- LÊ HẢI ANH THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT THU BỤI TĨNH ĐIỆN TẠI NHÀ MÁY LUYỆN ĐỒNG LÀO CAI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Hà Nội – Năm 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI. - LÊ HẢI ANH THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT THU BỤI TĨNH ĐIỆN TẠI NHÀ MÁY LUYỆN ĐỒNG LÀO CAI Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS. - Hệ thống điều khiển và giám sát tại nhà máy. - Phân tích yêu cầu của hệ thống điều khiển và giám sát. - Phân tích yêu cầu điều khiển. - Bộ điều khiển. - Xây dựng lưu đồ thuật toán và lập trình đo và điều khiển. - Bài toán điều khiển. - Mạch điện điều khiển. - Lập trình chương trình điều khiển. - Điều khiển gia nhiệt. - Điều khiển đọc thông số điện trở. - Màn hình HMI điều khiển điện áp tại nhà máy. - Tủ điều khiển điều khiển điện áp tại nhà máy. - Mạch lực điều khiển điều khiển điện áp tại nhà máy. - Lưu đồ thuật toán điều khiển gia nhiệt sứ. - 51 Hình 3.5 Điều khiển đầu ra của EM 223. - Điều khiển búa gõ rung rũ bụi. - Điều khiển gia nhiệt buồng sứ. - 54 Hình 3.8 Điều khiển gia nhiệt trục sứ biến áp. - Tủ điện điều khiển. - Đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát thu bụi tĩnh điện tại nhà máy Luyện đồng Lào Cai” là một đề tài mang tính ứng dụng thực tế, áp dụng những kiến thức đã được học vào thực tiễn. - Hệ thống điều khiển và giám sát tại nhà máy được chuyển giao từ Trung Quốc, qua 10 năm sử dụng đã hư hỏng, không có thiết bị thay thế, nhà máy đã thuê một số công ty thực hiện nhưng chưa được hiệu quả. - ĐỐI TƯỢNG CỦA ĐỀ TÀI Đối tượng của đề tài là hệ thống điều khiển giám sát thu bụi tĩnh điện tại nhà máy Luyện đồng Lào Cai- Chi nhánh Luyện đồng Lào Cai- Vimico 4. - MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI Trước hết mục tiêu của đề tài là xây dựng được mô hình trạm điều khiển giám sát thu bụi tĩnh điện tại nhà máy Luyện đồng Lào Cai trong đó tích hợp tự động hóa hệ thống điều khiển và giám sát các thông số như: Nhiệt độ buồng, nhiệt độ sấy, điện áp phóng, dòng điện, búa rung rũ bụi. - Dòng điện đầu ra của hệ thống sẽ được điều khiển ổn định, còn các thông số như nhiệt độ, dòng điện, điện áp sẽ được hiển thị trên màn hình. - Mục tiêu thứ 2 là xây dựng một giải pháp tự động hóa điều khiển và giám sát các thông số cho hệ thống thu bụi của nhà máy chạy ổn định. - Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI Đối với nhà máy Luyện đồng Lào Cai đề tài này sẽ đem lại một giải pháp điều khiển và giám sát hiệu quả, giúp nhà máy tự chủ và ổn định về thiết bị, không phụ thuộc vào đơn vị bên ngoài. - HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TẠI NHÀ MÁY Hệ thống giám sát và điều khiển tại nhà máy sử dụng hệ thống DCS SUPMAX 800 của Trung Quốc, trong đó phần hệ thống thu bụi là một trạm tách rời, không kế nối với các trạm khác trong hệ thống. - Tuy vậy hiện nay tại nhà máy, do hoạt động lâu ngày trong môi trường có tính ăn mòn, hệ thống điều khiển giám sát thu bụi tại trạm điều khiển đã bị hư hỏng. - Nhà máy đã thuê các đơn vị ngoài khôi phục hệ thống bằng phương pháp điều khiển theo cấp điện áp. - Theo phương pháp này hệ thống sẽ gồm 7 cấp điện áp, người vận hành tăng hay giảm cấp điện áp bằng cách điều khiển thông qua màn hình