mãn u cầu cơng nghệ).
Từ đó suy ra: KP = P = 2.1532; KI = P.I = 0.019265; KD = P.D = 13.7372.
Cấp nhật các thông số P, I, D chạy mô phỏng quan sát ở Scope ta được:

Nhiệt đồ vùng sấy khi nhiệt độ đặt 800oC

Downloaded by tran quang ()


lOMoARcPSD|9242611

Thời gian trễ là 30 giây và độ vọt lố là 1.59%<10% thỏa mãn u cầu
cơng nghệ.
Tính tốn và mơ phỏng tương tự cho 3 vùng cịn lại ta có bảng thống kê
sau:

Vùng
G1 ( s ) 

Thông số bộ điều khiển PID

Ki  
e
Ti s  1

Vùng sấy
Vùng nung
Vùng đồng
nhiệt (trái)
Vùng đồng
nhiệt (phải)

K PID ( s)  K P 

KP=2.15
32
KP=1.36
75
KP=1.92
47
KP=1.92
47

KI
 KDs
s

KI=0.0192
65
KI=0.0096
26
KI=0.0143
65
KI=0.0143
65

4,Mô phỏng kiểm chứng chất lượng hệ thống điều khiển:

Mô phỏng vùng nung 2 khi nhiệt độ đặt 1200oC

Downloaded by tran quang ()

KD=13.73
72
KD=11.26
55
KD=26.65
05
KD=26.65
05


lOMoARcPSD|9242611

Mô phỏng vùng đồng nhiệt 3, 4 khi nhiệt độ đặt là 1150oC

Downloaded by tran quang ()


lOMoARcPSD|9242611

PHẦN 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT HMI TRÊN Simatic S7300 VÀ WinCC
VI.

Cấu hình phần cứng và phần mềm cần có

Dùng phần mềm WinCC 7.0 và Step7 v5.5 để lập trình và giao tiếp với
PLC
1,Phần cứng:

Lị nung có 4 vùng tương ứng với mỗi vùng có 1 thiết bị đo lượng nhiên
liệu,1 đo khí đốt, 1 đo lượng khí dư thừa, 2 thiết bị đo nhiệt đặt 2 bên thân lò, 1
van điều khiển lượng nhiên liệu, 1 van điều khiển khí đốt. Tổng cộng gồm 20
thiết bị đầu vào với tín hiệu analog cho 4 vùng và cũng có 8 thiết bị đầu ra
analog.
Căn cứ trên bài tốn điều khiển đã đặt ra và số lượng đầu vào, đầu ra
(gồm các
thiết bị đo, thiết bị chấp hành) ta lựa chọn cấu hình phần cứng của hệ
thống điều khiển. Cấu hình điều khiển được lựa chọn ở đây dựa trên các module
có sẵn của nhà máy, gồm có các module sau:
- Một module nguồn nuôi PS307 2A: 6ES 307-1BA00-0AA0.
- Một module CPU 314: 6ES7 314-1AG14-0AB0.
- Ba module đầu vào tương tự AI8x12bit : 6ES7 331-7KF02-0AB0.
- Ba module đầu ra tương tự: AO4x12bit: 6ES7 332-5HD01-0AB0.
Vậy cấu hình hệ thống điều khiển nhiệt độ lị nung (được bố trí trên
Rack) như sau:

Cấu trúc trạm PLC của hệ thống điều khiển nhiệt độ lị nung
2,Thiết lập cấu hình PLC trong Step 7

Cấu hình cứng của trạm PLC (bao gồm số lượng và tên cụ thể của từng
module):

Downloaded by tran quang ()


lOMoARcPSD|9242611

VII.

Thiết kế phần mềm điều khiển
Cấu trúc điều khiển nhiệt độ 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 dưới đây:

Cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung
Hệ thống điều khiển sử dụng hai bộ điều khiển:
- Bộ điều khiển PID là bộ điều khiển chính được sử dụng để điều khiển
van dầu.

Downloaded by tran quang ()


lOMoARcPSD|9242611

Giá trị nhiệt độ của vùng i được cảm biến CB (can nhiệt) đo được và so
sánh với giá trị nhiệt độ đặt. Sai lệch này được bộ điều khiển PID xử lý và điều
khiển van dầu.
- Bộ điều khiển van khơng khí (hình 3.4) là bộ điều khiển tỷ lệ có bù để
chế độ cháy hồn tồn.
-Tín hiệu điều khiển van dầu qua bộ điều khiển tỷ lệ Ktl. Đồng thời cảm
biến đo khơng khí dư CBKK trong lị sẽ được nhân với hệ số bù nhiệt độ. Tổng
hợp hai tín hiệu này để điều khiển van khơng khí.
Thiết kế chương trình điều khiển trên nền STEP 7
Lưu đồ thuật tốn điều khiển nhiệt độ lị nung

Lưu đồ chương trình xử lý tín hiệu nhiệt độ các vùng của lị nung để đưa vào
bộ điều khiển:

Lưu đồ chương trình xử lý tín hiệu nhiệt độ các vùng của lị 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 phịng 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, khi đó ta có lưu
đồ thuật toán sau:

Downloaded by tran quang ()