Tài liệu 42579_3720148413515

Kim Đình Thái và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 118(04): 109 - 112 TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG CHO NHÀ MÁY CÁN THÉP THÁI NGUYÊN TRÊN NỀN SIMATIC S7-300 VÀ PHẦN MỀM WINCC Kim Đình Thái*, Bùi Tuấn Anh Trường ĐH Công nghệ thông tin và Truyền thông – ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Bài báo trình bày về một ứng dụng các module điều khiển quá trình của phần mềm STEP 7 để cải tiến hệ thống điều khiển lò nung trong nhà máy cán thép Thái Nguyên trên cơ sở hệ SIMATIC PLC S7-300 sẵn có của nhà máy. Cấu trúc điều khiển đề xuất được tổng hợp bằng module PID kết hợp với các module xử lý tín hiệu của STEP 7 đảm bảo cải thiện chất lượng làm việc của hệ kín và tiết kiệm năng lượng. Các tham số của bộ điều khiển có khả năng thay đổi linh hoạt, nhiệt độ và áp suất của lò được quan sát trực quan qua giao diện người máy được thiết kế trên nền WinCC. Từ khóa: Bộ điều khiển PID, STEP 7, WinCC. ĐẶT VẤN ĐỀ* Lý do cần cải tạo hệ thống điều khiển lò nung Trong nhà máy cán thép Thái Nguyên có khá nhiều công đoạn được điều khiển thủ công hoặc bán tự động, vì thế đã ảnh hưởng khá nhiều đến hiệu quả sản xuất. Đặc biệt là công đoạn nung phôi thép trong lò, phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm của người vận hành. Nhà máy có nhu cầu cải tiến lại hệ thống điều khiển lò nung nói riêng và toàn bộ nhà máy nói chung trên cơ sở hệ SIMATIC PLC S7300 sẵn có của nhà máy. Bài toán điều khiển nhiệt độ lò nung Yêu cầu điều khiển lò nung là một bài toán lớn và phức tạp, trong khuôn khổ bài báo này tác giả chỉ trình bày về bài toán điều khiển nhiệt độ lò nung để từ đó tổng hợp hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung trên nền SIMATIC S7-300 và phần mềm WinCC. Lò nung gồm 4 vùng: 1 vùng sấy, 1 vùng nung và 2 vùng đồng nhiệt. Điều khiển nhiệt độ lò nung chính là điều khiển nhiệt độ của 4 vùng nung theo trị số đặt trước đáp ứng được các yêu cầu công nghệ. Tại mỗi vùng nung đều bố trí các mỏ đốt, và tại mỗi mỏ đốt đều bố trí các van điều chỉnh bằng tay để điều khiển lưu lượng dầu, lưu lượng khí nén (hóa mù dầu) và lưu lượng không khí. Riêng với từng cụm mỏ đốt cho các vùng chỉ có một van điều khiển lưu lượng dầu và một van điều khiển lưu lượng không khí. Bài toán điều khiển nhiệt độ lò nung chính là điều khiển tự động các van này để nhiệt độ từng vùng ổn định và duy trì theo yêu cầu đặt ra. Mô hình hóa lò nung Hiện tại nhà máy cán thép Thái Nguyên đang sử dụ ng hai bộ đi ều khiển PID độc lập: 1 bộ đi ều khiển van dầu và 1 bộ điều khi ển van không khí để điều khiển nhi ệt độ cho từng vùng. Qua nghiên cứu, tác giả đã thiết kế với một bộ điều khiển PID kết hợp với một bộ điều khiển tỷ lệ để điều khiển van dầu và van không khí. Toàn bộ kết quả được trình bày trong tài liệu [1] (trang 36, 45). Bảng 1. Mô hình toán học từng vùng nung TT 1 2 3 * Tel:0979363545; Email: [email protected] Đối tượng điều khiển Vùng 1 (vùng sấy) Vùng 2 (vùng nung) Vùng 3, 4 (vùng đồng nhiệt) Mô hình toán học từng vùng nung e −30 s GI ( s ) = (100 s + 1)( s + 1) GII ( s ) = e −60 s (150 s + 1)( s + 1) GIII (s) = GIV (s) = e−50s (120s +1)(s +1) 109 Kim Đình Thái và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ Vì lò nung là một đối tượng có tham số biến đổi chậm, đặc tính động học của quá trình và của cảm biến nhiệt độ thường chậm hơn của thiết bị chấp hành. Phép đo nhiệt độ chậm nhưng thường ít chịu ảnh hưởng của nhiễu. Vì thế ta sẽ sử dụng luật PID để cải thiện tốc độ đáp ứng, đồng thời giúp ổn định hệ thống dễ dàng hơn. - 3 module đầu vào tương tự AI8x12bit : 6ES7 331-7KF02-0AB0. - 3 module đầu ra tương tự: AO4x12bit: 6ES7 332-5HD01-0AB0. Cấu trúc điều khiển nhiệt độ lò nung Điều khiển nhiệt độ lò nung tức là điều khiển nhiệt độ từng vùng lò nung. Lò có 4 vùng: vùng 1 (vùng sấy), vùng 2 (vùng nung), vùng 3 và vùng 4 (vùng đồng nhiệt). Cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt độ của vùng thứ i (i=1,2,3,4) của lò nung được biểu diễn như trong hình 2. Hình 1. Sơ đồ tổng quát điều khiển nhiệt độ các vùng lò nung CB KK Các thông số bộ điều khiển đã được thiết kế và kiểm chứng mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink được biểu diễn ở bảng 2. Bảng 2. Tổng hợp thông số bộ điều khiển PID Vùng Thông số bộ điều khiển PID K G1 (s) = i e−τi s Ti s +1 U (s) K K PID ( s ) = = KP + I + KDs E (s) s Vùng sấy K P= 2.1532 K I=0.019265 K P=1.3675 K I=0.009626 KD=11.2655 K P=1.9247 K I=0.014365 KD=26.6505 K P=1.9247 K I=0.014365 KD=26.6505 Bộ điều khiển tỷ lệ có bù Kb Kt Nhiệt độ đặt PID Van dầu Van KK Vùng i CB KD=13.7372 Vùng nung 118(04): 109 - 112 Vùng đồng nhiệt (trái) Vùng đồng nhiệt (phải) Kết quả này là cơ sở để thiết kế phần mềm điều khiển và phần cứng bổ sung để tích hợp hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung vào hệ Simatic S7-300 có sẵn của nhà máy. Việc tổng hợp hệ thống điều khiển và giám sát lò nung được trình bày sau đây. TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG BẰNG PLC S7-300 Cấu hình phần cứng Cấu hình hệ thống điều khiển được chọn trên cơ sở bài toán điều khiển đã đặt ra, các thiết bị đo và thiết bị chấp hành được lắp đặt ở lò nung. Hệ thống điều khiển được tích hợp bằng các module chức năng sau đây: - Module nguồn PS307-5A: 6ES 3071BA00-0AA0. - Module CPU 314: 6ES7 314-1AE01-0AB0. 110 Hình 2. Cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung Hệ thống điều khiển sử dụng hai bộ điều khiển: - Bộ điều khiển PID là bộ điều khiển chính được sử dụng để điều khiển van dầu. Giá trị nhiệt độ của vùng i được cảm biến CB (can nhiệt) đo được và so sánh với giá trị nhiệt độ đặt. Sai lệch này được bộ điều khiển PID xử lý và điều khiển van dầu. - Bộ đi ều khi ển van không khí (hình 2) là bộ điều khiển tỷ lệ có bù để chế độ cháy hoàn toàn. Tín hiệu điều khiển van dầu qua bộ điều khiển tỷ lệ Ktl. Đồng thời cảm biến đo không khí dư CBKK trong lò sẽ được nhân với hệ số bù nhiệt độ. Tổng hợp hai tín hiệu này để điều khiển van không khí. Thuật toán điều khiển nhiệt độ lò nung Phần mềm Step7 cung cấp một số module điều khiển quá trình và xử lý tính hiệu làm cơ sở cho việc lập trình hệ thống điều khiển lò Kim Đình Thái và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ nung. Đó là các module mềm: FB41, FC105 và FC106 [1],[2] được tích hợp trong thư viện của STEP 7. Với cấu trúc điều khiển nhiệt độ như ở trên thì chương trình điều khiển được soạn thảo trong khối ngắt theo chu trình thời gian cố định (OB35 với chu kỳ thời gian ngắt đúng bằng chu kỳ trích mẫu của lò nung). Lưu đồ chương trình cho từng vùng soạn thảo trong OB35 được biểu diễn ở hình 3. 