HMI. - Màn hình HMI điều khiển điện áp tại nhà máy Luận văn tốt nghiệp 14 Hình 1.3. - Tủ điều khiển điều khiển điện áp tại nhà máy Luận văn tốt nghiệp 15 Hình 1.4. - Mạch lực điều khiển điều khiển điện áp tại nhà máy Luận văn tốt nghiệp 16 Ưu điểm. - Điều khiển hệ thống phụ thuộc nhiều vào người vận hành. - PHÂN TÍCH YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT Để đưa ra được phương án thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát hệ thống thu bụi tĩnh điện, chúng ta cần phải hiểu rõ các yêu cầu điều khiển và giám sát từ đó phân tích và đánh giá, sau đó đưa ra phương án thiết kế, thi công. - Hệ thống thu bụi tĩnh điện Hiệu quả của hệ thống lọc bụi tĩnh điện phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố như: kích thước của hạt bụi, tính chất của điện cực, thiết bị điện điều khiển điện trường, tốc độ chuyển động và sự phân bố đồng đều lượng không khí trong vùng điện trường. - Trong quá trình thu bụi, hệ thống liên tục đo nhiệt độ tại các buồng sứ gửi về bộ điều khiển để duy trì nhiệt độ 160-185oC, tránh để nhiệt độ xuống thấp tạo axit tại các quả sứ làm giảm cách điện, gây phóng điện trên bề mặt sứ. - Bộ điều khiển cũng được cài đặt thời gian để điều khiển các động cơ rung rũ bụi tại các buồng bụi. - Do vậy, cần điều khiển gia nhiệt tại các trục sứ này ở khoảng nhiệt độ 160-185OC. - Tuy nhiên, điều khiển theo điện áp Luận văn tốt nghiệp 26 khó khăn khi bụi thay đổi như đã phân tích ở trên, do vậy nên chọn điều khiển theo ổn định dòng điện. - Các thiết này sẽ biến đổi các thông số như dòng điện, điện áp, nhiệt độ thành các tín hiệu điện áp 0-10V hoặc từ 4-20mA tương ứng, các tín hiệu này sẽ được đưa vào bộ điều khiển để lập trình và hiển thị lên màn hình cảm ứng. - Lựa chọn giải pháp điều khiển, giám sát và truyền thông Yêu cầu điều khiển ở đây là ổn định dòng điện đầu ra của máy biến áp. - Về vấn đề truyền thông, do trạm điều khiển và giám sát nằm ngay phía dưới hệ thống thu bụi nên có thể sử dụng RS485 để truyền tín hiệu nhiệt độ về bộ chuyển đổi RTD 8 kênh, đầu ra của bộ chuyển đổi RTD truyền thông với bộ điều khiển S7- 200 qua cổng truyền thông Modbus. - Giải pháp điều khiển, giám sát và truyền thông Yêu cầu điều khiển dòng điện phóng được cài đặt trực tiếp vào bộ điều khiển. - Đối với yêu cầu điều chỉnh nhiệt độ gia nhiệt trục sứ, người dùng sẽ đặt khoảng giá trị điều khiển ( min, max) vào màn hình HMI. - Giá trị sau đó sẽ được đưa tới bộ điều khiển, bộ điều khiển sẽ so sánh giá trị đặt và giá trị đo được từ cảm biến nhiệt độ và xuất ra tín hiệu điều khiển phù hợp tới bộ gia nhiệt để điều khiển chạy hay dừng lò gia nhiệt. - Đối với yêu cầu điều khiển rung rũ bụi, người dùng sẽ đặt khoảng thời gian tự động điều khiển chạy búa gõ trên màn hình HMI. - Giá trị sau đó sẽ được đưa tới bộ điều khiển, bộ điều khiển sẽ so sánh giá trị đặt và thời gian và xuất ra tín hiệu điều khiển phù hợp tới bộ gia nhiệt để điều khiển chạy hay dừng lò gia nhiệt. - Lưu đồ thuật toán điều khiển gia nhiệt sứ 2.2.2. - Hình 2.10. - Các thông số về dòng điện, điện áp cao áp được đưa về đầu vào của bộ điều khiển số Grado 918. - Ở đầu ra của bộ điều khiển Grado 918 sẽ có tín hiệu tương ứng tỷ lệ từ 4- 20mA đưa về modul analog EM 235 bằng giao thức truyền thông Modbus. - Hình 