Đề tài Tìm hiểu về Cân xi măng liên tục cân roto

Đề tài: Tìm hiểu về Cân xi măng liên tục:cân roto
1. Giải thích quá trình công nghệ
1.1 Cân Rotor, thiết bị điều khiển chính trong hệ thống cấp than.
Hình ảnh về cân roto:
Cân rotor là thiết bị điều khiển chính trong công đoạn lò nung.Đây là loại cân
bằng định lượng của hãng Pfister – Đan Mạch.
1.2 Cấu tạo.
Hình 1.2 : Cân Rotor FRW
Trong đó :
1 : Giá đỡ; 2 : Cửa vào liệu; 3 : Cảm biến; 4 : Nắp; 5 : Khoang chứa;
6 : Đáy; 7 : Trục cân bằng; 8 : Động cơ; 9 : Vách ngăn rotor; 10 : Cửa ra
Khoang bánh xe ngang trục bao bọc xung quanh bởi các đĩa trên (4), đĩa dưới (6)
và vỏ (5).Một lượng nguyên liệu lớn sẽ vào ở lối vào (2) , được quay tròn trong
khoang bánh xe và cho ra ở đầu ra (10) , rồi sẽ được mang tới quá trình tiếp
theo.Toàn bộ thân khoang bánh xe (4,5,6) được treo lên khung (1) bởi hai cái chốt
xoay cân bằng (7) , vì thế nên nó có thể quay.
Trục động cơ (8) cấp cho rotor thông qua khớp nối, tự điều chỉnh, dẫn hướng hệ
thống. Thiết bị giảm tải cho phép rotor quay gần như không khối lượng giữa 2 tấm
đĩa kín để giảm hao mòn. Trục cân (A-A) xuyên qua bộ nối linh động tới ống cấp
tải, được xác định bởi 2 bệ cân giữa thân của khoang và đế khung. Cấu hình đặc
biệt của 2 bệ đỡ cân bù cho bất kì dao động áp lực nào từ nguyên liệu do đó kết
quả đo được sẽ không bị ảnh hưởng.
Hình 3.4 : Nguyên lý cân của cân rotor FRW
Lượng liệu chuyển từ đầu vào tới đầu ra tạo ra mộmen đối với trục xoay, mômen
này được đo như một phản lực điểm tựa với một loadcell treo tại điểm giá treo thứ
3 của hệ thống cân rotor.Trong điều kiện biên hình học, tín hiệu của loadcell sẽ tỉ
lệ trực tiếp với lượng liệu chứa trong khoang bánh xe.
1.3 Nguyên lý làm việc của hệ thống cân roto weigh feeder
Nhằm mục đích nâng cao hiệu suất cho hệ thống cân trộn phối liệu giảm thiểu
thời gian vô công trong hệ thống cân truyền thống
Hệ thống roto weigh feeder làm việc dựa trên tinh thần đó là khắc phục những

nhược điềm của các hệ thống cân truyền thống như đã nêu trên.Đảm bảo:
- Nguyên liệu ra luôn đảm bảo chính xác về khối lượng
- Dòng nguyên liệu ra luôn là liên tục
Do đó có thể thấy rằng hệ thống roto weigh feeder đã nâng cao được hiệu suất
cũng như tăng khả năng tự động hóa trong nhà náy công nghiệp lên rât nhiều.
Khối lượng nguyên liệu ở cửa ra được tính thông qua khối lượng đo được từ
loadcell và tốc độ quay của rotor. Ta có thể tính khối lượng nguyên liệu như sau
Feedrate = Rotatespeed * Weight
Trong đó : Feedrte : Khối lượng nguyên liệu [ Kg/s ]
Rotatespeed : Tốc độ quay của rotor [ Radian/s ]
Weight : Khối lượng đo được từ loadcell [ Kg/Radian ]
-Khi chưa có sự can thiệp của hệ thống điêu khiển:
Hình 3.6 : Cân Rotor khi không có điều khiển
-Khi có sự can thiệp của hệ thống điều khiền:

Hình 3.7 : Cân Rotor khi có điều khiển
Ta có sơ đồ nguyên lý điều khiển cân Rotor:

Hình 3.8 : Sơ đồ nguyên lý điều khiển cân Rotor
1 : Loadcell ; 2 : Encoder ; 3 : Động cơ truyền động ; 4 : Roto weigh feeder
Trong đó:
- w là lưu lượng liệu đặt mong muốn
- x là lưu lượng ra thực tế
- m là tín hiệu mang thông tin về khối lượng liệu từ trong 4
- v là tốc độ quay của roto thu được từ 2
>>Như vậy ta điều khiển tốc độ quay của roto để điều chỉnh lượng than đầu ra
của cân .
2. Thuật toán điều khiển
2.1 Sơ đồ điều khiển cấp than lò nung.
Từ Flow Sheet của dây chuyền 2 nhà máy xi măng Hoàng Thạch ta rút sơ đồ

PI&D của hệ thống cấp than lò nung như sau :

Hình 3.9 : Sơ đồ điều khiển cấp than lò nung
Nhiên liệu cấp cho lò nung thông qua hệ thống vòi đốt đa kênh ( gồm dầu, gió 1,
gió 2, gas, than ) vì dầu, gió 1, gió 2, gas được sử dụng chính cho giai đoạn khởi
động quá trình đốt, nhiên liệu chính là than. Nên ở đồ án này ta bỏ qua hệ thống
điều khiển cấp dầu, gas, gió 1, gió 2.
Lượng than cung cấp cho lò nung clinke được điều chỉnh thông qua điều chỉnh
tốc độ quay đĩa cân rotor. Than mịn sau công đoạn nghiền chứa trong silo L11,
động cơ khuấy W2V70 đặt dưới silo để khuấy đều lượng than chuyển xuống cân
W2V72 (Tín hiệu từ động cơ khuấy này coi là nhiễu hằng). Loadcell WT đo lượng
than trong cân rotor, encoder ST đo tốc độ động cơ quay đĩa cân. Cả hai cảm biến
này đồng thời gửi tín hiệu đo được về bộ tính toán FY ( bộ nhân ) để tính ra lưu
lượng than ra thực tế và gửi tín hiệu đo được về bộ điều khiển lưu lượng FC ( PID2
). PID2 đồng thời cũng nhận được tín hiệu đặt SP ( lưu lượng than ) được tính theo
quy trình công nghệ. PID2 sẽ gửi tín hiệu điều khiển đến bộ điều khiển tốc độ SC (
PID1 ) điều khiển biến tần ( tốc độ động cơ ).
Từ những phân tích trên ta có sơ đồ điều khiển của hệ thống cấp than lò nung :
Hình 3.10 : Sơ đồ khối điều khiển cấp than lò nung
- Trong hệ thống cấp than lò nung coi biến tần với động cơ quay đĩa cân là một
khâu quán tính bậc nhất có trễ, có dạng :
0.5
1
1
( )
1
S
dt
K
W s e

T s
−
=
+
Hệ số chuyển đổi K
1
chính là biến tần với K
1
= 1.5
Động cơ 3 pha quay đĩa cân là khâu quán tính bậc nhất
1
1
1 T s
+
với T
1
= 3
Khâu trễ do khâu chấp hành và cảm biến sinh ra trong quá trình thức thi
- Còn Silo chứa than với động cơ khuấy ta xem là tín hiệu nhiễu hằng.
2.2 Thiết kế bộ điều khiển PID1, PID2.
2.2.1 Thiết kế bộ điều khiển PID1.
Đối tượng của PID1 là khâu quán tính bậc nhất có trễ
0.5
1.5
w ( )
1 3
S
dt
s e
s

−
=
+
. Ta sẽ
chỉnh định tham số của PID1 theo phương pháp tổng T của Kuhn :
• Áp dụng phương pháp tổng T của Kuhn.
Chọn bộ điều khiển PI : W
PID1
=
1
(1 )
p
I
K
T s
+
Xấp xỉ
0.5
1
1 0.5
S
e
s
−
=
+

Ta có W
dt
trở thành khâu quán tính bậc 2 như sau :

1.5
w ( )
(1 3 )(1 0.5 )
dt
s
s s
=
+ +
Với
1.5
p
K
=
;
3 0.5 3.5T
∑
= + =
Áp dụng công thức ta có :
0.5 0.5
0.333
1.5
p
dt
K
K
= = =

0.5* 0.5*3.5 1.75
I
T T

∑
= = =
Mô phỏng Matlab ta có :
Hình 3.11 : Sơ đồ khối Simulink điều khiển động cơ & biến tần
Hình 3.12 : Đường đặc tính điều khiển động cơ cân Rotor
Độ quá điều chỉnh 4% và thời gian quá độ 13(s).
- Ta thấy với bộ điều khiển vừa thiết kế này thì vẫn còn độ quá điều chỉnh do đó để
thiết kế cho bộ điều khiển vòng trong PID2 ta phải thiết kế bộ điều khiển PID1 làm
cho đường đặc tính không còn có độ quá điều chỉnh. Sau vài bước chỉnh định ta
thấy: K
p
=0.2845; K
i
=0.1114 thì thõa mãn yêu cầu.
Mô phỏng matlab:
Hình 3.13 : Đường đặc tính điều khiển động cơ cân Rotor sau chỉnh định
Độ quá điều chỉnh đã được triệt tiêu. Và thời gian quá độ 17s
- So sánh bộ điều khiển vừa thiết kế với bộ điều khiển thiết kế theo phương pháp
tổng T của Kuhn:
Hình 3.14 : So sánh hai bộ điều khiển vừa thiết kế
+ Nhận xét:
Bộ điều khiển vừa thiết kế đường đặc tính màu đỏ là tốt hơn bộ điều khiển thiết kế
theo phương pháp tổng T của Kuhn. Vậy bộ điều khiển PID1 ta chọn có:
Bộ điều khiển dạng: W
PID1
=
1
(1 )
p
I

K
T s
+
; Với: K
p
=0.2845; K
i
=0.1114.
2.2.2 Thiết kế bộ điều khiển PID2.
Để thiết kế bộ điều khiển vòng trong PID2 ta ước lượng vòng trong bằng cách đưa
đầu vào 1(t):
Hình 3.14 : Sơ đồ khối Simulink điều khiển động cơ & biến tần
Ta có đáp ứng đầu ra:
Hình 3.14 : Tín hiệu đầu ra bộ điều khiển động cơ & biến tần
Để thiết kế bộ điều khiển cho vòng điều khiển lưu lượng (PID2) ta xấp xỉ nó về
dạng đơn giản đó biết.
Hàm truyền:
1
( ) . . ( )
s
d d
W s K e W s
τ
−
=
Cấu trúc của đối tượng:
Hình 3.15 : Cấu trúc đối tượng
1 0
( ) ( )h t h t
τ

= −

chuyển dịch trục tung một khoảng
0
τ
=0 sẽ được h
1
(t) sẽ được h
1
(t) trong đồ thị
h(t)
1
( )
( )
d
h t
t
K
σ
=
gọi là hàm so chuẩn
7
( ) 0.7t
σ
=
→
3
( ) 0.25t
σ
=

.
Do 0.19 <
3
( ) 0.25t
σ
=
< 0.31 nên chọn
Hình 3.16 : Ước lượng mô hình đối tượng của PID2
Từ đồ thị thu được ta kẻ tiếp tuyến, xác định thông số a, b, c:
a=5.5; b=0.87; c=0.7.
==5.05
Suy ra mô hình đối tượng sau khi ước lượng là:

0.5
1
( )
(1 5.05 )(1 0.45 )
S
dt
W s e
s s
−
=
+ +
Mô phỏng mô hình sau khi ước lượng trên matlab ta có:

Hình 3.17 : Mô phỏng mô hình đối tượng của PID2
Đặc tính của đối tượng trên:
Hình 3.18 : Đặc tính đối tượng của PID2
Ta có đáp ứng hệ mới gần như hệ cũ,cũng với thời gian đáp ứng khoảng 17s

Với hệ:
0.5
1
( )
(1 5.05 )(1 0.45 )
S
dt
W s e
s s
−
=
+ +
1 2
(1 )(1 )
S
dt
K
e
T s T s
τ
−
=
+ +
ta sẽ có các phương
pháp điều khiển sau:
a) Phương pháp tổng T của Kuhn để thiết kế bộ điều khiển:
Bộ điều khiển có dạng:
1
(1 )
p

i
K
T s
+
Với:
1
dt
K =
,
1 2
5.05 0.45 0.5 6T T T
τ
∑
= + + = + + =
Suy ra ta có:
0.5 0.5
0.5
1
p
dt
K
K
= = =

Σ
0.5 0.5*6 3
i
T T= = =
Đưa giá trị bộ điều khiển vào mô phỏng matlab ta có:

Hình 3.19 : Sơ đồ điều khiển lưu lượng than
Kết quả mô phỏng bộ điều khiển thiết kế theo phương pháp tổng T của Kuhn:
Hình 3.20 : Đặc tính điều khiển lưu lượng than với PID2 chỉnh định
theo phương pháp tổng T của Kuhn
Từ hình trên ta thấy độ quá điều chỉnh 5% và thời gian đáp ứng 22(s)
b) Phương pháp tối ưu modul
Xấp xỉ W
1
(s) về dạng sau :
1
( )
(1 5.05 )(1 0.5 )(1 0.45 )
dt
W s
s s s
=
+ + +
1 2 3
(1 )(1 )(1 )
dt
K
T s T s T s
=
+ + +
Áp dụng phương pháp tổng các hằng số thời gian nhỏ đưa W
dt
(s) về dạng khâu
quán tính bậc 2:
1
1

( )
(1 )(1 ) (1 5.05 )(1 0.95 )
dt
dt
K
W s
T s T s s s
∑
= =
+ + + +
Với:
2 3
0.5 0.45 0.95T T T
∑
= + = + =
;
1K
=
.
Chọn bộ điều khiển PI :
2
1
w (1 )
PID p
i
K
T s
= +
1
1

5.05
5.05
2.658
2* * 2*1*0.95
i
p
dt
T T
T
K
K T
∑
= =
= = =
Thay thông số bộ điều khiển vào mô phỏng trên matlab ta có:
Hình 3.21 : Đặc tính điều khiển lưu lượng than với PID2 chỉnh định
theo phương pháp tối ưu module
Độ quá điều chỉnh 5% và thời gian quá độ 6s.
- So sánh 2 phương pháp chỉnh định:
Hình 3.22 : So sánh 2 phương pháp chỉnh định
+ Ta thấy chất lượng động học của phưong pháp thiết kế tối ưu modul là tốt hơn
nhưng cả 2 phương pháp để thiết kế cho bộ điều khiển PID2 chưa mang lại chất
lượng động học của hệ thống tốt nhất do đó ta cần phải chỉnh định bằng tay các
thông số K
p
, K
i
để tìm ra được bộ điều khiển tốt nhất.
+ Sau vài lần chỉnh định tham số K
p

, K
i
ta thấy khi: K
p
=1.0688; K
i
=0.2247 thì sẽ
triệt tiêu được sai lệch tĩnh do đó ta chọn bộ điều khiển PID2 có: K
p
=1.0688;
K
i
=0.2247 . Đường đặc tính thu được của bộ điều khiển sau khi mô phỏng bằng
Matlab:
Hình 3.23 : Đặc tính điều khiển lưu lượng than với PID2 chỉnh định bằng tay
2.2.3 Phân tích tác động của nhiễu đến bộ điều khiển.
Sơ đồ hệ thống cấp than lò nung:
Hình 3.24 : Mô phỏng Simulink hệ thống cấp than lò nung khi có nhiễu
Ảnh hưỏng của nhiễu được thể hiện trên đường đặc tính của hệ thống khi đặt thời
gian mô phỏng là 100(s) thì như sau:
Hình 3.25 : Đặc tính mô phỏng hệ thống cấp than lò nung khi có nhiễu
3.Giải pháp công nghệ
-Sơ đồ khối về hệ thống điều khiển
FCC
Cấu trúc của hệ thống định lượng:
PC|PHT
CSC
CÂN ROTO
LCP
CPI

Các yếu tố cấu trúc chính là: một tủ điều khiển FCC nằm tại trung tâm điều khiển
nhà máy (MCC) và Panels (LCP) kiểm soát, được thiết kế đặc biệt cho hệ thống
cấp liệu (FIELD).
Tủ điều khiển FCC chứa tất cả các bộ điều khiển cho lưu lượng và tốc độ.Bao gồm
cả việc giám sát của các chức năng này.
Bảng điều khiển địa phương (s) LCP : chức năng liên kết với FCC để xử lý và
cung cấp các truy nhập địa phương đến tất cả các thiết bị - có bảo trì và cung cấp
dịch vụ đến thiết bị đó.
->>Hình ảnh về FCC và LCP:
3.1 Tìm hiểu về FCC
Bộ điều khiển lưu lượng và tốc độ FCC sử dụng CPI(CAN Process Interface ) và
CSC(CAN-System-Controller).
3.1.1 CPI (CAN Process Interface ) cùng với giao thức CANopen
-CPI được thiết kế cho việc thu bắt các :tín hiệu vào,tần số,giá trị tương tự,giá trị
đo.Nó cũng được sử dụng để bắt các giá trị tương tự đầu ra và cài đặt thông số đầu
ra.
-Sơ đồ khối:
-Cấu tạo chi tiết:
Cấu tạo các khối:
-Nguồn (X1):
-Điều khiển đầu ra(X2):
-Điều khiển đầu vào(X3,X4):
-Giao diện dữ liệu CAN(X5,X6):
-Vào /ra tương tự(X7):
-Tần số vào /ra(X8):
-Giao diện dữ liệu RS232(X9):
-Các giá trị đầu vào và đầu ra có thể được truy vấn hoặc thiết lập thông qua các bus
CAN tích hợp.
CPI phải được trang bị ít nhất một bộ khuếch đại đo đôi CDMV "891.443.00.00"
cho việc bắt các tín hiệu đo. Các giá trị đo bắt được xuất ra liên tục qua các bus

CAN trong khoảng thời gian 20 ms.
Các trạng thái của các tín hiệu đầu vào và đầu ra cũng như các chức năng của bus
CAN được báo bằng đèn LED trên CPI.
Cấu hình CPI xảy ra thông qua giao diện dữ liệu RS-232 hoặc qua các bus CAN.
Tất cả các dữ liệu cấu hình có thể được lưu trong một EEPROM.
Một kết nối với một đối tác (MASTER), thiết bị mà được kết nối với CPI qua các
bus CAN có thể được thiết lập thông qua RS-232 giao diện dữ liệu.
-Chức năng của các khối :
1. NGUỒN "X1"
CPI được cung cấp với 24V DC qua X1 . 24V DC cung cấp cho các đầu vào và
đầu ra thông qua X1 và được bảo vệ chống quá tải dòng 4A với một mạch ngắt
tự động.
2.ĐẦU RA A00 A03 "X2"
4 ngõ ra điều khiển có thể được thiết lập trên CPI với bus CAN. Các kết quả đầu ra
phải được trả về thường xuyên thông qua các bus CAN(mỗi 200 ms). Nếu tình
trạng này không được đáp ứng, kết quả đầu ra được tắt (mức thấp).
3. ĐẦU VÀO : E00 E07 E10 E15 GỒM "X3" VÀ "X4
CPI có 14 đầu vào số. Các đầu vào có các chức năng xác định . Đầu vào "E14" và
"E15" là thiết kế để bắt xung đầu vào với một độ rộng xung tối thiểu là 13 ms.
Ngoài ra, 16 bit đếm đầu vào tần số 1 được đặt ở đầu vào "E15" với một "xung
cao".
4. GIAO DIỆN CAN "X5" VÀ "X6"
Theo tiêu chuẩn ISO 11898, các giao thức CAN tuân thủ với kết nối dữ liệu lớp 2
trong mô hình tham chiếu ISO / OSI và hỗ trợ các hoạt động đa chủ.
Như các lớp ứng dụng, các nhà sản xuất quốc tế và Hiệp hội CAN trong tự động
hóa (gọi là CIA) thì giao thức chuẩn CANopen dựa trên "DS 301" (không có cấu
hình) được sử dụng.
CPI hỗ trợ khởi động theo "CAL" (CAN Application Layer) hoàn chỉnh. Kết quả
là, nó có thể được tích hợp vào mạng CAL và hoạt động như một thiết bị CAL có.
Các chi tiết của CANopen và các đặc điểm kỹ thuật CAL có thể được tìm thấy

trong các tiêu chuẩn CIA CIA DS201-207, 301 và 401.