Nghiên cứu ứng dụng pcs7 vào hệ thống điều khiển trong nhà máy xi măng

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ XÍ NGHIỆP CƠNG NGHIỆP

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PCS7 VÀO
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRONG NHÀ MÁY XI MĂNG

LÊ TIẾN SỸ

Hà Nội - 2008


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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ XÍ NGHIỆP CƠNG NGHIỆP

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PCS7 VÀO
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRONG NHÀ MÁY XI MĂNG

NGƯỜI THỰC HIỆN: LÊ TIẾN SỸ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN MẠNH TIẾN

Hà Nội - 2008

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận văn tốt nghiệp “ Nghiên cứu ứng dụng PCS7 vào
hệ thống điều khiển trong nhà máy xi măng ” là do tôi tự thiết kế dưới sự hướng
dẫn của Thầy giáo TS. Nguyễn Mạnh Tiến Bộ mơn 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

Lê Tiến Sỹ


1

MỤC LỤC
Chương 1. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG ...................................... 4
1.1 Đặc điểm của thiết bị công nghệ ............................................................. 8
1.1.1 Phân loại công nghệ sản xuất xi măng ............................................ 8
1.1.2 Mô tả sơ lược dây chuyền công nghệ ................................................ 9
1.1.3 Các đặc điểm cơ bản của dây chuyền công nghệ sản xuất ............. 13
1.2 Thiết bị truyền động và điều khiển chấp hành ...................................... 14
1.3 Thiết bị đo lường và bảo vệ: ................................................................. 15
1.3.1 Đo lường các đại lượng không điện ................................................ 15
1.3.2 Đo lường tham số điện ..................................................................... 18
1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng xi măng ..................................... 18
1.5 Các giải pháp kỹ thuật ổn định chất lượng sản phẩm: ........................... 23
1.5.1 Giải pháp thiết bị công nghệ ............................................................ 23
1.5.2 Giải pháp điều khiển tự động:.......................................................... 24
Chương 2. TÌM HIỂU CHUNG VỀ HỆ THỐNG DCS ............................ 25
2.1 Mơ hình phân cấp hệ thống ................................................................... 25

2.2 Các vấn đề cơ bản của kỹ thuật truyền thông công nghiệp ................. 29
2.2.1 Cấu trúc mạng .................................................................................. 29
2.2.2 Các chuẩn giao tiếp trong công nghiệp............................................ 33
2.2.3 Các loại mạng và Bus truyền thông thông dụng .............................. 34
2.2.3 Các hệ thống điều khiển trong công nghiệp .................................... 37
2.3 Hệ thống điều khiển phân tán DCS ...................................................... 41
2.3.1 Phân loại các hệ thống điều khiển phân tán DCS ............................ 41


2

2.3.2 Mơ hình hệ thống điều khiển phân tán ............................................ 42
2.3.3 Các vấn đề kĩ thuật của hệ thống điều khiển phân tán .................... 48
Chương 3. TÌM HIỂU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PCS7 CỦA SIEMENS
......................................................................................................................... 52
3.1 Tổng quan kiến trúc hệ thống ................................................................ 52
3.2 Các thành phần của hệ PCS7 ................................................................. 53
3.2.1 Trạm kỹ thuật (ES) .......................................................................... 53
3.2.2 Trạm vận hành (OS) ........................................................................ 55
3.2.3 Truyền thông giữa các phần tử trong hệ thống ................................ 56
3.2.4 Dự phòng hệ thống .......................................................................... 57
3.2.5 PLC (Programmable Logic Controller) .......................................... 59
3.2.6 Vào ra phân tán và các thiết bị trường ............................................. 60
3.2.7 Các modul chức năng: ..................................................................... 61
3.2.8 Dữ liệu trong PCS7 .......................................................................... 63
3.2.9 Xử lý các bản tin trong PCS 7 ......................................................... 66
3.2.10 Giao tiếp với các hệ thống khác .................................................... 66
3.3 Thư viện Cemat V6.0 ............................................................................. 68
3.3.1 Unidirection drive (Module điều khiển động cơ không đảo chiều) 69
3.3.2. Module damper ............................................................................... 70