2.11. - Mặt khác các điểm đo nằm phía trên trung tâm điều khiển nên truyền thông giữa bộ thu thập dữ liệu tại nhà máy và bộ điều khiển trung tâm chúng ta chọn truyền thông có dây. - Hình 2.12. - Bộ điều khiển Theo thiết kế ngoài chức năng giám sát, điều khiển dòng điện đầu ra của máy bơm, các bơm còn lại của hệ thống được bật tắt bằng cả các nút ấn trên tủ và bật tắt trên màn hình HMI, theo tính toán chúng ta cần 6 đầu vào số, 8 đầu ra số 1 đầu ra Analog. - Chọn bộ điều khiển là PLC S7-200 CPU 226. - Hình 2.17. - Giao diện người-máy HMI Màn hình HMI lắp đặt ngay trên tủ điều khiển của trạm, dùng để đặt thông số giới hạn nhiệt độ trên, giới hạn nhiệt độ dưới cho các buồng sứ cao áp, trục sứ, thời gian trễ đóng cắt gia nhiệt và thể hiện các thông số nhiệt độ. - Hình 2.18. - HMI Weintek – Easyview MT8000i Luận văn tốt nghiệp 37 Tại trạm vận hành còn có máy tính điều khiển để thể hiện sơ đồ nguyên lý hoạt động của nhà máy, các thông số cần giám sát, các phím vận hành, chức năng nhập giá trị đặt. - Do vậy cần một máy tính điều khiển có cấu hình tương đối tốt, được cài đặt phần mềm WinCC và Step MicroWin v4. - XÂY DỰNG LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN VÀ LẬP TRÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN Sau khi chọn xong thiết bị chúng ta bắt đầu xây dựng bài toán đo và điều khiển. - Trước khi xây dựng lưu đồ thuật toán và lập trình chúng ta sẽ tìm hiểu về phương thức lập trình cho đo và điều khiển. - Hệ thống giám sát và điều khiển thu bụi tĩnh điện chủ yếu có hai chức năng. - Hai là điều khiển dòng điện thứ cấp, nhiệt độ buồng sấy theo giá trị đặt, điều khiển chạy, dừng búa rung rũ bụi theo thời gian định sẵn. - Luận văn tốt nghiệp 38 Điều khiển phóng điện thu bụi có hai yêu cầu: một là điều khiển điện áp không tăng quá nhanh trong quá trình mở máy, hai là điều khiển ổn định dòng điện theo thông số cài đặt để tránh hiện tượng phóng điện làm giảm hiệu suất thu bụi. - Bài toán điều khiển Bài toán điều khiển ở đây là điều khiển dòng điện đầu ra bám dòng điện đặt. - Hình 2.19. - Bài toán điều khiển Theo đặc tính Volt- Ampe của hệ thống ở hình 2.3, ta thấy trong vùng I nếu hệ thống đáp ứng quá nhanh có thể làm tăng nhanh điện áp giữa 2 bản cực, khi dV/dt quá lớn có thể làm phóng điện giữa hai bản cực, làm mất điều khiển. - Vì vậy yêu cầu điều khiển trong quá trình quá độ là hạn chế tốc độ tăng điện áp dV/dt. - Do vậy ở đây cần tách bài toán điều khiển ra thành hai bài toán nhỏ: Điều khiển han chế dV/dt trong quá trình quá độ và điều khiển ổn định dòng điện ở chế độ xác lập. - Bộ PLC đã được lập trình theo một thuật toán PID sẽ tính toán sự sai lệch giữa dòng điện đặt và dòng điện đo về để đưa Luận văn tốt nghiệp 39 ra tín hiệu điều khiển bộ biến đổi điện áp từ 4-20mA tương ứng với đầu ra U1 của bộ biến đối điện áp từ 0-380V, sao cho dòng điện đầu ra của hệ thống và dòng điện đặt có sai số là nhỏ nhất. - Vì thế ta sử dụng phương pháp Ziegler−Nichols thứ hai để xác định các tham số cho bộ điều khiển PID. - Đặt hê thống ở chế độ điều khiển bằng tay và đưa dần hệ thống tới điểm làm việc ổn định, chờ hệ thống ổn định tại điểm làm việc. - Chuyển hệ thống sang chế độ điều khiển tự động với bộ điều khiển P. - Hình 2.20. - Đối với bộ điều khiển chúng ta đã chọn