Tài liệu Xi mang

Mục lục Chương 1: Dây chuyền công nghệ sản xuất xi măng của xi măng VCM................2 1.1. Các công đoạn chính trong quá trình sản xuất xi măng................................2 1. Khai thác.....................................................................................................3 2. Công đoạn liệu............................................................................................3 3. Lò nung.......................................................................................................7 4. Nghiền xi măng.........................................................................................11 5. Đóng bao...................................................................................................12 Chương 2: Hệ thống điều khiển phân tán (DCS)...................................................14 nhà máy xi măng...................................................................................................14 2.1. Tại sao là DCS?..........................................................................................14 2.2. Các phương án xây dựng một hệ điều khiển phân tán................................15 2.3. Mô tả mạng DCS nhà máy xi măng VCM..................................................16 a. Cấp giám sát vận hành...............................................................................16 b. Bộ điều khiển............................................................................................18 c. Cấp trường:................................................................................................19 d. Hệ thống bus và phương thức truyền thông...............................................23 Chương 3: Tìm hiểu PLC chính S7-400 CPU 414-5H..........................................24 1. Tổng quan về PLC S7-400 CPU 414-5H.......................................................24 a. Tổng quan về S7-400.................................................................................24 b. CPU 414 – 5H...........................................................................................24 2. Phần mềm lập trình........................................................................................25 a. Tổng quan về phần mềm STEP 7..............................................................25 b. Cài đặt địa chỉ............................................................................................25 c. Sơ đồ cơ bản của một bộ điều khiển trung tâm..........................................26 Tài liệu tham khảo.................................................................................................28 1 Chương 1: Dây chuyền công nghệ sản xuất xi măng của xi măng VCM 1.1. Các công đoạn chính trong quá trình sản xuất xi măng Sản xuất xi măng bao gồm 5 công đoạn chính:  Khai thác  Công đoạn liệu  Lò nung 2  Nghiền xi măng  Đóng bao 1. Khai thác Kho chứa đá vôi và các đống nguyên liệu Đá vôi được khai thác bằng phương pháp nổ mìn tại các núi đá vôi với kích thước không quá 1,5m3 vận chuyển về kho chứa bằng xe tải, Đá sét được khai thác tại mỏ, đá sét có kích thước lớn nhất là 500mm được chuyển bằng ôtô tự đổ có tải trọng 16 - 18 tấn và đưa xuống xà lan để chuyển về cảng nhập tại nhà máy. Quặng sắt, silica được khai thác từ các vùng khác nhau, vận chuyển về và tập kết lại thành từng đống riêng biệt. 3 2. Công đoạn liệu a. Nguyên liệu Kho rải liệu Cách rải liệu Đá vôi được đập sơ bộ tới kích thước ≤ 15mm, đá sét được đập và cán tới kích thước ≤ 25mm. Đá vôi, sét và phụ gia sau khi đập sẽ được chuyển tới cầu rải đánh đống bằng hệ thống băng tải ca su. Cầu rải được thiết kế theo kiểu Chevron, rải theo nguyên tắc từng lớp một, máy sẽ rải từ đầu đống đến cuối đống giới hạn bởi các công tắc hành 4 trình. Tại cuối cầu rải có thiết bị đo chiều cao của đống, sau mỗi lần rải chiều cao của cầu rải sẽ được nâng lên. Khi chiều cao của đống đã đạt đến mức đặt trước thì cầu rải sẽ dừng hoạt động. Việc dừng hoạt động của cầu rải cần đẩm bảo liên động với các khâu đập liệu trước đó. Việc rải đống và cào đống được thực hiện trên hai đống khác nhau. Sau khi cào, liệu sẽ được chuyển qua băng tải ca su tới hệ thống cân băng định lượng. Cân băng định lượng Hệ thống cân băng định lượng cân đo các nguyên liệu cho máy nghiền nguyên liệu theo các tỷ lệ, thành phần và năng suất đặt trước, cung cấp nhiên liệu để đốt đảm bảo lưu lượng sao cho phù hợp với điều kiện trước, trong và sau lò nung,. Ngoài ra hệ thống cân băng định lượng còn cân đo các nguyên liệu như than, thạch cao… cho các máy nghiền clinker, nghiền than, máy đóng bao. Các thành phần của hệ thống cân băng:  Cảm biến trọng lượng – Loadcell.  Cảm biến tốc độ - Encoder.  Bộ điều khiển cân băng theo công suất đặt trước.  Bộ biến tần điều khiển tốc độ băng tải.  Hệ thống cơ khí băng cân.  Số lượng thành phần cân.  Máy tính giám sát, điều khiển, lưu trữ số liệu. Nguyên liệu và phụ gia qua hệ thống cân băng định lượng tự động được định đúng khối lượng theo tỉ lệ và phối trộn sơ bộ trước khi vào máy nghiền. Độ ẩm của nguyên liệu trước khi nghiền cần được đảm bảo 6-7% bằng hệ thống sấy liệu nhờ khí nóng hoàn lưu từ lò nung. Đầu ra của máy nghiền là bột bột mịn, đi tới silo lắng theo phương pháp phân ly khí động, hồi lưu các hạt thô trở lại máy nghiền. Bột liệu được chuyển đến các silo chứa nhờ gầu nâng và hệ thống máng khí động học. 5 Silo chứa bột liệu bên cạnh tháp năm tầng b. Nhiên liệu Hệ thống nghiền than Than cám được nhập về và nghiền thành bột mịn, sau đó qua hệ thống phân li khí chuyển đến két chứa. Đáy của két có băng tải vít xoắn, nhờ điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều mà lượng than cấp vào lò được chính xác và dễ dàng. Than được thổi vào là nhờ hệ thống quạt cao áp. 6 Ngoài than, dầu MFO cũng được sử dụng là nguyên liệu cho lò nung. Dầu được sử dụng trong quá trình khởi động lò, nhằm giúp lò đạt nhiệt dộ cho quá trình cháy của than, hoặc khi cần cung cấp nhiệt lượng bổ sung cho quá trình đốt. Khi nhiệt độ lò đủ cho quá trình cháy của than, than sẽ được phun vào lò và lượng dầu phun vào lò giảm dần. Dầu được bơm từ bể chứa qua hệ thống sấy trước khi qua vồi phun bơm vào lò. Sử dụng dầu làm giảm tiêu thụ nhiệt lượng so với đốt than và khói thải cũng không có tro tuy nhiên giá dầu cao hơn than nhiều nên dùng dầu không kinh tế. Gió đưa vào hệ thống có hai nhiệm vụ: thứ nhất là tạo ra áp suất trong lò, đẩy nhiên liệu vào lò và đảm bảo nhiệt độ của vòi phun tránh biến dạng do nhiệt độ cao. Cấp gió sấy nhiên liệu đảm bảm nhiệt độ của nhiên liệu, hiệu suất cháy. Thứ hai là cung cấp oxi cần thiết cho sự cháy. Nếu tỷ lệ gió không đủ, thiếu oxi sẽ khiến nhiên liệu cháy hoàn toàn, để đủ nhiệt cần nhiều nhiên liệu hơn, không đủ nhiệt, lãng phí, khí thải có nhiều CO, ảnh hưởng đến chất lượng clinker. 7 3. Lò nung Lò nung của nhà máy xi măng bao gồm hệ thống tháp 5 tầng và lò nung được thiết kế theo kiểu lò quay. Nhiên liệu để nung là bột than được phun ở áp suất cao dưới dạng mù vào từ đuôi lò và được đốt tạo thành luồng khí nóng thổi từ đuôi lò tới tháp 5 tầng. Liệu đi từ trên xuống được sấy bởi gió nóng thổi từ dưới lên, sau khi đi qua các silo đạt nhiệt độ 75-1000 độ C trước khi vào lò nung. Liệu đi vào trong lò tăng nhiệt độ và làm các phản ứng tạo thành clinker tại 1300-1450 độ C. Clinker ra khỏi lò có nhiệt độ cao được làm nguội qua hệ thống làm mát đến nhiệt độ khoảng 120 độ C. Clinker được tháo ra qua các thanh ghi và hạ nhiệt nhờ hệ thống quạt gió. 8 Hệ thống quạt gió làm nguội clinker  Các cân bằng xảy ra trong lò nung clinker o Cân bằng giữa lượng nguyên liệu cấp vào lò và lượng clinker tạo thành. o Cân bằng giữa tốc độ quay của lò và tốc độ cấp liệu. o Cân bằng giữa nhiên liệu, gió và nguyên liệu cấp vào lò. o Cân bằng giữa lượng nhiên liệu đưa vào, nhiệt tỏa ra và nhiệt thu hồi. o Cân bằng giữa gió vào và gió ra. o Cân bằng giữa nhiệt độ khí thải và lưu lượng khí làm mát.  Các mạch vòng điều khiển điển hình o Điều khiển cấp nhiên liệu. o Điều khiển gió cấp 1 vào lò. o Điều khiển lượng oxi dư trong lò. o Điều khiển cấp nguyên nhiên liệu cho canxiner. o Điều khiển áp suất đầu ra của lò. o Điều khiển áp suất sau trao đổi nhiệt.  Vấn đề chính của chiến lược điều khiển o Điều khiển quá trình hình thành clinker. 9 o Điều chỉnh quá trình cháy.  Các quá trình hóa học xảy ra trong quá trình nhiệt Nhiệt độ (0C) Các quy trình đặc trưng Loại quy trình 30-400 Sấy, bay hơi nước của nguyên liệu. Thu nhiệt 400-900 Phân hủy khoáng sét, cao lanh Thu nhiệt Al2O3 .2SiO2 .2H 2O  Al2O3 .2SiO2 Al2O3 .2SiO2  Al2O3  2SiO2 600-1000 Phân hủy đá vôi Thu nhiệt CaCO3 .MgCO3  MgO  CaO  2CO2 800-1300 Kết hợp các oxit dễ phản ứng thành khoáng clinker trung gian hoặc cuối cùng Sinh nhiệt 1300-1380 Hình thành clinker lỏng từ khoáng nhôm và sắt Thu nhiệt 1200-1500 Hình thành Alit (C3S) là thành phần chủ yếu của clinker Thu nhiệt Với tháp trao đổi nhiệt có canxiner quá trình canxi hóa xảy ra ngoài lò nung. Điều này dẫn đến giảm đáng kể tải nhiệt cho lò nung, làm giảm chiều dài lò, giảm nhiệt tiêu thụ nên yêu cầu về chất lượng nhiên liệu giảm, giảm chi phí sản xuất và vận hành lò. 10 Nhiệt độ của tháp năm tầng Khí thải từ các nhánh và buồng phân hủy liên tục được lấy mẫu, theo dõi hàm lượng O2 và CO. Để đảm bảo đủ lượng oxi dư trong khí thải hay nhiên liệu cấp vào cháy hoàn toàn. Nếu lượng oxi dư thấp thì nhiên liệu sẽ không cháy hoàn toàn, gây lãng phí và sinh ra nhiều CO làm tăng nguy cơ cháy nổ trong tháp trao đổi nhiệt do CO tác dụng với các oxit kim loại mạnh. Nếu lượng oxi dư cao thì sẽ làm giảm nhiệt lò do cấp dư khí vào lò. Điều khiển gió lò thông qua điều khiển gió cấp 1, 2, 3. 11 4. Nghiền xi măng Két chứa clinker Clinker và phụ gia ở trong các két chứa được tháo qua một hệ thống van vào các cân Đô-si-mát để đổ vào hệ thống băng tải 2 chiều để đồng nhất các thành phần. Ngoài nghiền ra xi măng thương phẩm, clinker có thể đem xuất đi bán. Máy nghiền xi măng 12 Clinker và phụ gia sau khi đồng nhất được đưa vào máy nghiền xi măng để tạo ra sản phẩm. Các thành phần trong xi măng được điều chỉnh để đạt được chất lượng xi măng yêu cầu. Máy nghiền xi măng là máy nghiền kiểu đạn bi nên cần cấp thêm bi để đảm bảo quá trình nghiền. Việc thêm bi được đo và giám qua việc phân tích phổ âm thanh thu được từ máy nghiền. Và để đảm bảo nhiệt độ xi măng trong khi nghiền, nước được phun vào dưới dạng sương mù ở áp suất cao. Xi măng ra khỏi máy nghiền được phân li để đảm bảo kích thước các hạt xi măng. Nếu hạt xi măng quá lớn sẽ được đưa trở lại máy nghiền, hạt xi măng đủ tiêu chuẩn sẽ được đưa tới các két chứa. Một phần xi măng được thu lại qua hệ thống lọc bụ tĩnh điện do kích thước quá nhỏ. 5. Đóng bao Từ 2 silo chứa, xi măng và bột phụ gia được rút ra, đi qua các hệ thống cân để pha trộn, đồng nhất trong thiết bị trộn kiểu cánh quay có trục nằm ngang. Sau khi pha trộn theo đúng tỉ lệ yêu cầu, xi măng bột