3.3.3.Module Valve driver ........................................................................ 72
3.3.4. Annuciation Module- Module cảnh báo ......................................... 74
3.3.5. Measure Module-Khối đo ............................................................... 75
3.3.6. Group Module ................................................................................. 77


3

3.3.7. Route Module ................................................................................. 79
3.3.8. Module Controller........................................................................... 81
Chương 4. ỨNG DỤNG PCS7 VÀO CÔNG ĐOẠN VẬN CHUYỂN VÀ
NGHIỀN XI MĂNG ..................................................................................... 85
4.1 Khái quát về công đoạn vận chuyển và nghiền xi măng ....................... 85
4.2 Các mạch vòng điều chỉnh cấp liệu máy nghiền ................................... 86
4.3 Liên động hoạt động của công đoạn vận chuyển và nghiền xi măng .... 87
4.4 Cấu hình của hệ thống .......................................................................... 95
4.4.1 Cấu hình trạm vận hành ................................................................... 96
4.4.2 Bộ điều khiển trung tâm S7-400 ...................................................... 96
4.4.3 Mạng truyền thông ........................................................................... 97
4.4.4 Các thiết bị vào ra ............................................................................ 98
Chương 5. LẬP TRÌNH VÀ THIẾT KẾ GIAO DIỆN VẬN HÀNH ..... 102
5.1 Lập trình CFC ...................................................................................... 102
5.1.1 Khởi động hoạt động các động cơ từ Group ................................. 102
5.1.2 Lựa chọn lọc bụi ............................................................................ 103
5.1.3 Lựa chọn hướng vận chuyển liệu................................................... 104
5.1.4 Định lượng nghiền xi măng .......................................................... 105
5.2 Thiết kế giao diện vận hành : ............................................................... 116
KẾT LUẬN .................................................................................................. 119
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 120
PHỤ LỤC ..................................................................................................... 121

4

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BIỂU ĐỒ
Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý dây chuyền sản xuất xi măng............................. 11
Bảng 1.1: Các công đoạn sản xuất trong dây chuyền xi măng lò quay. ........ 12
Bảng 1.2: Các loại truyền động điện và thiết bị điều khiển chấp hành. ........ 15
Bảng 1.3: Các thiết bị đo lường cơng nghiệp................................................. 18
Hình 1.2: Quan hệ giữa hàm lượng vôi tự do trong clinker với nhiệt độ zơn
nung ................................................................................................................. 22
Hình 2.1: Mơ hình phân cấp chức năng của một hệ thống điều khiển và giám
sát .................................................................................................................... 26
Hình 2.3: Cấu trúc BUS .................................................................................. 30
Hình 2.4: Cấu trúc mạch vịng ....................................................................... 32
Hình 2.5: Cấu trúc hình cây ............................................................................ 33
Hình 2.6: Cấu trúc điều khiển tập trung với vào ra tập trung ....................... 37
Hình 2.7: Cấu trúc điều khiển tập trung với vào ra phân tán ........................ 39
Hình 2.8: Cấu trúc điều khiển phân tán với vào ra tập trung ........................ 40
Hình 2.9: Cấu trúc điều khiển phân tán với vào ra phân tán ......................... 41
Hình 2.10: Cấu hình cơ bản của một hệ điều khiển phân tán ....................... 43
Hình 2.11:Các phương pháp bố trí trạm vận hành ........................................ 46
Hình3.1: Sơ đồ tổng quan kiến trúc hệ thống PCS7 ....................................... 52
Hình 3.2: Các cơng cụ kỹ thuật của hệ PCS7 ................................................. 54
Hình 3.3: Bus hệ thống trong PCS 7 kết nối ES, OS và PLC. ...................... 57
Hình 3.4:Cấu hình dự phịng của PLC ........................................................... 58
Hình 3.5: Dự phịng với mạng cáp quang ...................................................... 59


