Nghiên cứu hệ thống điều khiển DCS nhà máy xi măng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
TRẦN THỊ KIM BÍCH

---------------------------------------

TRẦN THỊ KIM BÍCH
`

ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIÊU KHIỂN DCS NHÀ MÁY XI MĂNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

KHÓA 2009 - 2010

Hà Nội - 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

TRẦN THỊ KIM BÍCH

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DCS NHÀ MÁY XI MĂNG

Chuyên ngành :

Điều khiển và Tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. Nguyễn Mạnh Tiến

Hà Nội –2011


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận văn tốt nghiệp “ Nghiên cứu hệ thống điều khiển
DCS nhà máy xi măng” là do tôi tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của Thầy giáo TS.
Nguyễn Mạnh Tiến Bộ môn Tự động hóa XNCN – Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Các số liệu và kết quả trong luận văn hoàn toàn trung thực.

Học viên

Trần Thị Kim Bích


Lời nói đầu
Ngày nay, các nhà máy xi măng ngày càng có quy mô lớn, yêu cầu điều
khiển tự động cao, tin cậy cũng như khả năng xử lý phân tán, điều khiển cấp cao
tối ưu. Do đó các hệ điều khiển vào ra tập trung cũ không đáp ứng được yêu
cầu về điều khiển. Cùng với sự phát triển của các ngành khoa học khác như
công nghệ thông tin, điện tử. . . đã thúc đẩy các hệ thống điều khiển phân tán ra
đời. Đó là các hệ thống điều khiển tích hợp chọn vẹn cả về phần cứng và phần
mềm để xây dựng các hệ điều khiển tự động .

Hiện nay trên thế giới có các hệ điều khiển phân tán nổi tiếng của các hãng
như: CENTUM của Yokogawa, Plantscape của Honeywell, IIT của ABB,
DeltaV của Emerson, PCS 7 của Siemens. Những hệ điều khiển này đều có
những đặc trưng riêng. Tuy nhiên hệ điều khiển PCS7 (Process Control
Systems) được cung cấp bởi hãng Siemens là một hệ điều khiển trọn gói giúp
ta thiết kế các hệ thống điều khiển tự động với quy mô lớn. Là một hệ điều khiển
hiện đại nhất của Siemens và trên thế giới. Chiếm thị phần lớn về điều khiển tự
động ở Việt Nam.
Luận văn “Nghiên cứu hệ thống điều khiển DCS nhà máy xi măng”. bao
gồm 4 chương như sau:
Chương 1 : Công nghệ sản xuất xi măng
Chương 2 : Hệ thống điều khiển phân tán DCS
Chương 3 : Hệ thống điều khiển PCS7 của SIEMENS
Chương 4 : Xây dựng hệ thống điều khiển – giám sát cho công đoạn nghiền
liệu nhà máy xi măng Thái Nguyên.
Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy giáo T.s Nguyễn Mạnh Tiến và toàn thể
các thầy cô giáo trong bộ môn Tự Động Hóa đã hướng dẫn và giúp đỡ tác giả
hoàn thành luận văn
Sau thời gian nghiên cứu và tìm hiểu tác giả đã hoàn thành việc thiết kế
hệ điều khiển PCS7 trong công đoạn vận chuyển và nghiền liệu. Kết quả của hệ


thống điều khiển phù hợp với yêu cầu của bài toán công nghệ đặt ra.Tuy nhiên do
còn hạn chế về mặt kiến thức và thời gian do vậy mặc dù đã rất cố gắng nhưng
cũng không tránh khỏi thiếu xót. Tác giả xin trân trọng cảm ơn mọi ý kiến đóng
góp của các Thầy Cô cùng bạn bè đồng nghiệp để đề tài nghiên cứu được hoàn thiện
hơn.

Hà nội, ngày 26 tháng 9 năm 2011
Học viên

Trần Thị Kim Bích


 

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG ............................................ 7
1.1. Đặc điểm của thiết bị công nghệ. ......................................................................... 7
1.1.1. Phân loại công nghệ sản xuất xi măng. ........................................................... 7
1.1.2. Mô tả sơ lược dây chuyền công nghệ..............................................................10
1.1.3. Các đặc điểm cơ bản của dây chuyền công nghệ sản xuất. ...........................11
1.2 Thiết bị truyền động và điều khiển chấp hành. ................................................ 13
1.3 Thiết bị đo lường và bảo vệ. ................................................................................ 13
1.3.1. Đo lường các đại lượng không điện. ...............................................................13
1.3.2 Đo lường tham số điện. ....................................................................................17
1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng xi măng. ............................................... 17
1.5. Các giải pháp kỹ thuật ổn định chất lượng sản phẩm. .................................... 21
1.5.1 Giải pháp thiết bị công nghệ. .......................................................................22
1.5.2. Giải pháp điều khiển tự động.......................................................................22
CHƯƠNG 2. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN DCS .............................24
2.1. Mô hình phân cấp hệ thống. .............................................................................. 24
2.2. Mạng truyền thông công nghiệp. ...................................................................... 26
2.2.1. Cấu trúc mạng. ................................................................................................26
2.2.2. Các chuẩn giao tiếp trong công nghiệp. ..........................................................31
2.2.3. Các loại mạng và Bus truyền thông thông dụng. ............................................32
2.2.4. Các hệ thống điều khiển trong công nghiệp....................................................34
2.3. Hệ thống điều khiển phân tán DCS. ................................................................. 38
2.3.1. Phân loại các hệ thống điều khiển phân tán DCS. ..........................................38
2.3.2. Mô hình hệ thống điều khiển phân tán. ...........................................................39

1 


 
CHƯƠNG 3. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PCS7 CỦA SIEMENS .....................47
3.1. Tổng quan kiến trúc hệ thống............................................................................. 47
3.2. Các thành phần của hệ PCS7. ............................................................................ 48
3.2.1. Trạm kỹ thuật (ES). .........................................................................................48
3.2.2 Trạm vận hành (OS). ........................................................................................50
3.2.3. Truyền thông giữa các phần tử trong hệ thống. ..............................................51
3.2.4. Dự phòng hệ thống. .........................................................................................52
3.2.5. Bộ điều khiển khả trình PLC...........................................................................54
3.2.6. Vào ra phân tán và các thiết bị trường. ...........................................................54
3.2.7. Các modul chức năng. .....................................................................................55
3.2.8. Dữ liệu trong PCS7. ........................................................................................57
3.2.9. Xử lý các bản tin trong PCS7. .........................................................................59
3.2.10. Giao tiếp với các hệ thống khác. ...................................................................60
CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN – GIÁM SÁT CHO
CÔNG ĐOẠN NGHIỀN LIỆU NHÀ MÁY XI MĂNG THÁI NGUYÊN BẰNG
PCS7 .........................................................................................................................62
4.1. Mô tả chung công đoạn nghiền liệu đầu vào..................................................... 62
4.2. Công đoạn nghiền liệu nhà máy xi măng Thái Nguyên. ................................. 63
4.3. Bảng kê và phân công các đầu vào ra. ............................................................... 68
4.3.1. Khởi động/dừng tuần tự nhóm 311-S01. ........................................................68
4.3.2. Cấp đá vôi, khoáng và quặng sắt tới các két chứa (311.S03). ........................69
4.3.3. Vận chuyển liệu sau nghiền tới Silo chứa (312.S04). .....................................71
4.3.4. Hệ thống lọc bụi tĩnh điện và hồi liệu (312.S05). ...........................................72
4.3.5. Hệ thống dẫn khí (312.S06). ...........................................................................72
4.3.6. Cấp dầu cho hộp số. ........................................................................................73

2 


 
4.3.7. Cụm máy nghiền đứng. ...................................................................................73
4.4. Lưu đồ điều khiển từng công đoạn. ................................................................... 74
4.4.1. Lưu đồ điều khiển công đoạn cấp liệu két chứa đá sét (311-S01). .................74
4.4.2. Lưu đồ điều khiển nhóm cấp liệu cho các két chứa quặng sắt, đá vôi và
Quartzite. ...................................................................................................................75
4.4.3. Lưu đồ điều khiển công đoạn vận chuyển liệu sau nghiền tới silo chứa
(312.S04). ..................................................................................................................77
4.4.4. Lưu đồ điều khiển hệ thống thu hồi bụi qua lọc bụi tĩnh điện (312. S05).........77
4.4.5. Lưu đồ điều khiển hệ thống dẫn khí sấy liệu (312-S06). ..................................78
4.4.6. Lưu đồ điều khiển công đoạn cấp dầu cho hộp số động cơ nghiền chính
(312.S07). ..................................................................................................................81
4.4.7. Lưu đồ điều khiển nhóm động cơ máy nghiền. ................................................81
4.5. Xây dựng hệ điều khiển – giám sát trên nền PCS7. ......................................... 83
4.5.1. Cấu hình trạm vận hành...................................................................................83
4.5.2 Bộ điều khiển trung tâm S7-400 ......................................................................83
4.5.3. Các thiết bị vào ra. ..........................................................................................84
4.6. Lập trình cho PLC và tiến hành mô phỏng. ..................................................... 92
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................93
PHỤ LỤC .................................................................................................................95 

3 


 