được vận chuyển tới két máy đóng bao. Tại cửa két xi măng có bố trí một sàng rung nhằm loại bỏ dị vật lạ, bảo vệ cho máy đóng bao. Bao xi măng là loại bao 50kg, khâu 2 đầu. Xi măng được đóng bao bằng giấy hoặc bao bì nhựa. Xi măng được vận chuyển trên băng tải 13 Nhà máy xuất xi măng dưới 2 dạng: + Xi măng thương phẩm: Bao xi măng ra khỏi máy sẽ được làm sạch vào máng suất cho ôtô bằng hệ thống băng tải cao su phẳng và có thiết bị cấp bao di động. Xi măng được xuất khỏi nhà máy. + Xuất xi măng bột hoặc clinker lên tàu thủy, xà lan không qua đóng bao: Hệ thống xuất xi măng bột được thiết kế là loại cố định tại cảng, có khả năng cấp cho tải trọng lớn nhất là 5000. Từ silô chứa, xi măng bột được rút ra qua các cửa đáy, thông qua hệ thống máng khí động và băng tải cao su có bố trí thiết bị cân bằng để giám sát khối lượng. Clinker xuất bằng ống mềm Telescopie, tầm với của thiết bị lớn nhất là 20m để có khả năng xuất xi măng bao và clinker cho tàu trọng tải lớn trong trường hợp cần thiết. 14 Chương 2: Hệ thống điều khiển phân tán (DCS) nhà máy xi măng 2.1. Tại sao là DCS? Một quá trình sản xuất xi măng là một đối tượng điều khiển với nhiều đầu vào, đầu ra (hệ MIMO). Trong nhà máy xi măng, quá trình sản xuất chia thành các công đoạn độc lập. Mỗi công đoạn có thể là một quá trình liên tục hoặc gián đoạn. Ta có thể khởi động hoặc dừng từng công đoạn mà không làm ảnh hưởng đến các công đoạn khác. Để giải quyết bài toán điều khiển này các chiến lược điều khiển ngoài DCS có thể được đưa ra: +) Điều khiển phi tập trung: Để hệ thống điều khiển đơn giản và dễ thực hiện, chiến lược điều khiển nhiều mạch vòng được lựa chọn. Việc bỏ qua (hoặc coi là nhiễu) sự tác động chéo giữa các vòng khiến chất lượng điều khiển không cao. Dữ liệu quá trình với mỗi vòng điều khiển là độc lập, riêng rẽ mà việc tập hợp chúng lại trên các máy tính vận hành-giám sát chỉ có ý nghĩa cho vận hành-giám sát, không có ý nghĩa cho điều khiển. +) Điều khiển tập trung: Để nâng cao chất lượng điều khiển so với điều khiển nhiều vòng lặp ta chuyển sang điều khiển tập trung. Trong các hệ thống điều khiển theo phương án tập trung mọi quá trình tính toán và thực hiện chiến lược điều khiển đều được thực hiện trên một hệ xử lý trung tâm. Tuy có ưu điểm là hệ cơ sở dữ liệu tập trung, thống nhất dẫn đến việc thực hiện các thuật toán điều khiển là tập trung, thống nhất. Nhưng với các quá trình lớn và phức tạp, khối lượng tính toán lớn, các hệ xử lý có thể không đáp ứng được. Đồng thời hệ thống cũng yêu cầu các giá trị đo lường tập trung về hệ điều khiển dẫn đến khối lượng dây dẫn lớn, tăng chi phí, khó khăn trong vận hành và sửa chữa. Do đó ta sử dụng hệ thống điều khiển phân tán với các đặc điểm sau: là một hệ thống điều khiển trong đó có hệ dữ liệu quá trình thống nhất nhưng các chức năng điều khiển với chiến lược điều khiển đa biến thay vì tập trung vào một thiết bị điều khiển duy nhất, được phân chia trên nhiều thiết bị điều khiển khác nhau. Việc trao đổi thông tin 15 giữa các thiết bị điều khiển trong hệ điều khiển phân tán thường là mạng truyền thông kỹ thuật số. Ưu việt của hệ điều khiển phân tán thể hiện rõ ở những điểm sau:  Tiết kiệm được dây nối nhờ các mạng truyền thông.  Hiệu suất cũng như độ tin cậy tổng thể của hệ thống được nâng cao nhờ sự phân tán các chức năng xuống các cấp dưới.  