5

Bảng 3.1: Các loại dữ liệu trong PCS7 .......................................................... 66
Hình 3.6: Giao tiếp giữa WinCC với Hệ Tự Động Hoá................................ 67
Hình 3.7: Module Unidirection Driver ........................................................... 69
Bảng 3.2: Bảng các Function của C_DRV_1D .............................................. 70
Hình 3.8: Module Damper .............................................................................. 71
Bảng 3.3: Bảng các Function của C_DAMPER ............................................. 72
Hình 3.9: Module Valve driver ....................................................................... 73
Bảng 3.4:Bảng các Function của C_VALVE ................................................. 74
Hình 3.10 Annuciation Module ...................................................................... 74
Bảng 3.5: Bảng các Function của C_ANNUNC ............................................. 75
Hình 3.11: Measure Module ........................................................................... 76
Bảng 3.6: Bảng các Function của C_MEASUR ............................................. 77
Hình 3.12: Group Module ............................................................................... 77
Bảng 3.8 Bảng các Function của C_GROUP ................................................. 79
Hình 3.13: Route Module ................................................................................ 80
Bảng 3.8: Bảng các Function của C_ROUTE ................................................ 81
Hình 3.14:Module Controller .......................................................................... 82
Bảng 3.9:Bảng các Function của TE_CTRL .................................................. 83
Bảng 3.10: Bảng các đầu ra của TE_CTRL .................................................... 84
Hình 4.1 : Mạch vịng điều chỉnh cấp liệu cho máy nghiền ........................... 87
Hình 4.2 : Liên động Group_01 ...................................................................... 88
Hình 4.3 : Liên động Group_02 ...................................................................... 89
Hình 4.4 : Liên động Group_03 ...................................................................... 90


6

Hình 4.5 : Liên động Group_04 ...................................................................... 91
Hình 4.5 : Liên động Group_05 ...................................................................... 92

Hình 4.7 : Liên động Group_06 ...................................................................... 93
Hình 4.8 : Liên động Group_07 ...................................................................... 93
Hình 4.8 : Liên động Group_08 ...................................................................... 94
Hình 4.10: Liên động Group_09 ..................................................................... 95
Hình 4.11: Liên động Group_10 ..................................................................... 95
Hình 4.12: Cấu hình trạm vận hành ................................................................ 96
Hình 4.13: Cấu hình CPU 416-2DP ............................................................... 97
Hình 4.14: Cấu hình mạng ............................................................................. 98
Hình 4.15: Kết nối ET200M và S7-400........................................................ 99
Bảng 4.1: Bảng thiết bị phần cứng sử dụng trong hệ thống ........................... 99
Hình 4.16: Cấu hình phần cứng trạm nghiền xi măng .................................. 100
Bảng 4.2: Thiết bị phần cứng của trạm nghiền ............................................. 101
Hình 5.1 : Tín hiệu điều khiển Group_05 ..................................................... 103
Hình 5.2 : Băng tải 171BC230 và 171BC210............................................... 103
Hình 5.3 : Lựa chọn lọc bụi 171.BF220 ....................................................... 104
Hình 5.4 : Lựa chọn van hai ngả 331DG195 ................................................ 105
Hình 5.5 : Các bộ điều khiển......................................................................... 106
Hình 5.6 : Ổn định lượng liệu vào máy nghiền............................................. 106
Hình 5.7:Khối Setpoit_ Cement_mill và PV_in_Cement ............................. 107
Hình 5.8 : Khối PID_Cement_mill ............................................................... 108
Hình 5.9 : Khối Me_Cement_mill ................................................................ 108


7

Hình 5.10 : Định lượng Clinker .................................................................... 109
Hình 5.11 : PV_IN clinker và Setpoit Clinker .............................................. 110
Hình 5.12 : Khối PID_Clinker ...................................................................... 110
Hình 5.13 : Khối hiển thị lượng Cliker trên băng tải 411FW010 ................. 111
Hình 5.14: Định lượng Gypsum.................................................................... 111

Hình 5.15: PV_IN Gypsum và Setpoit Gypsum ........................................... 112
Hình 5.16: Khối PID_Gypsum...................................................................... 113
Hình 5.17: Khối hiển thị lượng Gypsum trên băng tải 411FW030 .............. 113
Hình 5.18 : Định lượng Additives................................................................. 114
Hình 5.19: PV_IN Additives và Setpoit Additives ....................................... 115
Hình 5.20: Khối PID_Additives.................................................................... 115
Hình 5.21: Khối hiển thị lượng Additives trên băng tải 411FW050 ............ 116
Hình 5.22 : Giao diện cơng đoạn vận chuyển liệu ........................................ 117
Hình 5.23 : Giao diện công đoạn nghiền xi măng ........................................ 118


Summarize the content
The thesis “Researching and applying PCS7 in controlled system in the
cement plant” consists of 5 chapters.
In the first chapter, the thesis studies cement manufacturing technology in
order to find out the optimized automatic production project.
The second chapter present the DCS system, which researchs the structure
and the basic controlled system , communicative standard in industry.
In the third chapter, the project author show some knowledge of PCS7
system of SIEMENS. The author introduce general structure of the system and
its components, learn about librarial package Cemat V6.0, which is widely used
in the field of cement industry as well.
The fourth chapter displays some applications of PCS7 system in the
section “Transporting and Grinding cement”, analizes and choose hardware
configueration.
In chapter 5, the last chapter, the author program and design interface for
the section “Transporting and Grinding cement”. Interface is designed relies on
WinCC, a PCS7’s software package. Programming process uses CFC
programming language.
In the next period, the author will continue researching, futher more

complete to contruct the software, which can simulate all sections of productive
process in the plant with assistance of PCS7.


BẢN TÓM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn “Nghiên cứu ứng dụng PCS7 vào hệ thống điều khiển trong nhà
máy xi măng” có tổng cộng 5 chương.
Trong chương đầu tiên, luận văn đã tìm hiểu về cơng nghệ sản xuất xi
măng với mục đích đưa ra được phương án sản xuất tự động tối ưu.
Trong chương 2, luận văn trình bày về hệ thống DCS luận văn đã tìm hiểu
về các cấu trúc và các hệ điều khiển cơ bản trong công nghiệp, các chuẩn giao
tiếp trong công nghiệp.
Trong chương 3, luận văn trình bày về hệ thống PCS7 của Siemens. Luân
văn đã đưa ra được cấu trúc tổng quan của hệ thống và các thành phần trong hệ.
Nghiên cứu gói thư viện Cemat V6.0 được sử dụng rộng rãi trong ngành xi măng
Trong chương 4, luận văn trình bày về ứng dụng của PCS7 vào công đoạn
cụ thể là “Vận chuyển và nghiền xi măng”. Phân tích lựa chọn cấu hình phần
cứng.
Trong chương 5, Lập trình và thiết kế giao diện cho công đoạn “Vận
chuyển và nghiền xi măng”. Thiết kế giao diện dựa trên WinCC là một gói phần
mềm của PCS7. Lập trình sử dụng ngơn ngữ lập trình CFC
Trong thời gian tới, tác giả luận văn sẽ tiếp tục nghiên cứu, để hồn thiện
hơn nữa để có thể xây dựng được một phần mềm mơ phỏng được tồn bộ nhà
máy xi măng nhờ sử dụng PCS7


Lời nói đầu
Trong những năm gần đây đất nước ta đang đẩy mạnh cơng nghiệp hố hiện
đại hố trong đó sản xuất xi măng đóng vai trị rất quan trọng trong sự nghiệp phát
triển đất nước Vì vậy việc nghiên cứu các hệ thống điều khiển tự động trong sản

suất xi măng là nhiệm vụ rất cần thiết.
Ngày nay, các nhà máy xi măng ngày càng có quy mơ 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 ứng dụng PCS7 vào hệ thống điều khiển trong nhà
máy xi măng ”. bao gồm 5 chương như sau:
Chương 1 : Cơng nghệ sản xuất xi măng
Chương 2 : Tìm hiểu về hệ thống DCS
Chương 3 : Tìm hiểu hệ thống điều khiển PCS7 của SIEMENS
Chương 4 : Ứng dụng PCS7 vào hệ thống vận chuyển và nghiền xi măng
Chương 5 : Lập trình và thiết kế giao diện
Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy giáo T.s Nguyễn Mạnh Tiến, tập thể các


anh chị phịng Điện- Tự Động Hố Cơng ty Tư Vấn Đầu Tư Phát Triển Xi Măng
và toàn thể các thầy cơ giáo trong bộ mơn 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 hồn thành việc thiết kế

hệ điều khiển PCS7 trong cơng đoạn vận chuyển và nghiền xi măng. Kết quả
của hệ thống điều khiển phù hợp với yêu cầu của bài tốn cơng nghệ đặt ra.Tuy
nhiên do cịn hạn chế về mặt kiến thức và thời gian do vậy mặc dù đã rất cố gắng
nhưng cũng khơng tránh khỏi thiếu xót. Tác giả xin trân trọng cảm ơn mọi ý kiến
đóng góp của các Thầy Cơ cùng bạn bè đồng nghiệp để đề tài nghiên cứu được hoàn
thiện hơn.

Hà nội, ngày 17 tháng 11 năm 2008
Học viên

Lê Tiến Sỹ


8

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 cơng nghệ sau đây:
a) Công nghệ ướt: hỗn hợp bột nguyên liệu được khuấy/đồng nhất trong nước
dưới dạng bùn lỏng trước khi đưa vào lị nung.
b) Cơng nghệ bán khơ: hỗn hợp bột ngun liệu được trộn ít nước và tạo thành
dạng viên trước khi đưa vào lị nung.
c) Cơng nghệ khơ: hỗn hợp bột ngun liệu được đồng nhất dưới dạng bột khơ

hồn tồn trước khi đưa vào lị nung.
Theo cấu tạo hệ thống nung clinker người ta áp dụng các loại lò sau đây:
a) Lị ống dài cơng nghệ ướt.
b) Lị đứng (cơng nghệ bán khơ).
c) Lị ống dài cơng nghệ khơ.
d) Lị ống làm nguội kiểu hành tinh.
e) Lị ống có cyclon trao đổi nhiệt.
f) Lị ống có tháp tiền nung và cyclon trao đổi nhiệt.
Các kiểu lò nung c; d; e và f thuộc loại công nghệ khô.


9

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 lị ống quay loại (e) và (f), vì chỉ có các hệ thống này mới cho phép tăng
cơng 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:
• Cơng nghệ sản xuất khơ với kiểu lị ống quay có buồng tiền nung và tháp
trao đổi nhit nhiu tng (5ữ6 tng) .
ã Cụng sut t 3.000ữ7.500T-clinker/ngy (Tng ng 1,0ữ3,0 triu tn xi
mng/nm).
ã Thit b cụng ngh 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, cơng 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.
1.1.2 Mô tả sơ lược dây chuyền cơng nghệ
Tồn bộ dây chuyền sản xuất xi măng điển hình có thể được phân chia làm 03
cơng đoạn lớn như Hình 1.1, trong đó 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 thơ (Gồm 02 ngun
liệu chính là đá vơi, 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.


10

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 vịi 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 tốn nhằm đảm bảo cho
tồn 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.
Các công đoạn sản xuất trong dây chuyền sản xuất xi măng điển hình được liệt kê
trong Bảng 1-1.


11

A2

A4

A1

A3
A5

A6

A7

A: Vận chuyển nghiền liệu

B1

B6

B2

B7

B3

B4

B5

B: Nung Clinker

C1

C2

C3

C4

C7

C5

C6

C : Nghiền xi măng và đóng bao
Hình 1.1:Sơ đồ ngun lý dây chuyền sản xuất xi măng


12

STT

Ký hiệu

Tên công đoạn

1

A1

Khai thác

2

A2

3

A3

4

A4

Đập nguyên
liệu
Kho chứa
nguyên liệu
Nhập nguyên
vật liệu

5

A5

Định lượng
nghiền thơ

6

A6

7

A7

Máy nghiền
ngun liệu
Xilơ đồng nhất

8

B1

Cấp liệu lị

9

B2

10

B3

11

B4

12

B5

13

B6

14

B7

15

C1

16

C2

17

C3

18

C4

19
20

C5
C6

21

C7

Chức năng cơ bản

Thiết bị chính

Khai thác đá vơi, đá sét, cát

silic
Đá vơi, đá sét, thạch cao, phụ
gia
Đồng nhất sơ bộ và chứa các
nguyên liêu thô
Nhập nguyên liệu: thạch cao,
bôxit, quặng sắt, và nhiên
liệu: than, dầu MFO
Điều chỉnh tỷ lệ hỗn hợp
nguyên liệu thô

Máy khai thác mỏ

Nghiền bột liệu thô
Đồng nhất và chứa bột liệu
thơ
Điều chỉnh năng suất lị nung

Máy nghiền trục đứng, lọc bụi
tĩnh điện
Máng khí động; sục khí nén và
van tháo bột liệu
Két cân định lượng cấp liệu

Tháp trao đổi
nhiệt
Lò nung

Gia nhiệt cho bột liệu

Cyclon 5 tầng và calciner

Nung và tạo hạt clinker

Lị quay, vịi đốt chính

Làm nguội
Clinker
Xilơ Clinker

Làm nguội clinker

Dàn ghi 3 cấp; quạt gió; lọc bụi
tĩnh điện
Gầu tải; các cửa tháo clinker

Máy nghiền
than
Cấp than mịn

Nghiền than mịn

Định lượng
nghiền xi măng
Máy nghiền sơ
bộ Clinker
Máy nghiền xi
măng
Silơ xi măng
Đóng bao

Xuất xi măng
bao
Xuất xi măng
rời

Chứa Clinker

Định lượng than mịn cấp cho
các vòi đốt
Điều chỉnh tỷ lệ hỗn hợp xi
măng
Nghiền Clinker
Nghiền xi măng
Chứa xi măng
Đóng bao
Xuất xi măng bao
Xuất xi măng rời

Các máy đập
Các máy rải và máy cào
nguyên liệu
Thiết bị bốc dỡ cảng biển hay
đường bộ
Các cân băng định lượng

Máy nghiền trục đứng; lọc bụi
than
Két cân và van định lượng cấp
than
Các cân băng định lượng

Máy nghiền trục đứng
Máy nghiền bi; phân ly
OSEPA; lọc bụi xi măng
Gầu tải; sục khí và các cửa tháo
xi măng
Các máy đóng bao
Thiết bị xuất xi măng bao
đường bộ và đường biển
Thiết bị xuất xi măng rời
đường bộ và đường biển

Bảng 1.1: Các công đoạn sản xuất trong dây chuyền xi măng lò quay.


13

1.1.3 Các đặc điểm cơ bản của dây chuyền công nghệ sản xuất
• Tính phức tạp của cơng nghệ sản xuất: Dây chuyền sản xuất xi măng gồm
nhiều công đoạn sản xuất cũng như phụ trợ. Trong đó, cơng 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. Q trình biến đổi hố 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 hồn. Các cơng 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.
• 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 cơng
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 cơng 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 vịng bằng các đường ống gió cơng 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 q
trình vận hành. Do vậy khơng cho phép quan sát bằng mắt thường quá trình
biến đổi xảy ra bên trong các hệ thống thiết bị cơng nghệ chính.
• Tính biến động ngẫu nhiên của tham số công nghệ: Các tham số lý hố của
ngun liệu thơ dao động trong dải rộng, do phân bố tự nhiên của các vỉa/lớp
và vị trí của các mỏ ngun 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


14

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 cơng nghệ: Các q trình biến đổi tính
chất cơ-lý-hố trong các công đoạn sản xuất xi măng là những q trình biến
thiên chậm, hệ thống thiết bị cơng nghệ có cơng suất lớn và có qn 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 cơng tác bố trí ở các
khoảng cách xa và độ cao lớn. Thời gian phản ứng khi điều chỉnh ổn định
một tham số cơng nghệ được tính ở đơn vị từ hàng vài chục giây cho đến vài

phút.
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 tồn bộ dải cơng suất của động cơ điện sử dụng trong cơng 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 dịng khí
cơng nghệ, dịng dầu thuỷ lực hoặc dịng 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 u cầu
bộ dẫn động kiểu đóng/cắt. Ngồi ra một ít hệ thống van yêu cầu điều chỉnh tỷ lệ
độ mở nhằm điều khiển liên tục lưu lượng hay áp lực.
ST
T

Loại thiết bị

Cấu tạo/Thông số cơ bản

Số lượng
(bộ)

A

Động cơ điện:

1

Động cơ trung áp

6kV; 150÷6500kW

30

2

Động cơ hạ áp

380V; 0,15÷150kW

750

B

Van điều khiển:


15

Động cơ điện/động cơ thuỷ

3

Van điều tiết lưu lượng gió

4

Van điều tiết lưu lượng dầu

Van tỷ lệ cơ-điện

20

5

Van điều tiết lưu lượng nước

Van tỷ lệ cơ-điện

5

6

Van đóng cắt dịng khí/dầu /nước

Van solenoid

250

C

Thiết bị điều khiển chấp hành:

7

Bộ biến tần công suất lớn

P=200÷1500kW; D=1/2÷1/0

10

8

Bộ biến tần cơng suất nhỏ

P=2÷200kW; D=1/2÷1/10

40

9

Bộ điều khiển Máy cắt/Động cơ

Rơle vi mạch bán dẫn

850

lực

20

Bảng 1.2: Các loại truyền động điện và thiết bị điều khiển chấp hành.

1.3 Thiết bị đo lường và bảo vệ:
Trên thiết bị cơng 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 02 loại cơ bản như sau:
1.3.1 Đo lường các đại lượng khơng điện
Nhóm này bao gồm rất nhiều loại đầu đo sơ cấp được lắp trên máy cơng tác tại
các vị trí cần thiết để đo lường các tham số cơng nghệ. Chúng có một số đặc điểm
chính như sau:

• Thơng số đo: Là các đại lượng không điện như: nhiệt độ, áp suất, mức vật
liệu, tốc độ, lưu lượng dịng khí, trọng lượng .v.v... Chủng loại và nguyên lý
làm việc của các sensơ công nghệ sử dụng trong sản xuất xi măng được liệt
kê trong Bảng 1.3.
• Chức năng: Các sensơ thực hiện một chức năng cơ bản là biến đổi tham số
không điện cần đo thành tín hiệu điện analog. Tín hiệu đầu ra của các phần
tử thụ cảm là dạng nguồn dòng hoặc dạng nguồn áp tuỳ thuộc cấu tạo của
đầu đo.
• Cấu tạo: Các sensơ hầu hết được chế tạo liền khối khâu thụ cảm và khâu
chuyển đổi chuẩn hố tín hiệu. Một số khí cụ đo có lắp µP riêng và bộ chỉ thị
số tại chỗ độc lập. Tín hiệu đầu ra các sensơ hầu thết là dạng nguồn dòng


16

theo chuẩn cơng nghiệp (0÷20mA). Riêng sensơ đo nhiệt độ kiểu cặp nhiệt
và nhiệt điện trở chỉ có khâu thụ cảm và khâu chuyển đổi chuẩn hố tín hiệu
được lắp riêng.
 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 thơng qua một điện trường cố định, kết quả được xử lý và

hiển thị dưới dạng số.

