Tổng hợp hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cho Nhà máy cán thép Thái Nguyên trên nền SIMATIC PLC S7-300 và phần mềm WinCC

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.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tổng hợp hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung cho Nhà máy cán thép Thái Nguyên trên nền SIMATIC PLC S7-300 và phần mềm WinCCKim Đình Thái và ĐtgTạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ118(04): 109 - 112TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NUNGCHO NHÀ MÁY CÁN THÉP THÁI NGUYÊN TRÊN NỀNSIMATIC S7-300 VÀ PHẦN MỀM WINCCKim Đình Thái*, Bùi Tuấn AnhTrường ĐH Công nghệ thông tin và Truyền thông – ĐH Thái NguyênTÓM TẮTBài báo trình bày về một ứng dụng các module điều khiển quá trình của phần mềm STEP 7 để cảitiến hệ thống điều khiển lò nung trong nhà máy cán thép Thái Nguyên trên cơ sở hệ SIMATICPLC S7-300 sẵn có của nhà máy. Cấu trúc điều khiển đề xuất được tổng hợp bằng module PID kếthợp với các module xử lý tín hiệu của STEP 7 đảm bảo cải thiện chất lượng làm việc của hệ kín vàtiết kiệm năng lượng. Các tham số của bộ điều khiển có khả năng thay đổi linh hoạt, nhiệt độ và ápsuất 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 khiểnlò nungTrong nhà máy cán thép Thái Nguyên có khánhiều công đoạn được điều khiển thủ cônghoặc bán tự động, vì thế đã ảnh hưởng khánhiều đến hiệu quả sản xuất. Đặc biệt là côngđoạn nung phôi thép trong lò, phụ thuộc nhiềuvào kinh nghiệm của người vận hành. Nhàmáy có nhu cầu cải tiến lại hệ thống điềukhiển lò nung nói riêng và toàn bộ nhà máynói chung trên cơ sở hệ SIMATIC PLC S7300 sẵn có của nhà máy.Bài toán điều khiển nhiệt độ lò nungYêu cầu điều khiển lò nung là một bài toánlớn và phức tạp, trong khuôn khổ bài báo nàytác giả chỉ trình bày về bài toán điều khiểnnhiệt độ lò nung để từ đó tổng hợp hệ thốngđiều khiển nhiệt độ lò nung trên nềnSIMATIC S7-300 và phần mềm WinCC.Lò nung gồm 4 vùng: 1 vùng sấy, 1 vùngnung và 2 vùng đồng nhiệt. Điều khiển nhiệtđộ lò nung chính là điều khiển nhiệt độ của 4vùng nung theo trị số đặt trước đáp ứng đượccác yêu cầu công nghệ. Tại mỗi vùng nungđều bố trí các mỏ đốt, và tại mỗi mỏ đốt đềubố trí các van điều chỉnh bằng tay để điềukhiển lưu lượng dầu, lưu lượng khí nén (hóamù dầu) và lưu lượng không khí. Riêng vớitừng cụm mỏ đốt cho các vùng chỉ có một vanđiều khiển lưu lượng dầu và một van điềukhiển lưu lượng không khí. Bài toán điềukhiển nhiệt độ lò nung chính là điều khiển tựđộng các van này để nhiệt độ từng vùng ổnđịnh và duy trì theo yêu cầu đặt ra.Mô hình hóa lò nungHiện tại nhà máy cán thép Thái Nguyênđang sử dụ ng hai bộ đi ều khiển PID độclập: 1 bộ đi ều khiển van dầu và 1 bộ điềukhi ển van không khí để điều khiển nhi ệt độcho từng vùng.Qua nghiên cứu, tác giả đã thiết kế với một bộđiều khiển PID kết hợp với một bộ điều khiểntỷ 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 nungTT123*Tel:0979363545; Email: kdthai@ictu.edu.vnĐối tượngđiều khiểnVùng 1(vùng sấy)Vùng 2(vùngnung)Vùng 3, 4(vùng đồngnhiệt)Mô hình toán học từngvùng nunge −30 sGI ( 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)109Kim Đình Thái và ĐtgTạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆVì lò nung là một đối tượng có tham số biếnđổi chậm, đặc tính động học của quá trình vàcủa cảm biến nhiệt độ thường chậm hơn củathiết bị chấp hành. Phép đo nhiệt độ chậmnhưng thường ít chịu ảnh hưởng của nhiễu. Vìthế ta sẽ sử dụng luật PID để cải thiện tốc độđáp ứng, đồng thời giúp ổn định hệ thống dễdàng hơn.- 3 module đầu vào tương tự AI8x12bit :6ES7 331-7KF02-0AB0.- 3 module đầu ra tương tự: AO4x12bit: 6ES7332-5HD01-0AB0.Cấu trúc điều khiển nhiệt độ lò nungĐiều khiển nhiệt độ lò nung tức là điều khiểnnhiệt độ từng vùng lò nung. Lò có 4 vùng:vùng 1 (vùng sấy), vùng 2 (vùng nung), vùng3 và vùng 4 (vùng đồng nhiệt). Cấu trúc hệthống điều khiển nhiệt độ của vùng thứ i(i=1,2,3,4) của lò nung được biểu diễn nhưtrong hình 2.Hình 1. Sơ đồ tổng quát điều khiển nhiệt độcác vùng lò nungCBKKCác thông số bộ điều khiển đã được thiết kếvà kiểm chứng mô phỏng trên phần mềmMatlab/Simulink được biểu diễn ở bảng 2.Bảng 2. Tổng hợp thông số bộ điều khiển PIDVùngThông số bộ điều khiển PIDKG1 (s) = i e−τi sTi s +1U (s)KK PID ( s ) == KP + I + KDsE (s)sVùng sấyK P=2.1532K I=0.019265KD=13.7372Vùng nungK P=1.3675K I=0.009626KD=11.2655K P=1.9247K I=0.014365KD=26.6505K P=1.9247K I=0.014365KD=26.6505Vùng đồng nhiệt(trái)Vùng đồng nhiệt(phải)Kết quả này là cơ sở để thiết kế phần mềmđiều khiển và phần cứng bổ sung để tích hợphệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung vào hệSimatic S7-300 có sẵn của nhà máy.Việc tổng hợp hệ thống điều khiển và giámsát lò nung được trình bày sau đây.TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘLÒ NUNG BẰNG PLC S7-300Cấu hình phần cứngCấu hình hệ thống điều khiển được chọn trêncơ sở bài toán điều khiển đã đặt ra, các thiếtbị đo và thiết ...