Nghiên cứu hệ thống điều khiển dây chuyển sản xuất xi măng quang sơn bài tập lớn hệ THỐNG tự ĐỘNG hóa đại học BÁCH KHOA hà nội

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU
Xi măng là một trong những ngành công nghiệp quan trong trong nền kinh tế
quốc dân, trong việc xây dựng cơ sở hạ tầng xã hội. Để đáp ứng nhu cầu xây dựng
trong quá trình phát triển và hội nhập, nhiều nhà máy đã không ngừng phát triển
công nghệ, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Nhiều sáng kiến cải tiến
kỹ thuật, đề tài nghiên cứu khoa học đã được áp dụng vào sản xuất kinh tế mang lại
hiệu quả kinh tế to lớn.

1


Qua môn học Hệ thống tự động hóa nhà máy xi măng do thầy Nguyễn Mạnh
Tiến giảng dạy, em đã được nhận đề tài: “Nghiên cứu hệ thống điều khiển dây
chuyển sản xuất xi măng Quang Sơn”
Nội dung của bản báo cáo bao gồm những nội dung sau:
1.
2.

Mô tả dây chuyền công nghệ sản xuất xi măng của công ty.
Nghiên cứu cấu hình hệ thống điều khiển DCS của đây chuyền sản xuất xi

3.

măng.
Nghiên cứu bộ điều khiển PLC chính của dây chuyển sản xuất xi măng PLC
AC800M
Do kiến thức và kinh nghiệm của em còn hạn chế nên bản báo cáo này chắc

chắn sẽ có nhiều thiếu sót. Em kính mong nhận được sự hướng dẫn, góp ý của các

thầy cô để em được hoàn thiện hơn.
Sinh viên
Lương Văn Tấn

I.

Mô tả dây chuyền công nghệ sản xuất xi măng của công ty.
1. Khâu đồng nhất sơ bộ.

2


Khâu đồng nhất sơ bộ
Đất sét và đá vôi sau khi khai thác được vận chuyển đến chúng sẽ
được tiếp nhận theo từng khối, đất sét 40m3 và đá vôi là 70m3. Sau
đó chúng sẽ được đập nhỏ sơ bộ theo kích thước nhất định, công suất
của quá trình đập búa đá vôi đất sét là 950 tấn/h. khi đã đập nhỏ chúng
sẽ qua hệ thống phân tích đá vôi, đất sét để lọc ra các tạp chất và phân
tích hàm lượng của chúng. Sau đó chúng sẽ được rải và đưa vào kho
đồng nhất. Kho đồng nhất đá vôi đất sét có sức chứa 30000 (tấn).

3


Tiếp nhận phụ gia và than.
Ngoài ra phụ gia và than cũng được tiếp nhận. đập nhỏ và rải rồi đưa
vào các két chứa. Phụ gia gồm Quartzite, quặng sắt để phục vụ cho
qua trình nghiền liệu. Than để phục vụ cho lò nung, thạch cao và
pozzolane phục vụ quá trình nghiền xi măng. Phụ gia và than được
tiếp nhận 20m3 một lần. Khâu đập phụ gia có công suất 200 tấn/h và

rải phụ gia có công suất 200 tấn/h, rải than có công suất 500 tấn/h. sau
đó chúng được đưa vào các silo chứa. Công suất của các silo chứa như
sau: Quartzie có sức chứa 5000 tấn, quặng sắt sức chứa 3500 tấn, đv
chất lượng cao sức chứa 3500 tấn, than sức chứa 15000 tấn, pozzolane
sức chứa 8000 tấn, thạch cao sức chứa 5000 tấn.
Khâu đồng nhất sơ bộ có vai trò rất quan trọng, vì liệu cấp cho lò phải
ổn định về thành phần hóa học.
2.

Khâu nghiền liệu

Khâu nghiền liệu.

4


Đất sét, đá vôi và phụ gia sẽ được đi vào các két chứa, két chứa đá vôi
đất sét có dung lượng 500 tấn, két chứa đv chất lượng cao là 140 tấn,
két chứa Quartzite là 160 tấn, két chứa quặng sắt là 240 tấn. Sau đó
chúng sẽ được đi vào các cân định lượng để định lượng các thành
phần theo đúng chỉ tiêu và đưa vào máy nghiền đứng, công suất 329
tấn/h. Sau khi nghiền xong, đầu ra là bột liệu 2000 tấn để cấp liệu cho
lò nung.

3.

Tạo nhiên liệu than mịn cho lò quay và precalciner

Than từ máy cào than sẽ đưa vào két chứa than dung lượng 200 tấn,
sau đó qua cân băng định lượng than rồi đưa tới máy nghiền than.

Máy nghiền loại đứng, công suất 30 tấn/h. đầu ra là than mịn và đưa
vào két chứa 200m3 và đi vào cân định lượng để cấp nhiên liệu cho
5


percalciner và lò nung. Quá trình nghiền than tạo ra khói bụi, sẽ được
đưa qua khâu lọc bụi túi 2300m2 và đưa ra ống khói.
4.

Lò nung.
Silô chứa bột mịn đưa đến cân flow được điều khiển rồi đưa đến đỉnh
tháp 5 tầng. lò quay có nhiệt độ từ 1300 đến 1400. Đầu vào gồm có
nguyên liệu là bột liệu từ khâu nghiền liệu. Nhiên liệu là than mịn.
Ngoài ra còn có gió 1, gió 2 gió 3. Gió 1 là gió sơ cấp từ môi trường
vào để đốt than. Gió 2 tạo ra bởi quạt làm mát, gió 3 trích ra từ một
phần gió 2. Khí sinh ra khi cháy được hút bởi quạt ID.
Đầu ra là clinker và khí thải. Khí thải được lọc bụi tĩnh điện.
Clinker đầu ra còn nóng được làm mát về khoảng 100C và được vận
chuyển về các silo chứa clinker.
Lò nung và làm lạnh ảnh hưởng lớn tới chất lượng của xi măng.

Quá trình tạo ra clinker
6


5.

Vẩn chuyển clinker đến các silo chứa clinker

Clinker sau khi được làm nguội sẽ được vận chuyển đến các silo

clinker thứ phầm 2000 tấn và solo clinker chính phẩm 40000 tấn.
Clinker chính phẩm một phần được xuất đi bán khoảng 20 tấn. Phần
còn lại sẽ được vận chuyển đến két chứa clinker để phục vụ cho quá
trình tạo ra xi măng.
6.

Nghiền xi măng.
Clinker từ két chứa clinker, thạch cao và Pozzolane lần lượt đi qua các
cân băng định lượng và vào máy nghiền xi măng Horomills để tạo ra
xi măng.

7


Nghiền xi măng
Khí thải của quá trình nghiền xi măng sẽ được lọc bụi và đưa ra ống
khói. Két chứa clinker là 280 tấn, két chứa thạch cao là 280 tấn, két
chứa Pozzolane là 240 tấn. Máy nghiền xi măng có công suất 2x120
tấn/h.
7.

Đóng bao và xuất xi măng.

Xi măng từ máy nghiền sẽ được vận chuyển đến các silo chứa xi
măng. Có 4 silo chứa xi măng 10000 tấn. một phần xi măng sẽ được
xuất đi luôn khoảng 300 tấn/h. Một phần sẽ được đóng bao bởi các
máy đóng bao và xuất đi.

8

II.

Nghiên cứu cấu hình hệ thống DCS của dây chuyền sản xuất xi
măng.
1. Mô tả cấu hình hệ thống DCS
Hệ thống DCS trong nhà máy xi măng có 3 cấp:
- Cấp trường: gồm có các cơ cấu chấp hành, cảm biến.
- Cấp điều khiển là: PLC..
- Cấp giám sát: là các máy tính vận hành…
Hệ thống điều khiển DCS của Công ty Xi măng Quang Sơn có các
khâu chính như sau:


Hệ thống điều khiển trung tâm CCR.

9


Hệ thống này gồm 4 máy tính trung tâm để điều khiển và giám sát các
hoạt động của nhà máy. 4 máy in HP laserjet, 2 máy in màu HP
Deskjet color A4 và 1 máy in màu HP Deskjet color A3 để in các dữ
liệu trong quá trình nhà máy hoạt động.
Tiếp đến là các máy tính có các chức năng khác nhau:
-

Domain servers: máy chủ miền.
Aspect servers: máy chủ giao diện.
Connectivity servers: máy chủ để kết nối
Engineering station 1&2: là các trạm kỹ thuật sử dụng cho việc

-

biên soạn, lưu chương trình và đào tạo kỹ thuật.
Kiln shell scanner PC: Máy tính điều khiển việc quét nhiệt độ vỏ

-

lò.
RMP server automation room: là phòng máy chủ tự động.
Knowledge manager server (IMS) automation room: máy chủ quản
lý dữ liệu một cách tự động để quản lý dữ liệu kỹ thuật và của

-

khách hàng.
Các máy tính thu thập dữ liệu kỹ thuật và của khách hàng.
On- Line Gama ray analyzer: máy tính thực hiện phân tích tia
gama.

10


Phòng điều khiển cục bộ LCR
Phòng điều khiển cục bộ LCR gồm có 3 phần:
Điều khiển hoạt động của máy nghiền: phần này gồm có một máy


-

tính điều khiển và giám sát hoạt động của máy nghiền, một PLC
AC800M để điều khiển quá trình nghiền đá vôi và đất sét

-

Quá trình nghiền thạch cao và quá trình xếp kho: gồm có một máy
tính điều khiển và giám sát quá trình nghiền thạch cao và xếp kho,
11


bộ PLC AC800M để điều khiển quá trình nghiền thạch cao và xếp
-

kho.
Quá trình đóng gói: gồm một máy tính để điều khiển quá trình
đóng gói và vận chuyển, một PLC AC800M để điều khiển quá
trình đóng gói và vận chuyển.


Tủ điện có PLC để điều khiển các công đoạn.

12


Gồm có 6 PLC AC800M để điều khiển các quá trình nghiền nguyên
liệu, lò nung, nghiền than, làm nguội, quản lý và xử lý nước thải,
nghiền xi măng.
2.

Mô tả các BUS và phương thức truyền thông trong hệ thống.

Toàn bộ PLC trong nhà máy là PLC AC800M do hãng ABB sản xuất.
Truyền thông sử dụng giao thức TCP/IP. Như nhiều bộ giao thức
khác, bộ giao thức TCP/IP có thể coi là một tập hợp các tầng, mỗi
tầng giải quyết một tập các vấn đề có liên quan đến truyền dữ liệu và
cung cấp cho các giao thức tầng trên một dịch vụ của các tầng thấp
hơn. Tín hiệu từ CPU của PLC được truyền và biến đổi thành tín hiệu
quang theo chuẩn TCP/IP đưa về phòng điều khiển trung tâm, các tín
hiệu này sẽ được hiển thị ở các máy tính trung tâm, căn cứ vào đó các
cán bộ trực tại phòng điều khiển trung tâm sẽ đưa ra lệnh điều khiển
tới các thiết bị cũng theo đường truyền tín hiệu trên nhưng theo hướng

III.

ngược lại.
Nghiên cứu bộ điều khiển PLC chính của dây chuyền sản xuất
AC800M.
1. Giới thiệu chung
PLC viết tắt của Programmable logic controller là bộ điều khiển logic
lập trình được, được thiết kế nhằm thay thế phương pháp điều khiển
truyền thống dùng rơle và các thiết bị rời cồng kềnh khác, nó tạo ra
một khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng và linh hoạt dựa vào việc lập
trình trên các thuật toán logic cơ bản. Ngoài ra nó còn có thể thực hiện
nhữ tác vụ khác như: định thời gian trễ, đếm, tính toán, v.v…

13


Ngày nay PLC được sản xuất bởi rất nhiều hãng khác nhau trên thế
giới như: ABB, FESTO, MITSUBISHI, OMRON, ALLEN
BRADLEY, LG, SIEMENS. PLC ngày càng đượng sử dụng rỗng rãi

trong các quá trình tự động ở trong các nhà máy. Chúng bao gồm thiết
bị lập trình.. các bộ phần mềm lập trình, điều khiển, giám sát, lập cấu
hình mạng, giao diện người máy như: Step7 microwin, WinCC,..



Mộ số ứng dụng của PLC trong công nghiệp như:

14


Thang máy

Tủ điện


Ưu điểm của PLC
- Không cần đấu dây cho sơ đồ điều khiển logic như kiểu
-

Relay.
Có độ mềm dẻo sử dụng rất cao, muốn thay đổi phương
pháp điều khiển chỉ cần thay đổi chương trình điều khiển.
15


Chiếm vị trí không gian nhỏ trong hệ thống.
Nhiều chức năng điều khiển.
Tốc độ xử lý thời gian thực tương đối cao.
Công suất tiêu thụ nhỏ.

Không cần quan tâm nhiều về vấn đề lắp đặt.
PLC được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp vì:
- Bên trong môi trường công nghiệp.
- Giao diện không thân thiện với người sử dụng.
- Tốc độ xử lý tương đối cao.
- Có nhiều loại khác nhau để lựa chọn tùy nhu cầu sử dụng và
-



-



độ phức tạp của hệ thống điều khiển.
Có khả năng mở rộng số đầu vào/ra khi mở rộng nhu cầu

điều khiển bằng cách nối thêm các khối vào ra chức năng.
- Dễ dàng điều khiển và giám sát từ máy tính.
- Giá thành hợp lý tùy vào từng loại PLC.
Kết cấu của PLC:
So với một hệ thống máy tính, PLC khác ở cả phần cứng,
chương trình và phần mềm. Tuy vậy về cơ bản PLC dựa trên cơ
sở một microcomputer.
- Phần cứng: bao gồm các thiết bị công nghệ, bảng mạch in,
-

các modun tích hợp, pin, vỏ…
Chương trình: là một bộ phận phần mềm, nó được cài đặt
sẵn và được sử dụng cho việc khởi động sau khi có nguồn

cấp vào. Hơn nữa, một PLC còn có một hệ điều hành, nó

-

được lưu ở trong ROM hoặc EPROM.
Phần mềm: là chương trình do người sử dụng viết. Chúng
thường được cài ở trong RAM (bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên)



để có thể chỉnh sửa được.
Các thành phần của PLC:
- Bộ vi xử lý (CPU: central processing unit)
- Một hệ điều hành để quản lý và thược hiện chương trình.
- Bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển và dữ liệu vào ra.
- Các đầu vào, đầu ra để nhập dữ liệu từ cảm biến và xuất dữ
liệu ra cơ cấu chấp hành.
16


Nguyên lý hoạt động của PLC
Trong quá trình hoạt động của PLC, CPU thực hiện ba công
việc:
-

Đọc dữ liệu: lấy tín hiệu từ các thiết bị trường, lưu vào bộ

-

nhớ

Xử lý và tính toán: thực hiện chương trình ứng dụng được

-

lưu trong bộ nhớ do người lập trình tạo ra.
Ghi dữ liệu: xuất các tín hiệu điều khiển, cảnh báo tại đầu ra.

PLC thực hiện thoạt động trên một khoảng thời gian nhất định
được gọi là chu kỳ quét. Chu kỳ quét của PLC thường cỡ vài
chục ms, tùy thuộc vào chương trình ứng dụng, số lượng vào, ra
và cấu tạo PLC.
Cấu tạo: bộ PLC bao gồm các phần sau.
- Module nguồn
- Bộ xử lý trung tâm CPU.
- Bộ xử lý truyền thông CP.
- Các đầu vào ra số và tương tự.
- Các module đặc biệt.
PLC chính AC800M.


2.

17


PLC AC800M

Bộ điều khiển PLC AC 800M là của hãng ABB sản xuất, nó có thể kết
nối với các tín hiệu cấp hiện trường sử dụng các mô đun vào/ra dòng
S800L hoặc S800 hoặc cũng có thể cho phép kết hợp với bất kỳ thiết

bị hỗ trợ giao thức Profibus nào hiện có trên thị trường. Giao diện
người máy Compact 800 HMI cũng có thể sử dụng cùng với AC
800M hoặc với bất kỳ thiết bị bộ điều khiển PLC của hầu hết các hãng
đang cung cấp trên thị trường. Phương thức truyền thông trong hệ
thống tận dụng những tính năng nổi trội của chuẩn OPC. Một Panel
800 được kết nối trong hệ thống để phục vụ chức năng điều khiển giao
diện người /máy, cho phép lắp đặt tại khu vận hành hoặc dùng cho các
ứng dụng ở trong máy công cụ. Nó cho phép kết nối với hầu hết các
18


máy tính công nghiệp hoặc PC thông thường thông qua việc tích hợp
sẵn các các driver bên trong.



Khối xử lý trung tâm CPU
Thành phần cơ bản của AC800M là khối xử lý trung tâm, chúng
gồm nhiều chủng loại: PM851A, PM856A, PM860A, PM861A,
PM864A, PM866 và PM891. Chúng khác nhau về tốc độ xử lý,
kích thước bộ nhớ và hỗ trợ dự phòng.
Mỗi khối CPU được trang bị và xây dựng cổng Ethernet cho
phép PLC giao tiếp với các quá trình khác và cho tương tác với
người dùng, nhà quản lý và các ứng dụng ở cấp độ cao hơn.
Những cổng này có thể được cấu hình để dự phòng cho những
trường hợp đặc biệt và nó giữ vai trò quan trọng. Nó cũng được
trang bị hai cổng RS-232C có thể được sử dụng cho liên lạc
điểm- đến điểm với lập trình/ gỡ lỗi các công cụ và hệ thống
thiết bị của bên thứ 3.

Ví dụ một loại CPU PM851A:

19


Tần số làm việc: 24MHz
Bộ nhớ trong: 8MB
Bộ nhớ chương trình: 2,787 MB
Truyền thông: Ethernet port và RS-232C port
Hiệu suất hoạt động 1000 boolean: 0,46 ms
Tốc độ truyền dữ liệu: 100Mbit/s- 1Gbit/s Ethernet (IEE802.3)
Kích thước: W 119 x H 186 x D 135 mm (4.7 x 7.3 x 5.3 in.)
Trọng lượng: 1100g

Môi trường dữ liệu cho AC800M


Vào ra I/O
PLC AC800M sử dụng vào ra I/O với S800 hoặc S800L.

20


Đây là một thiết bị vào ra toàn diện, nó phân phối và liên kết
các vào ra I/O của hệ thống với hệ thống điều khiển, hơn nữa
với tiêu chuẩn bus trường. Nhờ khả năng kết nối của nó phù
hợp với hầu hết với các bộ điều khiển quá trình từ ABB đến các
loại khác.
21

Bằng cách cho phép lắp đặt với cảm biến, thiết bị truyền động,
S800 làm giảm chi phí lắp đặt bằng cách giảm chi phí của hệ
thống cáp. Và nhờ vào các tính năng như hot swap các modun
on-line cấu hình lại và dự phòng tùy chọn. Nó góp phần làm
tăng hiệu quả và nâng cao năng suất.
Hơn nữa S800L là một phiên bản hoàn thiện hơn của S800 với
hơn 8000000 kênh cài đặt. Nó mang đầy đủ tính năng và sẵn
sàng cao.
Các module vào ra của S800 được tóm tắt qua các bảng sau:

Module vào số:

Module đầu vào xung:

Module đầu ra số:
22


Module đầu vào tương tự:

Module đầu ra tương tự:

Module vào ra với giao diện nội an toàn:

Module vào ra dự phòng:

23



Truyền thông

Khi sử dụng bộ điều khiển AC 800M trong giải pháp tự động hóa,
sẽ có rất nhiều tùy chọn cho mục đích truyền thông đa nhiệm:

3.

-

Ethernet

-

OPC

-

Profilebus

-

Modbus RTU, TCP

-

Các thiết bị khác: Modulebus, MB300, SattBus, COMLI

Phần mềm lập trình PLC AC 800M.

Compact Control Builder AC 800M là một công cụ lập trình hiệu
quả và dễ sử dụng. Nó được sử dụng cho các điều khiển đơn giản,
điều khiển thiết bị, vòng điều khiển, điều chỉnh và cảnh báo.. đưa
ra các thư viện chuẩn. Các kiểu cho người dùng tự định nghĩa từ
các project khác, cũng có thể đưa vào project hiện tại. Control
24


Builder hỗ trợ 5 ngôn ngữ khác nhau: Function Block Diagram,
Structured Text, Instruction List, Ladder Diagram, và Sequential
Function Chart.
Nó được tính hợp để chạy trên windows 7 hoặc windows sever
2008 R1, nó cung cấp các công cụ cho các ứng dụng lập trình và
cấu hình các thiết bị phần cức AC800M.
 Project Explorer
Phần bên trong của giao diện Compact Control Builder được
gọi là Project Explorer.
Project Explorer sử dụng để tạo ra và xây dựng các project. Một
project bao gồm các
cấu hình cần thiết cho AC 800M, Bao gồm các cài đặt ứng dụng
điều khiển và phần
mềm.
Cả phần mềm (Các chương trình, Hàm,..) và phần cứng (Phần
cứng được kết nối tới PLC) là mô hình của 1 project, chúng có
liên quan với nhau như hình 1

25