-

Vị trí lắp đặt: Đầu khí ra lị 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 lị nung (ngọn lửa của vịi đốt chính) và
khoang thứ nhất của thiết bị làm nguội clinker.

• Qt nhiệt độ vỏ lị nung:
-

Chức năng: Đo lường và giám sát phân bố nhiệt độ bên ngồi vỏ lị nung
qua đó để theo dõi trạng thái lớp lót vật liệu (cơla) và lớp gạch chịu lửa trong
lị trong q trình vận hành.

-

Cơ cấu đo lường: Sensơ bức xạ hồng ngoại trực tiếp kiểu di động.

-

Vị trí lắp đặt: Bên ngồi lị 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.


17

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.
• 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.
Tên thiết bị

STT

A

Nguyên lý làm việc

Đo lường điều khiển cơng nghệ:

Số
lượng
(bộ)

I Tín hiệu Analog:
1

Phân tích thành phần khí

Cảm biến thuận từ

6

2

Pyrometer-Camera

Bức xạ hồng ngoại trực tiếp

2

3

Quét nhiệt độ vỏ lò

Bức xạ hồng ngoại trực tiếp

1

4

Đo nhiệt độ cao

Cặp nhiệt (Platin-Rodi)

35

5

Đo nhiệt độ thấp

Nhiệt điện trở (PT100)

180

6

Đo mức

Cảm biến cơ điện; Siêu âm

35

7

Đo áp suất

Điện dung biến đổi

45

8

Đo lưu lượng

Cảm biến cơ điện

10

9

Đo tốc độ quay

Từ trở biến đổi

15

10

Đo hành trình

Cảm biến cơ điện

8

11

Đo trọng lượng

Cảm biến áp điện

15

12

Đo ứng suất

Cảm biến áp điện

4

13

Đo vị trí góc mở

Điện thế kế điện trở

25

14

Đo độ rung

Khối lượng rung/áp điện

3

15

Đo năng suất máy nghiền bi

Cảm biến sóng âm thanh

1

16

Đo nồng độ bụi

Cảm biến quang học

2

17

Đếm bao xi măng

Cảm biến quang học

8

II Tín hiệu digital:
17

Giám sát chuyển động

Từ trở biến đổi

950

18

Công tắc giới hạn mức

Điện dung; dao động

75

19

Cơng tắc hành trình, chỉ thị vị trí

Từ trở biến đổi

350


18

20

Công tắc áp suất, lưu lượng

Cơ điện

120

21

Công tắc bảo vệ băng tải

Cơ điện

1100

B

Đo lường điều khiển thiết bị điện:
I Tín hiệu analog:

22

Đo tần số

Điện tử số

50

23

Đo điện áp

Điện tử số

15

24

Đo dịng điện

Điện tử số

50

25

Đo cơng suất tác dụng

Điện tử số

50

26

Đo cơng suất phản kháng

Điện tử số

20

II Tín hiệu digital:
27

Giám sát trạng thái máy cắt

Rơ le vi mạch điện tử

70

28

Giám sát trạng thái vận hành động cơ

Rơ le vi mạch điện tử

850

29

Giám sát trạng thái thiết bị biến tần

Rơ le vi mạch điện tử

50

Bảng 1.3: Các thiết bị đo lường công nghiệp.

• 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 cơng 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.

1.3.2 Đo lường tham số điện
• Thơng số đo: Gồm các thông số của lưới điện công nghiệp như tần số, điện
áp, dịng điện, cơng suất tác dụng và cơng 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 hố tín hiệu và khâu số hố trong đó lắp một µP riêng và bộ hiển thị số
độc lập tại chỗ.
1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng xi măng