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU

Hình 1.1: Quy trình sản xuất xi măng theo công nghệ khô ........................................ 7
Hình 1.2. Quy trình sản xuất xi măng theo công nghệ bán khô. ................................. 8
Hình 1.3. Quy trình sản xuất xi măng theo công nghệ ướt. ........................................ 9
Hình 1.4. Quy trình sản xuất xi măng theo công nghệ khô điển hình. .....................11
Bảng 1.1. Một số loại cảm biến thường dung trong công nghiệp xi măng ...............16
Hình 1.5. Quan hệ giữa hàm lượng vôi tự do trong clinker với nhiệt độ vùng nung
...................................................................................................................................20
Hình 2.1: Mô hình phân cấp chức năng của một hệ thống điều khiển và giám sát 24
Hình 2.2: Cấu trúc hình sao ......................................................................................28
Hình 2.3: Cấu trúc BUS ............................................................................................29
Hình 2.4: Cấu trúc mạch vòng .................................................................................30
Hình 2.5: Cấu trúc hình cây ......................................................................................31
Hình 2.6: Cấu trúc điều khiển tập trung với vào ra tập trung .................................35
Hình 2.7: Cấu trúc điều khiển tập trung với vào ra phân tán ..................................36
Hình 2.8: Cấu trúc điều khiển phân tán với vào ra tập trung ..................................37
Hình 2.9: Cấu trúc điều khiển phân tán với vào ra phân tán ...................................38
Hình 2.10: Cấu hình cơ bản của một hệ điều khiển phân tán .................................40
Hình3.1: Sơ đồ tổng quan kiến trúc hệ thống PCS7 .................................................47
Hình 3.2: Các công cụ kỹ thuật của hệ PCS7 ...........................................................49
Hình 3.3: Bus hệ thống trong PCS 7 kết nối ES, OS và PLC. ................................52
Hình 3.4:Cấu hình dự phòng của PLC .....................................................................53

4 


 
Hình 3.5: Dự phòng với mạng cáp quang ................................................................53
Bảng 3.1. Các loại dữ liệu trong PCS7 sử dụng. .....................................................58

Hình 3.6: Giao tiếp giữa WinCC với Hệ Tự Động Hoá ..........................................61
Hình 4.1. Sơ đồ công nghệ công đoạn nghiền liệu theo chu trình khép kín. ............63
Hình 4.2. Công đoạn vận chuyển liệu tới két chứa và cân băng định lượng. ...........64
Hình 4.3. Các điểm đo và mạch vòng điều khiển trong hệ thống cân băng phối liệu.
...................................................................................................................................65
Hình 4.4. Công đoạn nghiền liệu. .............................................................................66
Hình 4.5. Các điểm đo và mạch vòng điều khiển trong công đoạn nghiền. .............67
Bảng 4.1. Các thiết bị điện trong nhóm 311-S01. .....................................................68
Bảng 4.2. Tín hiệu số 311-S01. .................................................................................69
Bảng 4.3. Tín hiệu Analog 311-S01. ........................................................................69
Bảng 4.4. Liên động. .................................................................................................69
Bảng 4.5. Danh sách thiết bị nhóm 311-S03.............................................................69
Bảng 4.6. Tín hiệu đo Analog. ..................................................................................70
Bảng 4.7. Tín hiệu Digital .........................................................................................70
Bảng 4.8. Liên động. .................................................................................................71
Bảng 4.9. Danh sách thiết bị nhóm 312-S04.............................................................71
Bàng 4.10. Danh sách thiết bị nhóm 312.S05. ..........................................................72
Bảng 4.11. Danh sách thiết bị nhóm 312-S06...........................................................72
Bảng 4.12. Danh sách thiết bị. ..................................................................................73
Bảng 4.13. Danh sách thiết bị. ..................................................................................73
Hình 4.6. Lưu đồ điều khiển công đoạn 311-S01. ....................................................75
Hình 4.7. Lưu đồ điều khiển công đoạn 311-S03. ....................................................77
Hình 4.8. Lưu đồ điều khiển công đoạn 312-S04. ....................................................77

5 


 
Hình 4.9. Lưu đồ điều khiển công đoạn 312-S05. ....................................................78
Hình 4.10. Trình tự khởi động công đoạn 312-S06. .................................................79

Hình 4.11. Trình tự dừng công đoạn 312-S06. .........................................................80
Hình 4.12. Trình tự khởi động/dừng công đoạn 312-S07. ........................................81
Hình 4.13. Trình tự khởi động/dừng công đoạn 312.S08. ........................................82
Hình 4.14. Cấu hình trạm vận hành ..........................................................................83
Hình 4.15. Cấu hình CPU 416-2DP .........................................................................84
Hình 4.16. Cấu hình module ET-200M cho công đoạn cân băng định lượng. .........85
Hình 4.17. Cấu hình ET-200M cho công đoạn nghiền liệu. .....................................86
Bảng 4.18. Bảng thiết bị phần cứng sử dụng trong hệ thống ...................................86
Hình 4.18. Cấu hình mạng truyền thông hệ thống nghiền liệu bằng công cụ NetPro.
...................................................................................................................................87
Hình 4.19. Cửa sổ giao diện Graphic Designer của WinCC.....................................88
Hình 4.20. Cấu trúc cây quản lý Tag trên WinCC. ...................................................89
Hình 4.21. Giao diện điều khiển – giám sát hệ thống cân băng phối liệu ................90
Hình 4.22. Giao diện điều khiển – giám sát công đoạn nghiền liệu. ........................91
Hình 4.23. Giao diện lập trình LAD và mô phỏng dùng S7-PLCSIM. ....................92

6 


 

CHƯƠNG 1. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG
1.1. Đặc điểm của thiết bị công nghệ.
1.1.1. Phân loại công nghệ sản xuất xi măng.
Xi măng là một sản phẩm được tạo thành nhờ nghiền mịn hỗn hợp giữa
clinker, thạch cao và phụ gia. Trong đó thạch cao và phụ gia (đá vôi, đá trắng, đá
bazan...) là các vật liệu tự nhiên, riêng clinker là một sản phẩm trung gian được tạo
ra từ một quá trình nung luyện một loại bột cấu thành từ các nguyên liệu thô gồm:
đá vôi, đá sét, cát silic và quặng sắt.
Theo phương pháp gia công và nung luyện bột liệu để tạo ra clinker, người ta

có thể áp dụng một trong 03 công nghệ sau đây:
a.

Công nghệ ướt: hỗn hợp bột nguyên liệu được khu

b.

ấy/đồng nhất trong nước dưới dạng bùn lỏng trước khi đưa vào lò nung.

c.

Công nghệ bán khô: hỗn hợp bột nguyên liệu được trộn ít nước và tạo
thành dạng viên trước khi đưa vào lò nung.

d.

Công nghệ khô: hỗn hợp bột nguyên liệu được đồng nhất dưới dạng bột
khô hoàn toàn trước khi đưa vào lò nung.

Theo cấu tạo hệ thống nung clinker người ta áp dụng các loại lò sau đây:
a.

Lò ống dài công nghệ ướt.

b.

Lò đứng (công nghệ bán khô).

c.

Lò ống dài công nghệ khô.

d.

Lò ống làm nguội kiểu hành tinh.

e.

Lò ống có cyclon trao đổi nhiệt.

f.

Lò ống có tháp tiền nung và cyclon trao đổi nhiệt.
Các kiểu lò nung c; d; e và f thuộc loại công nghệ khô.
Theo thứ tự từ trên xuống, suất tiêu hao nhiệt để sản xuất clinker của các kiểu

lò nung giảm dần từ 1500 đến 700 kcal/kg-clinker và suất tiêu hao điện năng từ 90
đến 60 kWh/T-clinker.
Trong những thập niên gần đây thường tập trung vào nghiên cứu và phát triển
các thế hệ lò ống quay loại (e) và (f), vì chỉ có các hệ thống này mới cho phép tăng
7 


 
công suất của dây chuyền đồng thời giảm đáng kể suất tiêu hao năng lượng - một
chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản để giảm giá thành sản xuất.
Một dây chuyền sản xuất xi măng tiến tiến có tính năng kỹ thuật cơ bản như
sau:
• Công nghệ sản xuất khô với kiểu lò ống quay có buồng tiền nung và tháp trao
đổi nhiệt nhiều tầng (5÷6 tầng) .

• Công suất từ 3.000÷7.500T-clinker/ngày (Tương đương 1,0÷3,0 triệu tấn xi
măng/năm).
• Thiết bị công nghệ thế hệ mới có ứng dụng nhiều kỹ thuật cơ nhiệt tiến tiến như:
kỹ thuật tầng sôi trong hệ thống nung clinker, công nghệ nghiền trục đứng, công
nghệ truyền động thuỷ lực, công nghệ điều chỉnh lưu lượng gió bằng thiết bị
biến tần, công nghệ lọc bụi hiện đại .v.v. . .
• Thiết bị điện lực và điều khiển sử dụng kỹ thuật vi xử lý để đo lường và điều
khiển tự động ở mức độ cao.

8 


 
Hình 1.1: Quy trình sản

xuất xi măng theo công nghệ khô

7 


 
Hình 1.2. Quy trình sản xuất xi

măng theo công nghệ bán

khô.

8 

 
Hình 1.3. Quy trình sản xuất

xi măng theo công nghệ ướt.

9 


 
1.1.2. Mô tả sơ lược dây chuyền công nghệ.
Toàn bộ dây chuyền sản xuất xi măng điển hình có thể được phân chia làm 03
công đoạn lớn gồm có:
A. Vận chuyển và nghiền nguyên liệu: Công đoạn này bao gồm tất cả các hệ
thống thiết bị khai thác, tiếp nhận, vận chuyển, máy đập và kho chứa nguyên liệu
thô, hệ thống thiết bị định lượng, đồng nhất các nguyên liệu thô (Gồm 02 nguyên
liệu chính là đá vôi, sét và 02 hoặc 03 nguyên liệu phụ, trong số: cát silic, bô xit,
quặng sắt hay phụ gia), cuối cùng là hệ thống máy nghiền hỗn hợp thành bột liệu
mịn và đổ vào kho chứa - silô đồng nhất.
B.

Nung clinker: Công đoạn này chủ yếu thực hiện một quá trình nung luyện

liên tục để biến đổi bột liệu thô thành clinker trong một hệ thống trao đổi nhiệt phức
tạp bao gồm tháp trao đổi nhiệt nhiều tầng - lò nung - máy làm nguội clinker. Đồng
thời, để cấp nhiên liệu cho hệ thống nung, cần phải có một hệ thống nghiền than
thành bột than mịn và phân phối than cho các vòi đốt.
C. Nghiền xi măng và đóng bao: Đây là công đoạn cuối bao gồm hệ thống
định lượng (Trộn hỗn hợp clinker, thạch cao, phụ gia xi măng), hệ thống máy
nghiền xi măng, hệ thống vận chuyển sản phẩm đổ vào silô. Sản phẩm xi măng
được phân phối theo các kênh vận chuyển xi măng rời hoặc qua hệ thống máy đóng

bao và xuất xi măng bao tuỳ theo yêu cầu của khách hàng.
Ranh giới giữa các công đoạn lớn là không gian tại các kho chứa nguyên vật
liệu, silô. Tại đây các nguyên liệu, bán thành phẩm hay sản phẩm được lưu trữ với
khối lượng lớn (Hàng chục nghìn tấn) để phục vụ đủ cho một chu kỳ sản xuất nhất
định (3÷5 ngày). Dung lượng lưu trữ tại các kho được tính toán nhằm đảm bảo cho
toàn bộ dây chuyền vận hành liên tục ổn định ở công suất thiết kế với tổng thời gian
vận hành đến khoảng 315 ngày/năm. Các công đoạn lớn hoạt động tương đối độc
lập và có những yêu cầu khác biệt rõ rệt về vận hành và điều khiển.
Từng công đoạn lớn được chia thành một số công đoạn nhỏ, tổ chức theo chức
năng công nghệ cụ thể.

10 


 

1/ Khai thác nguyên liệu thô; 2/ Các máy búa; 3/ Đồng nhất liệu thô; 4/ Vận chuyển
liệu; 5/ Phối liệu đầu vào; 6/ Ống khói; 7/ Lọc bụi; 8/ Máy nghiền; 9/ Silo chứa
liệu; 10/ Gas conditioning tower; 11/ Lọc bụi; 13/ Tiền nung; 14/ Than; 15/ Máy
nghiền than; 16/ Lọc bụi nghiền than; 17/ Quạt gió; 18/ Lọc bụi lò nung; 19/ Làm
mát clinke; 20/ Lò quay; 21/ Silo clinke; 22/ Thạch cao; 23/ Khoáng; 24/ Phân ly;
25/ Nghiền xi; 26/ Lọc bụi nghiền xi; 27/ Đóng bao; 28/ Xuất xi;
Hình 1.4. Quy trình sản xuất xi măng theo công nghệ khô điển hình.
1.1.3. Các đặc điểm cơ bản của dây chuyền công nghệ sản xuất.
• Tính phức tạp của công nghệ sản xuất: Dây chuyền sản xuất xi măng gồm
nhiều công đoạn sản xuất cũng như phụ trợ. Trong đó, công đoạn sản xuất cơ bản
nhất là công đoạn nung clinker, thiết bị ở đây thực hiện một quá trình trao đổi nhiệt
liên tục. Quá trình biến đổi hoá học và cơ lý mạnh mẽ diễn ra trong một hệ thống
thiết bị công nghệ khá phức tạp gồm nhiều tầng và nhiều khối chức năng hoạt động
liên hoàn. Các công đoạn nghiền nguyên liệu, nghiền than và nghiền xi măng là

những hệ thống thiết bị có chu trình kín hoạt động tương đối độc lập.

11 


 
• Tiêu thụ năng lượng rất lớn: Các máy móc chính trong dây chuyền sản xuất
xi măng thuộc loại công suất lớn và tiêu thụ năng lượng nhiều. Với công nghệ hiện
đại, suất tiêu hao nhiệt năng trung bình khoảng 750kCal/tấn Clinker, suất tiêu hao
điện năng cho nung clinker là 60 kWh/T-clinker và cho nghiền xi măng 35
kWh/tấn-xi măng. Một dây chuyền 6000T-clinker/ngày sẽ tiêu thụ than khoảng 500
T/ngày và 550MWh.
• Vận hành ở chế độ dài hạn: Hầu như tất cả các thiết bị máy móc công nghệ
đều làm việc ở chế độ dài hạn trong 03 ca sản xuất.
• Phân bố rộng và bao che kín: Các thiết bị công nghệ trong dây chuyền được
ghép nối với nhau thành nhiều vòng bằng các đường ống gió công nghệ, thiết bị lọc
bụi và hệ thống các thiết bị vận chuyển. Dây chuyền được lắp đặt trên một diện tích
khá rộng (khoảng 500x1000m) và được bao che kín trong quá trình vận hành. Do
vậy không cho phép quan sát bằng mắt thường quá trình biến đổi xảy ra bên trong
các hệ thống thiết bị công nghệ chính.
• Tính biến động ngẫu nhiên của tham số công nghệ: Các tham số lý hoá của
nguyên liệu thô dao động trong dải rộng, do phân bố tự nhiên của các vỉa/lớp và vị
trí của các mỏ nguyên liệu là khác nhau, vì vậy chỉ có thể xác định được than số cụ
thể sau khi đã khai thác. Đồng thời các tham số vận hành của thiết bị công nghệ
cũng biến động liên tục trên dải rộng, phụ thuộc vào chế độ vận hành, điều kiện thời
tiết cụ thể .v.v. . . Các biến động tham số công nghệ này đều mang tính ngẫu nhiên.
• Tính biến thiên chậm của tham số công nghệ: Các quá trình biến đổi tính
chất cơ-lý-hoá trong các công đoạn sản xuất xi măng là những quá trình biến thiên
chậm, hệ thống thiết bị công nghệ có công suất lớn và có quán tính rất lớn. Trước
hết, quá trình nung clinker là một quá trình trao đổi nhiệt và tiếp đến là các hệ thống

nghiền, các hệ thống vận chuyển đều có tự trọng lớn và tải trọng lớn, nên thời gian
phản ứng của từng hệ thống máy công tác khi điều chỉnh rất lớn. Tiếp theo, thời
gian vận chuyển nguyên liệu và bán thành phẩm giữa các khâu gia công là khá lớn
do các máy công tác bố trí ở các khoảng cách xa và độ cao lớn. Thời gian phản ứng
khi điều chỉnh ổn định một tham số công nghệ được tính ở đơn vị từ hàng vài chục
giây cho đến vài phút.
12 


 
1.2 Thiết bị truyền động và điều khiển chấp hành.
Hệ thống truyền động cho các máy công tác gồm một số lượng lớn các động
cơ điện trên toàn bộ dải công suất của động cơ điện sử dụng trong công nghiệp,
trong đó có nhiều truyền động yêu cầu điều chỉnh tốc độ. Tất cả các truyền động
điện được điều khiển tập trung bằng hệ thống điều khiển tự động.
Mặt khác, trong dây chuyền có một số lượng lớn thiết bị điều khiển các dòng
khí công nghệ, dòng dầu thuỷ lực hoặc dòng nước công nghệ ở dải công suất lớn
cũng như dải công suất nhỏ. Phần lớn các van có điều khiển tự động thuộc loại yêu
cầu bộ dẫn động kiểu đóng/cắt. Ngoài ra một ít hệ thống van yêu cầu điều chỉnh tỷ
lệ độ mở nhằm điều khiển liên tục lưu lượng hay áp lực.
1.3 Thiết bị đo lường và bảo vệ.
Trên thiết bị công nghệ và vận chuyển có lắp đặt một số lượng rất lớn các
sensor đo lường và khí cụ bảo vệ với khá nhiều chủng loại khác nhau và dải đo khác
nhau. Các thiết bị đo lường analog có thể chia ra làm 2 loại cơ bản như sau:
1.3.1. Đo lường các đại lượng không điện.
Nhóm này bao gồm rất nhiều loại đầu đo sơ cấp được lắp trên máy công tác tại
các vị trí cần thiết để đo lường các tham số công nghệ. Chúng có một số đặc điểm
chính như sau:
• Thông số đo: Là các đại lượng không điện như: nhiệt độ, áp suất, mức vật
liệu, tốc độ, lưu lượng dòng khí, trọng lượng .v.v... Chủng loại và nguyên lý làm

việc của các sensơ thường sử dụng trong công nghệ sản xuất xi măng được liệt kê
trong Bảng 1.1.
• Chức năng: Các sensơ thực hiện một chức năng cơ bản là biến đổi tham số
không điện cần đo thành tín hiệu điện. Tín hiệu đầu ra của các phần tử thụ cảm
thường là dạng nguồn dòng (4÷20mA, 0÷20mA) hoặc dạng nguồn áp (0÷10V,
0÷5V …) tuỳ thuộc cấu tạo của đầu đo.
• Cấu tạo: Các sensơ hầu hết được chế tạo liền khối gồm khâu thụ cảm và khâu
chuyển đổi chuẩn hoá tín hiệu. Một số thiết bị đo thông minh có trang bị bộ vi xử
lý tín hiệu và bộ chỉ thị số. Riêng sensơ đo nhiệt độ kiểu cặp nhiệt và nhiệt điện trở
thì có khâu thụ cảm và khâu chuyển đổi-chuẩn hoá tín hiệu được lắp riêng.
13 


 
™

Một số thiết bị đo lường công nghiệp chuyên dùng trong sản xuất xi măng

• Thiết bị phân tích thành phần khí:
- Chức năng: Đo và phân tích 03 thành phần cơ bản CO, O2, NOX của khí ra hệ
thống nung clinker phục vụ việc điều chỉnh chế độ đốt và khống chế chỉ tiêu phát
thải ra môi trường.
- Cơ cấu đo lường: Cảm biến thuật từ xác định từng khí thành phần theo độ từ
cảm riêng của nó thông qua một điện trường cố định, kết quả được xử lý và hiển thị
dưới dạng số.
- Vị trí lắp đặt: Đầu khí ra lò nung, đỉnh tháp calciner, đường khí đầu ra tháp
trao đổi nhiệt và đường khí ra ống khói.
• Pyrometer bức xạ hồng ngoại:
- Chức năng: Đo lường và giám sát phân bố nhiệt độ bên trong hệ thống nung
clinker phục vụ việc điều chỉnh chế độ đốt.

- Cơ cấu đo lường: Sensơ bức xạ hồng ngoại trực tiếp kiểu cố định.
- Vị trí lắp đặt: Khoang nung của lò nung (ngọn lửa của vòi đốt chính) và
khoang thứ nhất của thiết bị làm nguội clinker.
• Quét nhiệt độ vỏ lò nung:
- Chức năng: Đo lường và giám sát phân bố nhiệt độ bên ngoài vỏ lò nung
qua đó để theo dõi trạng thái lớp lót vật liệu và lớp gạch chịu lửa trong lò trong quá
trình vận hành.
- Cơ cấu đo lường: Sensơ bức xạ hồng ngoại trực tiếp kiểu di động.
- Vị trí lắp đặt: Bên ngoài lò nung.
• Đo nhiệt độ cao:
- Chức năng: Đo lường nhiệt độ bên trong các tầng của hệ thống nung clinker
phục vụ việc điều chỉnh chế độ đốt.
- Cơ cấu đo lường: Cặp nhiệt Platin-Rodi đo nhiệt độ cao 2000 ÷18000 tín hiệu
ra là nguồn áp 0 ÷50 mV.
- Vị trí lắp đặt: Đường ống ra và vào các cyclon trao đổi nhiệt; các khoang
thiết bị làm nguội clinker.

14 


 
• Đo áp suất:
- Chức năng: Đo lường áp suất bên trong các tầng của hệ thống nung cliker
phục vụ việc điều chỉnh chế độ đốt.
- Cơ cấu đo lường: Cảm biến kiểu điện dung biến đổi .
- Vị trí lắp đặt: Đường ống ra và vào các cyclon trao đổi nhiệt, các khoang đầu
lò nung.
• Đo trọng lượng và khối lượng:
- Chức năng: Đo khối lượng vật liệu chứa trong két hoặc lưu thông trên băng
tải cấp liệu để phục vụ việc điều chỉnh tỷ lệ thành phần phối liệu và điều chỉnh năng

suất máy công tác.
- Cơ cấu đo lường: Cảm biến áp điện.
- Vị trí lắp đặt: Các cân băng định lượng nghiền thô; định lượng nghiền xi
măng; cấp liệu lò và các thiết bị cân vật liệu lắp trên băng tải hay cầu cân.

15 


 

Bảng 1.1. Một số loại cảm biến thường dung trong công nghiệp xi măng
Tên thiết bị
Đo lường điều khiển công nghệ:
Tín hiệu Analog:
Phân tích thành phần khí

Nguyên lý làm việc

Cảm biến thuận từ
Bức xạ hồng ngoại trực

Pyrometer-Camera

tiếp
Bức xạ hồng ngoại trực

Quét nhiệt độ vỏ lò

tiếp

Đo nhiệt độ cao
Đo nhiệt độ thấp

Cặp nhiệt (Platin-Rodi)
Nhiệt điện trở (PT100)
Cảm biến cơ điện; Siêu

Đo mức

âm

Đo áp suất
Đo lưu lượng
Đo tốc độ quay
Đo hành trình
Đo trọng lượng
Đo ứng suất
Đo vị trí góc mở
Đo độ rung
Đo năng suất máy nghiền bi
Đo nồng độ bụi
Đếm bao xi măng
Tín hiệu digital:
Giám sát chuyển động
Công tắc giới hạn mức
Công tắc hành trình, chỉ thị vị trí
Công tắc áp suất, lưu lượng
Công tắc bảo vệ băng tải
Đo lường điều khiển thiết bị điện:
Tín hiệu analog:

Đo tần số
Đo điện áp
Đo dòng điện
Đo công suất tác dụng
Đo công suất phản kháng
Tín hiệu digital:
Giám sát trạng thái máy cắt
Giám sát trạng thái vận hành động cơ

16 

Điện dung biến đổi
Cảm biến cơ điện
Từ trở biến đổi
Cảm biến cơ điện
Cảm biến áp điện
Cảm biến áp điện
Điện thế kế điện trở
Khối lượng rung/áp điện
Cảm biến sóng âm thanh
Cảm biến quang học
Cảm biến quang học
Từ trở biến đổi
Điện dung; dao động
Từ trở biến đổi
Cơ điện
Cơ điện

Điện tử số
Điện tử số

Điện tử số
Điện tử số
Điện tử số
Rơ le vi mạch điện tử
Rơ le vi mạch điện tử


 
Giám sát trạng thái thiết bị biến tần

Rơ le vi mạch điện tử

1.3.2 Đo lường tham số điện.
• Thông số đo: Gồm các thông số của lưới điện công nghiệp như tần số, điện
áp, dòng điện, công suất tác dụng và công suất phản kháng.
• Chức năng: Các thiết bị đo điện thực hiện việc biến đổi các tham số điện cần
đo thành tín hiệu số chuẩn phục vụ cho điều khiển vận hành thiết bị công nghệ và
giám sát tiêu thụ điện năng.
• Cấu tạo: Các thiết bị đo điện hiện đại được chế tạo hợp bộ bao gồm cả khâu
thụ cảm là các máy biến dòng và máy biến áp đo lường, khâu chuyển đổi chuẩn hoá
tín hiệu và khâu số hoá, sử dụng kỹ thuật vi xử lý và tích hợp màn hình hiển thị số.
1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng xi măng.
Chất lượng xi măng Pooclăng phụ thuộc vào các yếu tố sau đây:
- Chất lượng clinker.
- Chất lượng phụ gia.
- Chế độ nghiền xi măng.
Trong đó chất lượng clinker được quyết định bởi các yếu tố:
- Hoạt tính của nguyên liệu đầu vào.
- Thành phần khoáng hoá.
- Chế độ nghiền nguyên liệu và đồng nhất bột liệu.

