Tóm tắt luận văn LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG CHO NHÀ MÁY CÁN THÉP THÁI NGUYÊN TRÊN NỀN SIMTAC S7300 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
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:

Vào hồi giờ tháng năm 20

1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Qua khảo sát tìm hiểu về nhà máy cán thép Thái Nguyên thì
hiện tại nhà máy có khá nhiều các công đoạn được điều khiển thủ
công và phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm của người vận hành. Bên
cạnh đó, sự tiến bộ vượt bậc về khoa học kỹ thuật cũng như công
nghệ tự động hóa cho thấy, việc nghiên cứu và cải tiến hệ thống tự
động hóa của nhà máy cán thép nói chung và cho nhà máy cán thép
Thái Nguyên nói riêng là thực sự cấp thiết để nâng cao hiệu quả sản
xuất. Mặt khác, một trong những yếu tố ảnh hưởng quan trọng đến
chất lượng thép chính là điều khiển quá trình nung phôi trong lò
nung sao cho tiết kiệm chi phí nhất, chất lượng phôi sau khi nung đạt
được nhiệt độ yêu cầu công nghệ đặt ra.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.

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.

3

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.
1.2. Quy trình công nghệ cán thép
Qui trình công nghệ của nhà máy cán thép Thái Nguyên
được biểu diễn ở hình dưới đây:
4

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

Đ
ạ
t

Cán Block
Làm nguội dây
Máy tạo vòng
Sàn lăn dải
Sàn nguội
Cắt phân đoạn
Quenching
Cán thanh
≤
Ф16

Cán thô
Cắt đầu đuôi lần 1
Cán trung/tinh
Cắt đầu đuôi lần 2
Cán thanh
≥
Ф18

Không
H
ồ
i lò

X
ử

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

nâng cao chất lượng điều khiển cho nhà máy là một vấn đề rất lớn.
Do vậy, trong khuôn khổ luận văn này, tác giả tập trung vào
nghiên cứu các phương pháp điều khiển nâng cao chất lượng của hệ
thống lò nung.


6

CHƯƠNG 2
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG

2.1. Cấu tạo và hoạt động của lò nung nhà máy cán thép Thái
Nguyên
2.1.1. Cấu tạo lò nung
TT1
12
4
12
3
Discharging
Can nhiÖt
T§N
KK thõa
TT2
Van x¶ 2
KK ra
Van x¶ kªnh khãi
Van x¶ 1
KK vµo

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

đều có các van điều khiển bằng tay để điều chỉnh lưu lượng dầu, khí
nén hóa mù dầu và điều chỉnh lưu lượng không khí. Riêng với từng
cụm mỏ đốt cho các vùng chỉ có 1 van điều khiển lưu lượng dầu và 1
van điều khiển lưu lượng không khí. Bài toán điều khiển nhiệt độ lò
nung chính là điều chỉnh tự động các van này sao cho nhiệt độ từng
vùng ổn định và duy trì theo yêu cầu đặt ra.
Việc đo lường và điều khiển nhiệt độ cho bốn vùng nung là
hoàn toàn tương tự nhau. Cho nên nghiên cứu tập trung chủ yếu vào
vùng 1(vùng sấy), các vùng còn lại là hoàn toàn tương tự.
Bài toán điều khiển đặt ra là: Với các vùng lò nung là
vùng sấy, vùng nung và 2 vùng đồng nhiệt thì với giá trị nhiệt độ đặt
trước (theo yêu cầu công nghệ) ở mỗi vùng cần điều khiển van cấp
8

dầu (và từ đó điều khiển không khí theo tỷ lệ tối ưu nhất) sao cho
nhiệt độ vùng ổn định tại nhiệt độ đặt trước đó. Nhiệt độ của mỗi
vùng được đo bằng hai cặp nhiệt loại “S” ở hai bên lò. Giá trị nhiệt
độ đo được so sánh với giá trị nhiệt độ đặt trước (được người vận
hành cài đặt trên giao diện giám sát). Sai lệch giữa hai giá trị nhiệt độ
này được đưa vào bộ điều khiển để có tín hiệu điều khiển van cấp
dầu và từ đó điều khiển nhiệt độ của vùng.
2.3.1. Mô hình toán học vùng 1




Hình 2.2. Đối tượng điều khiển vùng 1
Tiếp theo ta đi xác định hàm truyền của thiết bị đo, thiết bị
chấp hành và của vùng 1 để từ đó xây dựng hàm truyền của đối
tượng điều khiển vùng 1.

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

4÷20m
A

Tín hiệu đk
Thiết bị
chấp hành
Nhiệt độ
vùng 1
Đối tượng điều khiển vùng 1
9

đại thuần túy. Vậy:
()
mm
Gsk
=
. Vì khi nhiệt độ thay đổi từ 0÷1400
0
C
thì tương ứng với đầu ra thay đổi từ 4÷20mA.
Vậy
204
0.0114
14000
m
k
−
==
−
=>

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

=

Khi tín hiệu điều khiển thay đổi từ 4÷20mA thì qua bộ
chuyển đổi điện-khí nén I/P ta được đầu ra là tín hiệu khí nén thay
đổi từ 0.2÷1 bar. Khi tín hiệu khí nén thay đổi thì tín hiệu độ mở van
thay đổi từ 0÷100%. Và khi độ mở van thay đổi thì lưu lượng dầu
qua van thay đổi từ 0÷550lit/h. Vậy hệ số khuếch đại van điều khiển
vùng 1 là:
5500/
34.375
204
v
lh
k
mA
−

==

−

=>
1
34.375
()
1
v
Gs
s
=

+


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
−

=
+

Vì lưu lượng dầu cấp tối đa của vùng 1 là 550 lit/h. Do đó,
khi lưu lượng dầu thay đổi từ 0÷550 lít/h thì nhiệt độ vùng 1 thay đổi
từ 0÷1400
0
C.
Do đó:
0
1
14000
2.55
5500/
C
K
Lh

−
==

−

.
Các tham số thời gian quán tính T
1
, τ
1
được chọn theo kinh
nghiệm của các chuyên gia làm việc tại nhà máy:

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
−

==
++

2.3.2. Mô hình toán học các vùng khác
Theo cách tương tự dễ dàng xác định được mô hình toán học
của các vùng còn lại. Tổng hợp lại ta có bảng sau:
11

Bảng 2.1. Bảng tổng hợp mô hình toán học các vùng nung
Stt Đối tượng điều khiển
Mô hình toán học từng vùng
nung
1 Vùng 1 (vùng sấy)
30
()
(1001)(1)
s
I
e
Gs
ss
−
=
++

2 Vùng 2 (vùng nung)
60
()
(1501)(1)
s

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

Trong luận văn này tôi sử dụng toolbox trong phần mềm
Matlab/Simulink đó là PID tune.
2.4.1.1. Bộ điều khiển PID
2.4.1.2. Ứng dụng PID tune để thiết kế bộ điều khiển
Trong phần mềm Matlab/Simulink có công cụ PID tune để
xác định các thông số của bộ điều khiển. Nhiệm vụ đặt ra là cần xác
định các tham số của bộ điều khiển K
P
, K
I,
K
D
sao cho nhiệt độ vùng
1 tiến tới và ổn định tại giá trị đặt theo yêu cầu công nghệ. Vậy sơ đồ
khối hệ thống điều khiển nhiệt độ vùng 1 như sau:
12





Hình 2.3. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ vùng sấy
Trong đó:
G
I
(S) là hàm truyền của đối tượng điều khiển vùng 1:
30
1
().
(1001)(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

đ
ặ
t

Tín hi
ệ
u
ra
K
PID
(s)

G
I
(S)

ĐTĐK
vùng 1
U(s)

13

Với thời gian quá độ là 44.3s, thời gian xác lập là 88.8s và
độ quá điều chỉnh là 1.59% (thỏa mãn các yêu cầu công nghệ).
Từ đó suy ra:
2.1532
P
KP==
;
.0.019265

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

Ts
τ
−
=
+

Thông số bộ điều khiển PID
()
()
()
I
PIDPD
KUs
KsKKs
Ess
==++

Vùng sấy K
P
=2.1532 K
I
=0.019265 K
D
=13.7372
Vùng nung K
P
=1.3675 K
I
=0.009626 K
D

=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

khiển nhiệt độ trên nền Simatic S7-300 và phần mềm WinCC.
15

CHƯƠNG 3.
TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ
LÒ NUNG TRÊN NỀN SIMATIC S7-300
VÀ PHẦN MỀM WINCC

3.1. Cấu hình hệ thống điều khiển
3.1.1. Cấu hình phần cứng
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 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.
3.1.2. Bảng địa chỉ các đầu vào-ra
3.1.2.1. Các đầu vào tương tự
Các đầu vào tương tự là các thiết bị đo của các vùng, bao
gồm: Thiết bị đo nhiệt độ, thiết bị đo lưu lượng (đo lưu lượng dầu,
khí đốt và khí thừa trong lò).
3.1.2.2. Các đầu ra tương tự
Các đầu ra tương tự trong bài toán điều khiển ở đây chính là
các van chấp hành. Đây là loại van bướm được điều khiển bằng thủy
lực khí nén.
16

3.2. Thiết bị và phần mềm hỗ trợ lập trình

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

tl

Van d
ầ
u

Vùng i

CB

PID

17

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.
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 không khí (hình 3.1) là bộ điều khiển tỷ
lệ có bù để chế độ cháy hoàn toàn.
Tín hiệu điều khiển van dầu qua bộ điều khiển tỷ lệ K
tl
.
Đồng thời cảm biến đo không khí dư CBKK trong lò sẽ được nhân
với hệ số bù nhiệt độ. Tổng hợp hai tín hiệu này để điều khiển van
không khí.
3.3.2. Một số module của STEP 7
3.3.2.1. Module FC105

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.

d. Lưu đồ thuật toán của hàm FC(i+4): với i=1÷4
Cấu trúc điều khiển van khí đốt theo lưu lượng dầu và khí
thừa trong lò.






Hình 3.2. Cấu trúc điều khiển van không khí
OUT

IN2

u1

IN1

Van KK

Khí thừa

LMN

K
FC106
K
FC105
Tín hiệu đầu ra
của PID

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.

Giao diện được thiết kế gồm các trang màn hình như sau:
Màn hình tổng quan khu vực lò nung OVERVIEW, 4 màn hình điều
khiển và giám sát cho 4 vùng lò nung HEATING ZONE (thiết kế
giống nhau) và các màn hình con PID, TREND, ALARM.
Từ trang màn hình tổng quan OVERVIEW ta có thể truy cập
vào các trang con HEATING ZONE, rồi từ trang HEATING ZONE
này ta có thể truy cập vào các trang con của nó như: PID, TREND
hay ALARM.
20

3.4.2.1. Giao diện HMI tổng quan khu vực lò nung
3.4.2.2. Giao diện HMI điều khiển và giám sát nhiệt độ các vùng
lò nung
3.4.2.3. Giao diện HMI giám sát nhiệt độ các vùng lò nung
3.4.2.4. Giao diện cài đặt tham số PID điều khiển nhiệt độ các
vùng lò nung
3.5. Cài đặt phần mềm, lắp đặt hệ thống và đánh giá kết quả
Nghiên cứu đã tiến hành thực nghiệm trên đối tượng điều
khiển có mô hình tương đương như mô hình các vùng lò nung.
Các kết quả thu được sau khi tiến hành thực nghiệm như sau:

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

21


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

Hình 3.15. Giao diện theo dõi nhiệt độ vùng 1 (thực nghiệm)
Qua các kết quả thu được sau khi tiến hành thực nghiệm, có

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

Với đề tài nghiên cứu là “Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt
độ lò nung của nhà máy Cán thép Thái Nguyên” chúng ta đã tìm hiểu
được quy trình công nghệ cán thép tại nhà máy (chương 1), thiết kế
hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung (chương 2) và tổng hợp hệ
thống điều khiển nhiệt độ lò nung trên nền Simatic S7-300 và phần
mềm WinCC (chương 3).
Như đã phân tích, điều khiển nhiệt độ lò nung là một bài
toán điều khiển phức tạp, bao gồm điều khiển lưu lượng dầu, lưu
lượng khí đốt và điều khiển tỷ lệ dầu/khí để quá trình nung kim loại
trong lò đạt yêu cầu công nghệ và tiết kiệm chi phí. Vì thời gian có
hạn nên luận văn chỉ giới hạn phạm vi nghiên cứu điều khiển nhiệt
độ lò bằng cách điều khiển lưu lượng dầu đốt. Nếu nhiệt độ đặt tăng
thì lượng dầu cấp cần phải tăng hoặc ngược lại. Khi lưu lượng dầu
thay đổi thì lưu lượng khí đốt và khí hóa mù dầu cần thay đổi theo
một tỷ lệ nhất định nào đó (cần điều khiển). Bài toán điều khiển tỷ lệ
dầu/khí là một bài toán điều khiển cực trị đã có nhiều công trình
nghiên cứu. Trong luận văn đã xem như được giải quyết, vì thế chỉ
có một biến điều khiển là lưu lượng dầu. Tuy nhiên, luận văn vẫn chỉ
dừng ở mức thực nghiệm và mô phỏng, chưa được kiểm chứng kết
quả trên lò nung thực tế.
Trên cơ sở còn hạn chế của đề tài, hướng phát triển của đề
tài là sẽ giải quyết bài toán điều khiển nhiệt độ một cách triệt để,
nghĩa là từ việc điều khiển lưu lượng dầu, lưu lượng khí đến điều
khiển tỷ lệ dầu/khí và điều khiển thời gian nung phôi trong lò để kết
quả là nhiệt độ phôi trong lò đạt các chỉ tiêu công nghệ đặt ra và phù