là PLC S7-200 sử dụng module EM235 là Module mở rộng có chức năng chuyển đổi giá trị analog sang giá trị digital. - Bài toán đặt ra là chúng ta cần đo lường và truyền thông các thông số này về màn hình điều khiển tại trạm điều khiển và PLC để người vận hành giám sát. - Hình 2.23. - Hình 2.25. - Sơ đồ đấu dây cho EM 223 Luận văn tốt nghiệp 52 Hình 3.5 Điều khiển đầu ra của EM 223 Luận văn tốt nghiệp 53 Hình 3.6. - Điều khiển gia nhiệt buồng sứ Luận văn tốt nghiệp 55 Hình 3.8 Điều khiển gia nhiệt trục sứ biến áp Luận văn tốt nghiệp 56 Hình 3.9 Sơ đồ đấu dây bộ thu thập nhiệt độ RTD Luận văn tốt nghiệp 57 Lập trình điều khiển cho PLC S7-200 bằng phần mềm Step7- MicroWin4.0 3.2. - CHƯƠNG TRÌNH CHÍNH Thiết lập, khởi tạo thông số Modbus master Xóa hết trạng thái của vùng nhớ M ở vòng quét đầu tiên Network 4: gọi chương trình con đọc dữ liệu của các Modbus slave Luận văn tốt nghiệp 58 Chương trình con điều khiển nhiệt độ buồng sứ 1,2,3,4,5. - Chương trình con điều khiển gia nhiệt buồng sứ âm cực Chương trình con điều khiển gia nhiệt trục sứ Luận văn tốt nghiệp 59 Chương trình con điều khiển búa âm cực Chương trình con điều khiển búa rung rũ bụi Chương trình con điều khiển xả bụi Chương trình con xử lý tín hiệu nhiệt độ đo về. - THIẾT KẾ GIAO DIỆN HMI Giao diện HMI tại tủ điều khiển được thiết kế bằng phần mềm EasyBuilder Pro cho màn hình Wientek. - Luận văn tốt nghiệp 67 Luận văn tốt nghiệp 68 Chương 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Luận văn tốt nghiệp 69 Hình ảnh bộ điều khiển PLC S7-200 và các module mở rộng EM 223, EM235 tại tủ điều khiển thu bụi được lắp tại trạm vận hành hệ thống thu bụi của nhà máy. - Bộ điều khiển Màn hình điều khiển tại trạm điều khiển của nhà máy. - Màn hình HMI Tủ điện điều khiển tại trạm vận hành được thiết kế thêm đèn báo để công nhận vận hành có thể quan sát được thiết bị từ xa. - Tủ điện điều khiển Luận văn tốt nghiệp 71 Các bộ thu thập nhiệt độ 6RTD được lắp đặt trong tủ điều khiển được thể hiện trên hình 4.4 với 18 đầu vào từ các cảm biến nhiệt. - RTD Luận văn tốt nghiệp 72 BÀN LUẬN Sau 08 tháng nghiên cứu, luận văn “ Thiết kế hệ thống giám sát điều khiển hệ thống thu bụi tĩnh điện tại nhà máy Luyện đồng Lào Cai” đã đạt được những kết quả sau. - Xây dựng được giải pháp khả thi để lắp đặt hệ thống điều khiển và giám sát cho nhà máy Luyện đồng Lào Cai. - Tạo nên một bản thiết kế chi tiết từ vấn đề chọn thiết bị đến các chương trình lập trình cho các bài toán điều khiển và giám sát tại nhà máy. - Thực hiện thành công hệ thống tại trạm điều khiển thu bụi tĩnh điện của nhà máy, kết quả vận hành đạt mục tiêu đề ra, trong đó giám sát liên tục dòng điện, điện áp và nhiệt độ. - Trần Trọng Minh, Vũ Hoàng Phương ( 2014), Thiết kế điều khiển cho các bộ biến đổi điện tử công suất. - Nguyễn Doãn Phước (2009), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, NXB NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. - Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Hán Thành Trung (2008), Lý thuyết điều khiển phi tuyển, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. - Hoàng Minh Sơn, Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình (2009), NXB Bách khoa Hà Nội, Hà Nội.
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt