Nghiên cứu hệ thống điều khiển và giám sát cán thép trong công ty cán thép Thái Nguyên

Bùi Tuấn Anh và Đtg

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

128(14): 11 - 15

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT CÁN THÉP
TRONG CÔNG TY CÁN THÉP THÁI NGUYÊN
Bùi Tuấn Anh*, Nguyễn Thị Thu Hiền
Trường Đại học Công nghệ Thông tin & Truyền thông – ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT
Đối với các nhà máy cán thép Thái Nguyên hiện nay đã được xây dựng từ những năm 2002, với
công nghệ Danieli- Italia khá hiện đại lúc bấy giờ. Tuy nhiên qua khảo sát tìm hiểu, thì hiện tại
khu vực cán cán thép của nhà máy cán thép đang sử dụng các bộ PLC S7-400 và các module mở
rộng để điều khiển và giám sát khu vực cán thép. Vì thế trong bài báo này chúng tôi sẽ ứng dụng
các module có sẵn của nhà máy rồi từ đó đưa ra các giải pháp điều khiển và giám sát HMI trên nền
Simatic S7-400 và WinCC.
Từ khóa: SCADA, thuật toán điều khiển,Looper, PLC S7-400

ĐẶT VẤN ĐỀ*
Thiết kế hệ thống tự động hóa và điều khiển
cho nhà máy Cán thép Thái Nguyên là một
bài toán lớn và phức tạp. Trong nhà máy cán
thép Thái Nguyên ở khu vực cán thép được
xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát
SCADA để thợ vận hành dễ dàng giám sát và
điều khiển dây truyền từ xa. Trạm điều khiển
khu vực giá cán có rất nhiều chức năng như:
điều khiển tốc độ cán, điều khiển lực căng
giữa các giá cán, điều khiển khe hở giữa hai

trục cán, điều khiển máy cắt, đếm, đóng bó và
tạo cuộn. Để chất lượng cán thép tốt thì việc
điều chỉnh đồng tốc độ giữa các động cơ cán
là bài toán khó khăn. Tác dụng của việc điều
chỉnh tốc độ và lực căng của các giá cán là để
cho quá trình cán thép không phải là cán đẩy
hay cán kéo mà là quá trình cán tự do. Dây
chuyền cán của công ty thép Thái Nguyên là
dây chuyền cán nóng liên tục, có yêu cầu điều
chỉnh ở vùng rộng và sức căng phải đảm bảo
không đổi với độ chính xác cao. Trong bài
báo này tác giả đi sâu vào việc nghiên cứu tại
vị trí giữa hai giá cán #12 và #13 thép được
tạo trùng với độ trùng yêu cầu là 20 cm
(h=20cm). Nhằm đáp ứng yêu cầu trên, ta áp
dụng hệ thống truyền động điều chỉnh đồng
bộ tốc độ và sức căng bằng điều chỉnh điện áp
phần ứng, dùng nguồn cung cấp riêng để
trang bị cho động cơ truyền động giá cán 12.
*

Tel: 01692 478758, Email:

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Ta có sơ đồ nguyên lý đồng bộ tốc độ và lực
căng qua khảo sát nhà máy có sơ đồ như sau:

Hình 1. Sơ đồ nguyên lý đồng bộ tốc độ và lực căng

Ta coi từ thông bằng hằng số lúc này hệ

truyền động có ba mạch vòng tham gia. Mạch
vòng dòng điện, mạch vòng ổn định tốc độ và
mạch vòng ổn định lực căng.
Ta thấy rằng nếu có sự sai lệch về tốc độ thì
nhờ khâu đo độ dài PL để điều chỉnh lại tốc độ
để đảm bảo vn” = vn+1’. Trong đó vn” : là
tốc độ phôi thép ra giá cán n. vn+1’ : là tốc độ
phôi thép giá cán số n+1.
Từ sơ đồ nguyên lý ta có sơ đồ cấu trúc
như sau:

Hình 2. Sơ đồ cấu trúc đồng bộ tốc độ và lực căng

11


Bùi Tuấn Anh và Đtg

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

128(14): 11 - 15

Trong đó khối 1 là bộ điều chỉnh tốc độ, khối
2 là bộ điều chỉnh dòng điện. Khối 3,4,5 là
hàm truyền của bộ biến đổi và động cơ điện
một chiều. Khối 6 là khối quan hệ tốc độ và
chiều dài vật liệu (khối tích phân). Từ độ dài
của vật liệu, căn cứ vào khoản cách giữa hai
giá cán ta sẽ tìm được độ trùng của thép thông
qua khối 7. Độ cao H được sẽ được sensor

quang chuyển đổi thành tín hiệu điện áp thông
qua khối 8. Tín hiệu ra từ khối 8 sẽ được so
sánh với điện áp đặt và sai lệch đưa về bộ
điều chỉnh lực căng. Trong quá trình làm việc,
phôi thép phải đảm bảo chế độ cán tự do. Vì
vậy phôi đi qua giữa hai giá luôn phải có một
độ trùng nhất định.

cao của phôi thép ổn định ở chế độ đặt với
thời gian trễ (0,5s) và độ quá điều chỉnh
(3,24% < 10%) thỏa mãn yêu cầu công nghệ
cán thép tại giá cán số 12.

Qua khảo sát hệ thống truyền động điện tại
giá cán số 12. Và sử dụng các phương pháp
tổng hợp hệ thống. Sử dụng chương trình mô
phỏng Matlap Simulation ta kiểm tra như
sau: Ta phát các tín hiệu nhiễu vào hệ thống ở
những vị trí: độ cao, độ dài và ta đưa tốc độ
của giá cán sau vào (#13) và quan sát sự thay
đổi của hệ thống. Để làm được việc đó, ta xây
dựng ba hệ thống, trong đó một hệ thống làm
chuẩn, hai hệ thống còn lại ta sẽ giảm tín hiệu
nhiễu của một hệ thống và tăng tín hiệu ở hệ
thống còn lại. Ta đưa đặc tính độ dài, độ cao,
tốc độ, dòng điện của cả ba hệ thống ra scope
để quan sát sự thay đổi của hệ thống trong
quá trình quá độ.

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ

GIÁM SÁT TẠI KHU VỰC CÁN THÉP
CỦA NHÀ MÁY

Hình 4: Đặc tính tốc độ khi có sự thay đổi tốc độ
của giá cán #13

Hình 5: Đặc tính độ cao (H) khi có sự thay đổi tốc
độ của giá cán #13

Cấu hình phần cứng
Bài toán điều khiển hệ thống cán thép bao
gồm bài toán điều khiển dòng điện, điều
khiển tốc độ trục cán và điều khiển lực căng.
Thiết bị đo tốc độ là máy phát tốc, thiết bị đo
lực căng, thiết bị đo dòng điện. Do vậy tổng
cộng là có 3 đầu vào số và 3 đầu ra tương tự
tại một giá cán. Căn cứ trên bài toán điều khiển
đã đặt ra và số lượng đầu vào, đầu ra (gồm các
thiết bị đo, thiết bị chấp hành) ta lựa chọn cấu
hình phần cứng của hệ thống điều khiển.
Các đầu vào tương tự
Tín hiệu các đầu vào tương tự là tín hiệu các
thiết bị đo của các vùng, bao gồm: Thiết bị đo
dòng điện, tốc độ và lực căng. Các thiết bị đo
này đều được chuyển đổi thành tín hiệu điện
áp chuẩn 0-10V để đưa tới các module tương
tự AI.

Hình 3. Sơ đồ khối đồng bộ tốc độ và lực căng

Với thông số của đối tượng và thông số của
bộ điều khiển như trên. Ta mô phỏng được
đặc tính động của hệ thống khi có sự thay đổi
tốc độ của giá cán số 13.
Nhận xét : Qua việc khảo sát chất lượng hệ
thống khi giá cán số 13 thay đổi thì việc đồng
bộ tốc độ và lực căng tại giá cán số 12 đảm
bảo chất lượng tĩnh và động với Như vậy độ
12

Các đầu ra tương tự
Các đầu ra tương tự trong bài toán điều khiển
ở đây chính là các triết áp để điều khiển góc
mở  cho bộ biến đổi để thay đổi điện áp đặt
vào phần ứng động cơ.
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


Bùi Tuấn Anh và Đtg

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

sử dụng là hai phần mềm mới nhất hiện nay
của hãng Siemen: Phần mềm Step7 v5.5 và
phần mềm WinCC 7.0
Thiết bị ghép nối truyền thông
Để có thể kết nối trạm PLC với máy tính PC
thì cần phải có thiết bị ghép nối truyền thông.

