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

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