- Chế độ nung luyện và làm nguội.
• Hoạt tính của nguyên liệu đầu vào:
Nguyên liệu chính là đá vôi, chiếm đến khoảng 85% tổng khối lượng nguyên
liệu, cung cấp CaCO3 dưới dạng khoáng canxit. Chất lượng đá vôi được kể đến
thông qua chỉ tiêu độ cứng và độ tinh khiết. Ngoài ra, cần kể đến một số tạp chất
đặc biệt là thành phần MgO. Khi thành phần MgO vượt trên 5% dẫn đến MgO dư
được thiêu kết và tồn tại dưới dạng MgO tự do (Khoáng pericclaz), sau khi bêtông
xi măng đóng rắn chất khoáng này mới phản ứng với nước tạo thành Mg(OH)2 làm
trương nở gây nứt bêtông. Vì vậy cần phải giới hạn hàm lượng MgO trong clinker
để hạn chế ảnh hưởng xấu của nó. Trong quá trình phản ứng tạo khoáng, ở vùng
17 


 
nhiệt độ 800÷900oC, CaCO3 trong đá vôi phân huỷ thành CaO và CO2 và tiếp theo
CaO phản ứng với Al2O3, Fe2O3 và SiO2 ở vùng nhiệt độ cao để tạo thành các chất
khoáng. Nói chung, chất lượng của đá vôi ít ảnh hưởng đến hoạt tính của phối liệu.
Nguyên liệu cần thiết thứ hai là sét, chiếm đến 13% tổng khối lượng nguyên
liệu. Sét cung cấp SiO2 , Al2O3 và Fe2O3 cho phối liệu. Sét là nguyên liệu ảnh hưởng
quyết định đến hoạt tính của phối liệu. Phối liệu dễ nung hoặc khó nung chủ yếu
phụ thuộc vào bản chất nguyên liệu sét. Các dạng SiO2 nằm trong hợp chất hoặc
dạng thạch anh ẩn tinh và vi tinh dễ phản ứng với CaO. SiO2 dạng tinh thể hoàn
chỉnh (Cát thạch anh) khó phản ứng nhất hay nó làm cho phối liệu khó nung hơn.
Mặt khác, hàm lượng kiềm cao trong sét là thành phần có hại, đây cũng là yếu tố
gây trương nứt bê tông khi nó phản ứng với cốt liệu có chứa SiO2 hoạt tính như đá
bazan, granit .v.v. . .
Ngoài ra, để bổ sung các thành phần thiếu như Fe2O3 và SiO2, Al2O3 cần sử
dụng thêm các nguyên liệu điều chỉnh hay chất phụ gia với tỷ lệ đến 2%, đó là
quặng sắt (Hematit - a-Fe2O3), xỉ pirit (Gơtit - FeOOH) hoặc cát silic.
• Thành phần khoáng hoá:

Thành phần khoáng của clinker gồm 04 hợp chất chính alit (C3S), belit (C2S),
xelít 1 (C4AF) và xelit 2 (C3A). Các hợp chất vô cơ này thực tế không bao giờ tồn
tại ở dạng các khoáng chất tinh khiết mà luôn luôn bị thay thế đồng hình bởi các
oxyt có mặt trong quá trình nung luyện. Choán lấp giữa các khe hở của các pha kết
tinh là pha thuỷ tinh. Hàm lượng pha thuỷ tinh trong clinker phụ thuộc vào tốc độ
làm nguội clinker. Khi làm nguội nhanh đột ngột, lượng pha thuỷ tinh có thể tăng
lên tới 22÷24%. Khi làm nguội từ từ, pha thuỷ tinh chỉ chiếm khoảng 3%, thời gian
tương đối dài đủ để các khoáng chất kết tinh có tinh thể lớn hoàn chỉnh và cho chất
lượng tốt hơn. Tốc độ phản ứng với nước-hay tốc độ hydrat hoá giảm dần từ C3A,
C3S, C4AF và đến C2S. Do bị thay thế đồng hình gây ra khuyết tật trong mạng tinh
thể, cùng với tác động tương hỗ giữa các khoáng trong quá trình hydrat hoá tạo cho
clinker xi măng pooclăng có hoạt tính cường độ cao hơn nhiều măng càng lớn, hàm
lượng C3A và C4AF ảnh hưởng đến cường độ ban đầu của xi măng. Thành phần
khoáng có quan hệ chặt chẽ với thành phần hoá của clinker (công thức Bogue) và
18