Các thiết bị ghép nối truyền thông được sử
dụng là:
- Một cáp truyền thông theo giao thức MPI.
- Một Card CP5611 (32 bit) để kết nối PC với
PLC S7-400 thông qua giao thức MPI.
Cấu trúc điều khiển hệ thống đồng bộ tốc
độ và lực căng tại giá cán số 12.
Cấu trúc hệ thống điều khiển đồng bộ tốc độ
và lực căng tại giá cán số 12 như sau:

Hình 7. Cấu trúc hệ thống điều khiển giá cán số
12Hệ thống điều khiển lực căng của giá cán

số 12 sử dụng 2 bộ điều khiển nối cấp như
hình 7. Hệ thống sử dụng hai bộ điều khiển
tốc độ R  dùng để ổn định tốc độ giá cán và
RI là bộ điều khiển dòng điện để ổn định
dòng điện. Đầu ra là chính là góc điều khiển
 của mạch phát xung dùng để thay đổi điện
áp đặt vào phần ứng của động cơ điện một
chiều giá cán số 12. Bộ điều khiển R T có
nhiệm vụ là ổn định điện áp lực căng theo giá
trị đặt lực căng và bù tốc độ động cơ giá cán
số 12.
Thiết kế chương trình điều khiển trên nền
STEP 7
Chương trình điều khiển hệ thống cán bao
gồm việc đọc các tín hiệu đầu vào tương tự từ
các cảm biến dòng điện được lấy thông qua
máy biến dòng, máy phát tốc và Looper để

đầu ra là tốc độ quay của giá cán số 12 đạt

128(14): 11 - 15

yêu cầu công nghệ. Điều khiển đồng bộ tốc
độ và lực căng là điều khiển giá trị lực căng
theo tín hiệu đặt tức là điều khiển tốc độ động
cơ ổn định ở giá trị lực căng ở giá trị đặt đó.
Để viết chương trình điều khiển trước hết cần
xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển đồng
bộ tốc độ động cơ và lực căng.
Thuật toán điều khiển đồng bộ tốc độ và lực căng
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. Thuật toán điều khiển lực căng
tại giá cán số 12 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 bù điện áp đặt
vào bộ điều khiển tốc độ. Từ giá trị đặt và độ
võng của cây thép theo thực tế mà Looper xác
định được, chương trình sẽ tính toán lượng sai
lệch giữa hai giá trị trên đó tham gia vào
khống chế tốc độ động cơ tăng hay giảm để
giữ cho độ võng của cây thép luôn trong
khoảng giá trị đặt nhờ khối FB 41, để đảm
bảo chế độ cán tự do giữa hai giá cán. Từ giá
trị đặt tốc độ và lượng bù điện áp của đầu ra
lực căng và trừ đi điện áp phản hồi của máy

phát tốc về chương trình sẽ tính toán lượng
sai lệch giữa hai giá trị trên đó tham gia vào
khống chế tốc độ động cơ tăng hay giảm để
giữ cho tốc độ động cơ luôn trong khoảng giá
trị đặt. Từ giá trị đặt tốc độ và lượng bù điện
áp của đầu ra lực căng và trừ đi điện áp phản
hồi của máy phát tốc về chương trình sẽ tính
toán lượng sai lệch giữa hai giá trị trên đó
tham gia vào khống chế dòng điện động cơ
tăng hay giảm để giữ cho dòng điện động cơ
luôn trong khoảng giá trị đặt.
THIẾT KẾ GIAO DIỆN GIÁM SÁT
Yêu cầu thiết kế
Thiết kế giao diện HMI để điều khiển giá cán số
12 và số 13, phần giám sát và phần cảnh báo.
Về phần điều khiển phải đặt được độ trùng để
đảm bảo cán tự do giữa hai giá cán đặt được
các tham số bộ điều khiển PID của lực căng,
tốc độ và dòng điện giữa hai giá cán
13


Bùi Tuấn Anh và Đtg

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

128(14): 11 - 15

Về phần giám sát phải thể hiện được lực tốc
độ và dòng điện giữa hai giá cán và biểu diễn

bằng đồ thị và bằng số.
Về cảnh báo phải cảnh báo được tình trạng
thiết bị (lỗi hay không lỗi)
Thiết kế giao diện HMI
Từ yêu cầu về thiết kế giao diện HMI để điều
khiển và giám sát hệ thống cán ở trên, ta đi
vào việc thiết kế giao diện. Giao diện thiết kế
gồm các trang màn hình chính như sau: Màn
hình tổng quan khu vực cán, 3 màn hình điều
khiển và giám sát cho bộ điều khiển lực căng,
bộ điều khiển tốc độ, và bộ điều khiển dòng
điện. Và các màn hình con như sau: Bargraph,
Looper, Trend, Print,Help.

Hình 10. Kết quả chạy thử nghiệm

Hình 11. Giao diện theo dõi lực căng tại giá cán số 12

Hình 8. Giao diện tổng quan khu vực cán

Hình 12. Giao diện theo dõi tốc độ tại giá cán số 12

Hình 9. Cài đặt tham số PID lực căng

KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
Bước cuối cùng của việc thiết kế hệ thống tự
động hóa là cài đặt phần mềm, lắp đặt hệ
thống và đánh giá kết quả.
14

KẾT LUẬN
Như vậy chúng ta đã nghiên cứu và thiết kế
hệ thống điều khiển và giám sát hệ thống điều
khiển cán thép Hệ thống điều khiển được lựa
chọn ở đây là hệ Simatic S7-400 của hãng
Siemen. Phần mềm được sử dụng để thiết
kế giao diện giám sát là phần mềm WinCC
7.0 sp2.
Sau khi thiết kế phần mềm điều khiển, thiết
kế phần mềm giám sát hệ thống điều khiển
cán thép, chúng ta đấu nối các thiết bị cần
thiết vào hệ thống điều khiển, cài đặt các


Bùi Tuấn Anh và Đtg

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

tham số bộ điều khiển PID và download
chương trình lên bộ PLC S7-400…kết quả mô
phỏng cho thấy thiết kế đưa ra là thích hợp.
Tuy nhiên kết quả vẫn chưa được kiểm chứng
trên hệ thống cán thực tế.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Bùi Quốc Khánh, Phạm Quốc Hải, Nguyễn
Văn Liễn, Dương Văn Nghi (2008) Điều chỉnh
tự động truyền động điện, Nhà xuất bản Khoa
học và Kỹ thuật.

128(14): 11 - 15

2. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn (2007), Cơ
sở truyền động điện, Nhà xuất bản Khoa học và
Kỹ thuật.
3. Hoàng Minh Sơn (2006), Cơ sở hệ thống điều
khiển quá trình, Nhà xuất bản Bách khoa Hà Nội.
4. Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Vũ Văn
Hà (2000), Tự động hóa với Simatic PLC S7-300,
Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật (năm 2000).
5. Nguyễn Văn Hòa (2001), Cơ sở lý thuyết điều
khiển tự động, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật.
6. Nguyễn Thương Ngô (1998), Lý thuyết điều
khiển tự động hiện đại, Nhà xuất bản Khoa học và
Kỹ thuật.

SUMMARY
CONTROL SYSTEM RESEARCH AND MONITORING
IN STEEL COMPANY OFFICERS AND PERSONNEL
Nguyen Thi Thu Hien*, Bui Tuan Anh
College of Information and Communication Technology - TNU

In the Thai Nguyen steel mill now was construction in 2002, with Danieli- Italian technology quite
modern at the time. But the survey to find out, the current area of the steel rolling steel mill is
using the PLC S7-400 and expansion modules to control and monitor the steel sector. So in this
article we will apply the module is available from the factory and offer solutions that control and
monitoring based on Simatic HMI and WinCC S7-400.
Key words: SCADA, control algorithms, Looper, PLC S7-400

Ngày nhận bài:01/10/2014; Ngày phản biện:15/10/2014; Ngày duyệt đăng: 25/11/2014
Phản biện khoa học: TS. Đỗ Trung Hải – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiêp - ĐHTN

*

Tel: 01692 478758, Email:

15