118(04): 109 - 112 điều khiển van dầu được tính toán để đưa ra tín hiệu điều khiển van không khí. Toàn bộ chương trình được viết trong khối OB35 bằng ngôn ngữ lập trình STL. Thời gian trích mẫu T cài đặt theo yêu cầu công nghệ (T=400ms).[1, trang 77-89] THIẾT KẾ GIAO DIỆN HMI BẰNG PHẦN MỀM WINCC Các yêu cầu thiết kế và các bước thiết kế được trình bày trong tài liệu [1] (trang 65-69). START Chương trình điều khiển và giao diện HMI đã được kiểm chứng và mô phỏng bằng phần mềm PLCSIM được tích hợp trong STEP7. Đọc cổng tương tự Các kết quả mô phỏng đã đáp ứng được yêu cầu đặt ra: Xử lý tín hiệu đo Gọi khối FC105 Bộ điều khiển PID Gọi khối FB41 Bộ điều khiển tỷ lệ Hình 4. Giao diện tổng quan khu vực lò nung Xử lý tín hiệu ra Gọi khối FC106 END Hình 3. Lưu đồ chương trình điều khiển nhiệt độ từng vùng lò nung Thuật toán được thực hiện tuần tự: Bắt đầu đọc các cổng tương tự (nhiệt độ, lượng không khí thừa trong lò). Sau đó, xử lý tín hiệu đo để đưa ra tín hiệu quá trình, tín hiệu quá trình được tính toán điều khiển để đưa ra tín hiệu điều khiển van dầu. Và cuối cùng tín hiệu Hình 5. Giao diện điều khiển và giám sát nhiệt độ vùng 1 111 Kim Đình Thái và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ Hình 6. Màn hình cài đặt tham số PID để điều khiển nhiệt độ vùng 1 118(04): 109 - 112 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung đã được kiểm chứng bằng mô phỏng trên cơ sở phần mềm Matlab-Simulink và bằng PLCSIM. Các kết quả kiểm chứng cho thấy hệ thống thiết kế hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu công nghệ của quá trình nung. Điều đó chứng tỏ khả năng thực thi trong thực tế của bộ điều khiển. Hy vọng trong tương lai có thể chuyển các kết quả nghiên cứu này cho nhà máy cán thép Thái Nguyên để có thể hoàn thiện sản phẩm nghiên cứu này. TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình 7. Giao diện theo dõi nhiệt độ vùng 1 [1]. Kim Đình Thái (2013), Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cho nhà máy cán thép Thái Nguyên trên nền Simatic S7-300 và phần mềm WinCC, Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. [2]. Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Vũ Văn Hà (2000), Tự động hóa với Simatic PLC S7300, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. SUMMARY CONTROL SYSTEM SYNTHESIS FOR FURNACE TEMPERATURE OF THE THAI NGUYEN STELL MILL BASED ON SIMATIC S7-300 AND SOFTWARE WINCC Kim Dinh Thai*, Bui Tuan Anh College of Information and Communication Technology – TNU This paper presents an application of process control modules based on STEP 7 software and SIMATIC PLC S7- 300. PID Controller structure is used to guarantee the closed-loop system stability and save energy. Parameters of the controller, temperature and flow of the oven are observed via human machine interface based on WinCC. Key words: PID controller, STEP 7, WinCC. Ngày nhận bài: 13/3/2014; Ngày phản biện: 15/3/2014; Ngày duyệt đăng: 25/3/2014 Phản biện khoa học: PGS.TS. Phan Xuân Minh – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội * Tel:0979363545; Email: [email protected] 112