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

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

Tên tôi là : Kim Đình Thái
Sinh ngày: 08/04/1984.
Đơn vị công tác: Khoa CN Tự động hóa – Trường ĐH Công nghệ Thông tin và
Truyền thông Thái Nguyên.
Hiện tại tôi đang học lớp cao học TĐH02 – CHK14, trường ĐH Kỹ thuật Công
Nghiệp Thái Nguyên.
Tôi xin cam đoan đề tài luận văn “Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ của nhà
máy cán thép Thái Nguyên bằng PLC S7-300 và phần mềm WinCC” là công trình nghiên
cứu khoa học của riêng tôi. Các tài liệu tham khảo có nguồn gốc rõ ràng.
Các giải pháp thiết kế cũng như kết quả thực nghiệm và mô phỏng được thực hiện
nghiêm túc dưới sự hướng dẫn của cô giáo GS.TS Phan Xuân Minh.

Thái Nguyên, ngày 19 tháng 12 năm 2013
Học viên



Kim Đình Thái





ii

Kim Đình Thái – Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cho nhà máy cán thép Thái Nguyên
LỜI CẢM ƠN

Sau sáu tháng nghiên cứu và làm việc khẩn trương cuối cùng bản luận văn “Thiết

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

MỞ ĐẦU 1
NộI DUNG 3
CHƯƠNG 1 3
QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ VÀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA TẠI NHÀ MÁY
CÁN THÉP THÁI NGUYÊN 3
1.1. Giới thiệu nhà máy 3
1.2. Quy trình công nghệ cán thép 5
1.2.1. Quy trình cán thép dây cuộn 7
1.2.2. Quy trình cán thép thanh tròn trơn vằn. 9
1.3. Hệ thống cung cấp điện 10
1.3.1. Trạm biến áp trung áp 10
1.3.2. Trạm máy phát 110 kVA 12
1.3.3. Trạm lọc sóng hài bậc 5, bậc 7 và bù công suất 12
1.3.4. Hệ thống tủ điện 12
1.4. Hệ thống tự động hóa 14
1.4.1. Các tủ điều khiển 14
1.4.2. Hệ thống điều khiển phân tán 18
1.5. Kết luận chương 1 20
CHƯƠNG 2 21
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG 21
2.1. Cấu tạo và hoạt động của lò nung nhà máy cán thép Thái Nguyên 21
iv

Kim Đình Thái – Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cho nhà máy cán thép Thái Nguyên
2.1.1. Cấu tạo lò nung 21
2.1.2. Các yêu cầu điều khiển lò nung 25
2.2. Phát biểu bài toán điều khiển quá trình nung 29
2.2.1. Yêu cầu nhiệt độ từng vùng nung 29
2.2.1.1. Vùng sấy 29
2.2.1.2. Vùng nung 30

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

3.3.2. Một số module của STEP 7 54
3.3.2.1. Module FC105 54
3.3.2.2. Module FC106. 55
3.3.2.3. Module mềm PID (FB41) 55
3.3.3. Thiết kế chương trình điều khiển trên nền STEP 7. 59
3.4. Thiết kế phần mềm giám sát 65
3.4.1. Yêu cầu thiết kế 65
3.4.2. Thiết kế giao diện HMI 65
3.4.2.1. Giao diện HMI tổng quan khu vực lò nung 65
3.4.2.2. Giao diện HMI điều khiển và giám sát nhiệt độ các vùng lò nung 67
3.4.2.3. Giao diện HMI giám sát nhiệt độ các vùng lò nung 68
3.4.2.4. Giao diện cài đặt tham số PID điều khiển nhiệt độ các vùng lò nung 69
3.5. Cài đặt phần mềm, lắp đặt hệ thống và đánh giá kết quả 70
3.6. Kết luận chương 3 73
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 75
TÀI LIỆU THAM KHẢO 76
PHỤ LỤC 78







vi

Kim Đình Thái – Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cho nhà máy cán thép Thái Nguyên
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1 AI Analog Input Module đầu vào tương tự

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

28 TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam
29 TĐN Trao đổi nhiệt
30 TT Bộ tập trung khí thải
31 WinCC Windows Control Center Trung tâm điều khiển chạy trên
nền Window
vii

Kim Đình Thái – Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cho nhà máy cán thép Thái Nguyên
DANH MỤC CÁC BẢNG













Trang
1
Bảng 1.1. Bảng thời gian sản xuất và cơ cấu sản phẩm 4
2 Bảng 1.2. Bảng thông số máy biến áp của nhà máy

11
3 Bảng 2.1. Bảng tổng hợp mô hình toán học các vùng nung

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

25
6 Hình 2.4. Đối tượng điều khiển vùng 1

32
7 Hình 2.5. Sơ đồ đối tượng điều khiển vùng 1

36
8 Hình 2.6. Sơ đồ tổng quát điều khiển nhiệt độ vùng nung

37
9 Hình 2.7. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ vùng sấy

38
10 Hình 2.8. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ vùng sấy trên Simulink

39
11 Hình 2.9. Bảng thiết lập thông số bộ điều khiển PID trên Simulink 40
12 Hình 2.10. PID tuner của Matlab/Simulink 41
13 Hình 2.11. Đánh dấu các điểm đặc biệt trên đồ thị đáp ứng của PID tuner 42
14 Hình 2.12. Tinh chỉnh thông số bộ điều khiển trên PID tuner 43
15 Hình 2.13. Nhiệt độ vùng sấy khi nhiệt độ đặt 800
0
C

44
16 Hình 2.10. Mô phỏng vùng nung khi nhiệt độ đặt 1200
0
C.

45

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

67
27 Hình 3.10. Màn hình theo dõi nhiệt độ vùng 1 theo dạng bảng và dạng đồ thị

69
28 Hình 3.11. Màn hình cài đặt tham số PID để điều khiển nhiệt độ vùng 1

69
29 Hình 3.12. Thực nghiệm mô phỏng hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung

70
30 Hình 3.13. Giao diện tổng quan khu vực lò nung (thực nghiệm)

71
31 Hình 3.14. Giao diện điều khiển và giám sát nhiệt độ vùng 1(thực nghiệm)

72
32 Hình 3.15. Giao diện theo dõi nhiệt độ vùng 1 (thực nghiệm)

73










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

Kim Đình Thái – Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cho 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:
Chương 1: Tìm hiểu về quy trình công nghệ và hệ thống tự động hóa nhà máy cán
thép Thái Nguyên.
Chương 2: Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ cho lò nung của nhà máy.
Chương 3: Tổng hợp hệ thống tự động hóa trên nền Simatic S7-300 và phần mềm
WinCC.

3

Kim Đình Thái – Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cho nhà máy cán thép Thái Nguyên

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.

Các sản phẩm thép cán chủ yếu được dùng trong xây dựng, được sản xuất từ các
mác thép cacbon thấp, trung bình và hợp kim thấp.
- Thời gian sản xuất và cơ cấu sản phẩm ( khi đạt 100% công suất).
Bảng 1.1. Bảng thời gian sản xuất và cơ cấu sản phẩm
Sản phẩm
Năng suất
(T/h)
Tỷ lệ
(%)
Sản lượng
( Tấn )
Phôi cán
( Tấn )
Tiêu hao
khối lượng
(T/Tsp)
Thời
gian cán
( h )
Thép thanh 65 195.000 4.015
D10 50 5 15.000 310
D12 50 10 30.000 620
D14-D18 50 25 75.000 1550
D20-D25 50 15 45.000 915
D28-D50 50 10 30.000 620
Thép dây Cuộn (Ø5,5/12)x35% 105.000 2165
Ø5,5

50 5 15.000 310
Ø6

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.

6

Kim Đình Thái – Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cho nhà máy cán thép Thái Nguyên

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

Ki
ể
m tra

Bu
ộ
c cu
ộ
n

Cân nh
ậ
p kho

Phân lo
ạ
i,x
ế
p riêng

Không đạt
Không đ
ạ
t

Đ
ạ
t

Cán Block

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

ắ
t đ
ầ
u đuôi l
ầ
n 1

Cán trung/tinh

C
ắ
t đ
ầ
u đuôi l
ầ
n 2

Cán thanh
Không đ
ạ
t

H
ồ
i lò

X
ử
lý

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

, có chiều dài L =
6000 ÷ 12000 mm.
Phôi sau khi kiểm tra đạt yêu cầu kỹ thuật được đánh lô và cẩu đưa lên bàn nạp
phôi, từng phôi lần lượt theo bàn con lăn nạp vào lò nung tự động theo chương trình cài
đặt tự động (hoặc điều khiển bằng tay khi cần thiết). Sau đó, phôi được đưa vào lò nung
liên tục, nung từ nhiệt độ môi trường lên tới nhiệt độ yêu cầu tuỳ theo từng mác thép
(1100
0
C ÷ 1150
0
C). Phôi dịch chuyển trong lò tới vùng đều nhiệt, đủ nhiệt độ yêu cầu, hệ
thống Kick-off chuyển phôi lên bàn con lăn đưa phôi ra khỏi lò để cán.
Sau khi ra lò phôi cán dịch chuyển trên đường con lăn qua máy đẩy tiếp trước giá
cán số 1, nhóm giá cán thô gồm 6 giá, công suất động cơ 250 KW bố trí đứng nằm xen kẽ
thẳng hàng liên tục. Bốn giá cán đầu có đường kính trục Ø550 mm, 02 giá tiếp theo có
đường kính Ø450 mm. Sau 6 giá cán thô kích thước phôi cán là Ø55 mm.
Phôi cán ra khỏi giá 6 được cắt đầu, đuôi (nhằm loại bỏ các khuyết tật đầu đuôi của
vật cán). Máy cắt này còn có nhiệm vụ chặt phôi thành từng đoạn ngắn khi có sự cố
không cho cán tiếp.
Nhóm giá cán trung/tinh gồm 8 giá, công suất động cơ 315 KW bố trí đứng nằm
xen kẽ. Từ giá số 7 đến giá số 10 có đường kính trục là Ø370 mm, từ giá số 11 đến giá số
14 có đường kính trục là Ø340 mm. Tuỳ theo từng sản phẩm mà số lần cán và kích thước
lỗ hình cán có khác nhau.
- Sản phẩm thép thanh tròn trơn, vằn Ø32 mm, Ø36 mm kết thúc ở giá cán số 10.
- Sản phẩm thép thanh tròn trơn, vằn Ø25 mm, Ø30 mm kết thúc ở giá cán số 12.
- Sản phẩm thép thanh tròn trơn, vằn Ø18 mm, Ø22 mm kết thúc ở giá cán số 14.
- Sản phẩm trung gian cấp cho cán Block có kích thước Ø16,8 ÷ Ø19,7 mm.
8

Kim Đình Thái – Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cho nhà máy cán thép Thái Nguyên

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

ống xoắn dẫn hướng, các vòng dây được tạo ở đây. Tốc độ quay của rôto phù hợp với tốc
độ thép cán ở giá cuối cùng theo từng loại sản phẩm.
9

Kim Đình Thái – Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cho nhà máy cán thép Thái Nguyên
Sau khi dược tạo vòng, các vòng dây thép được rải đều trên sàn dải lăn làm nguội,
đây là giai đoạn thường hoá thép dây, đồng đều hoá nhiệt độ trong lõi và bề mặt thép.
Cuối sàn rải lăn có hố thu cuộn, các vòng dây rơi xuống hố thu cuộn và các cơ cấu
trong hố thu cuộn xe chuyển cuộn thép được đưa tới máy buộc cuộn.Trước khi bó buộc
cuộn sản phẩm thép cán được KCS, công nhân điều chỉnh sản phẩm kiểm tra các thông số
kích thước sản phẩm để phân loại. Cuộn thép được thực hiện tự động ép buộc (hoặc bằng
tay khi cần thiết) đảm bảo đủ 5 đai gọn gàng chắc chắn. Sau khi buộc cuộn thép được
chuyển tới khu dỡ cuộn. Tại đây có bố trí một cân điện tử tự động cân khối lượng của
cuộn thép, gắn êtekét và cẩu nhập kho.
1.2.2. Quy trình cán thép thanh tròn trơn vằn.
Cán thép thanh được thực hiện chuyển tới hệ thống xử lý nhiệt từ 2 đường tuỳ theo
từng loại sản phẩm (Xem sơ đồ dây chuyền công nghệ cán hình 1.1).
+ Thép thanh có kích thước bằng Ø18, cấp từ 14 các giá cán đứng nằm liên tục.
+ Thép thanh có kích thước Ø16, cấp từ các giá cán block
Hệ thống QTB bao gồm nhiều chi tiết khác nhau, công dụng xử lý nhiệt làm tăng
độ bền, bóng đẹp của thanh thép sản phẩm.
Thép thanh trước khi vào sàn nguội được cắt phân đoạn với chiều dài phù hợp với
chiều dài sàn nguội và bội số của đoạn thép thương phẩm. Trên sàn nguội thép được làm
nguội tự nhiên, tạo sự ổn định đồng đều bền vững cơ lý của thanh thép và thuận lợi cho
quá trình công nghệ tiếp theo. Thép thanh được cắt đoạn thương phẩm theo chương trình
tự động được cài đặt (hoặc điều khiển bằng tay khi cần thiết).
Sản phẩm được kiểm tra kích thước, phân loại tách các thanh không phù hợp xếp
riêng, các thanh thép hợp cách được chuyển lên sàn thu thép thanh thực hiện các bước
tiếp theo.
Đếm thanh, đóng bó được thực hiện theo chương trình tự động cài đặt (hoặc điều

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:

Nhận điện áp 35kV từ xí nghiệp Năng Lượng biến áp xuống 22kV cung cấp cho
các máy biến áp 22kV để cung cấp cho các thiết bị.
b. Trạm biến áp 22kV trong nhà
+ Số lượng: 6 trạm, từ T1 đến T6.
11

Kim Đình Thái – Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cho nhà máy cán thép Thái Nguyên
+ Hãng sản xuất: Nhà máy Chế tạo thiết bị điện Đông Anh - Hà Nội
+ Thông số kĩ thuật:
Bảng 1.2. Bảng thông số máy biến áp của nhà máy
MBA T1:
S
đm
=3150 kVA
22± 2x2,5%/0,62 kV
U
k
=7 %
MBA T2:
S
đm
=3150 kVA
22± 2x2,5%/0,62 kV
U
k
=7 %
MBA T3:
S
đm
=3150 kVA

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:

+ 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:
12

Kim Đình Thái – Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cho nhà máy cán thép Thái Nguyên
+ MBA T1: biến đổi điện áp 22kV xuống 0,6kV và cung cấp điện cho các động cơ
giá cán từ số 1÷ 8.
+ MBA T2: biến đổi điện áp 22kV xuống 0,6kV và cung cấp điện cho các động cơ
giá cán từ số 9÷14.
+ MBA T3 ÷ T4: biến đổi điện áp 22kV xuống 0,73kV và cung cấp điện cho 2
động cơ giá cán Block, vì 2 động cơ này có công suất rất lớn 1650kW.
+ MBA T5: biến đổi điện áp 22kV xuống 0,4 kV cung cấp điện cho hệ thống phụ
trợ
+ MBA T6: biến đổi điện áp 22kV xuống 0,4 kV cung cấp điện cho hệ thống phụ
trợ
1.3.2. Trạm máy phát 110 kVA
Cung cấp điện khi nguồn chính bị mất cho các thiết bị yêu cầu cấp điện liên tục:
các phụ trợ lò, động cơ con lăn ra lò và các khu vực khác khi có yêu cầu…
Khi nguồn chính mất điện, máy phát sẽ tự động chạy và công nhân vận hành sẽ cấp
điện máy phát cho các hộ.
1.3.3. Trạm lọc sóng hài bậc 5, bậc 7 và bù công suất
Ở đây là các dàn tụ điện để khử các sóng hài bậc cao cụ thể là các sóng bậc 5 và
bậc 7, là những sóng hài có thể gây nhiễu điều khiển, ảnh hưởng đến các thiết bị khác
trong nhà máy. Khi hệ số công suất tác dụng Cosφ nhỏ trạm này cũng có tác dụng như
một trạm bù công suất để đảm bảo hệ số sử dụng điện hiệu quả theo yêu cầu của ngành
điện.

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.

Hệ thống ắc quy nạp điện khi hệ thống non tải và cung cấp điện từ ắc quy khi mất
điện các MBA.
14

Kim Đình Thái – Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cho nhà máy cán thép Thái Nguyên
* 30BB H01: Driver switchboard stands #1 8
+ Loại tủ: DANIELI
+ Nhiệm vụ: Nhận điện từ MBA T1, phân phối điện cho 8 động cơ chính giá cán
các tủ -A1; -A2; -A3…-A8 phân phối cho các động cơ lần lượt:
D01DOMM001; D02DVMM001; D03DOMM001; D04DVMM001;
D05DOMM001; D06DVMM001; F07DOMM001; F08DVMM001;
* 30BB H02: Driver switchboard stands #9 14
+ Loại tủ: DANIELI
+ Nhiệm vụ: Nhận điện từ MBA T2 phân phối điện cho 6 động cơ chính giá cán
trung tinh các tủ -A1; -A2; -A3…; -A6 phân phối cho các động cơ lần lượt:
D09DOMM001; D10DVMM001; D11DOMM001;
D12DVMM001; D13DOMM001; D14DVMM001;
* 30BB H11: Switchboard-BGV MORTOR #1
+ Loại tủ: DANIELI
+ Nhiệm vụ: Nhận điện từ MBA T3 và phân phối điện cho động cơ #1 Block.
* 30BB H12: Switchboard-BGV MORTOR #2
+ Loại tủ: DANIELI
+ Nhiệm vụ: Nhận điện từ MBA T4 phân phối điện cho động cơ #2 Block
* 30BB E05: Furnace entry and r.m. Serv.MCC
1.4. Hệ thống tự động hóa
1.4.1. Các tủ điều khiển
Các trạm điều khiển được đóng gói bảo vệ trong một tủ được gọi tắt là tủ điều
khiển. Các loại tủ này được xếsp vào nhóm: Techgel và nhiệm vụ của các tủ được phân
phối như sau:
15

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.