Độ linh hoạt cao, thể hiện tính năng mở trong việc mở rộng hệ thống, thay thế thiết bị, nâng cấp và tạo mới các chương trình phần mềm ứng dụng. 2.2. Các phương án xây dựng một hệ điều khiển phân tán. Sử dụng PLC với mạng truyền thông công nghiệp: có thể sử dụng PLC để thực hiện cấu trúc điều khiển phân tán, tuy nhiên đòi hỏi kỹ sư thiết kế phải thực hiện việc xây dựng hệ cơ sở dữ liệu quá trình, phải tự thiết kế và lập trình giao thức truyền thông thời gian thực để thực hiện trao đổi dữ liệu giữa các PLC, tự đánh giá và sắp xếp thứ tự thực hiện các luật điều khiển để đảm bảo yêu cầu thời gian thực,… Một khó khăn nữa là phải lập trình cho PLC với các tác vụ điều khiển quá trình để chu kỳ thực hiện cho mỗi tác vụ là hằng số. Nói chung là khối lượng công việc sẽ rất lớn, việc thực hiện trên PLC cho các hệ thống lớn là không khả thi. Tuy chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống PLC nhỏ hơn một hệ thống điều khiển phân tán thương phẩm nhưng chi phí về phát triển ứng dụng (cả về thời gian và tài chính) của hệ PLC cho một hệ thống phức tạp lại quá lớn, các chi phí sửa chữa, xử lý sự cố, bảo trì hệ thống phần cứng, hệ thống phần mềm, cơ sở dữ liệu và các vấn đề truyền thông làm chi phí dài hạn cho hệ PLC tăng lên rất nhiều, giảm sức cạnh tranh của phương án này. Sử dụng các hệ điều khiển thương phẩm có chức năng điều khiển phân tán: các hệ thương phẩm có cấu trúc DCS được thiết kế hướng tới các ứng dụng điều khiển phân tán nên rất phù hợp khi sử dụng cho các hệ thống lớn, phức tạp và đòi hỏi độ tin cậy cao. Với các hệ thống lớn và phức tạp thì việc sử sử dụng các hệ thương phẩm rút ngắn rất nhiều thời gian thiết kế và phát triển các ứng dụng điều khiển. Các hệ thương phẩm thường có giá thành cao cho phần cứng và phần mềm nhưng lại có chi phí phát triển ứng dụng và vận hành thấp hơn so với các phương án khác. 16 Sử dụng hệ điều khiển lai: Với các ứng dụng điều khiển cỡ trung bình, quá trình điều khiển ít phức tạp thì việc sử dụng các hệ thống lai cho phép tận dụng những ưu điểm của hệ thương phẩm và hệ điều khiển PLC với chi phí đầu tư thấp hơn. 2.3. Mô tả mạng DCS nhà máy xi măng VCM. Hệ thống diều khiển DCS của nhà máy xi măng được chia thành 3 cấp: cấp trường, bộ điều khiển và cấp giám sát vận hành. a. Cấp giám sát vận hành Bao gồm các trạm vận hành, cung cấp giao diện cho người vận hành với quá trình. Cung cấp giao diện với các hình ảnh đồ họa mô tả hoạt động của toàn bộ quá trình một cách sinh động trực quan. Cấp này thể hiện ứng dụng giám sát-vận hành và thu thập số liệu. Chức năng điều khiển trong cấp cao được thực hiện bởi người vận hành hoặc máy tính điều khiển với phần mềm điều khiển cấp cao chuyên dụng như điều khiển mẻ, tối ưu quá trình,.. Phòng điều khiển tập trung thực hiện tự động hóa ở mức độ cao để kiểm soát toàn bộ hoạt động của nhà máy và cho phép điều chỉnh kịp thời các thông số, đảm bảo chất lượng sản phẩm, và xử lý các sự cố. Phòng kỹ thuật Để đảm bảo việc trao đổi thông tin phòng kỹ thuật (Engineer room) được trang bị hai server làm việc theo một hệ thống kép có cấu trúc dự phòng nóng kèm một trạm kỹ thuật. 17 Sáu trạm vận hành Trên cùng là sáu trạm vận hành OS1, OS2, OS3, OS4, OS5, OS6 (Operator Station) để điều khiển và giám sát các công đoạn như: nghiền than, nghiền đá vôi và phụ gia, chứa và vận chuyển nguyên liệu, phối liệu, cấp liệu cho lò nung, làm nguội clinker, đóng bao, trạn điện nhà máy. Hệ thống thiết kế sao cho mỗi trạm vận hành OS có thể kiểm soát và giám sát một công đoạn, tuy nhiên với cấu hình giống nhau, các trạm có thể thay thế cũng như đảm nhận thêm chức năng của nhau. Switch và fiber trans Các trạm vận hành và phòng kỹ thuật được nối tới bộ chuyển mạch (switch) qua hệ thống cáp Ethernet. Dữ liệu từ phòng kỹ thuật được chuyển đổi sang tín hiệu cáp quang (fiber trans) rồi mới truyền tới các trạm trường. 18 b. Bộ điều khiển Hình vẽ Tên thiết bị Chức năng Bộ chuyển đổi từ tín hiệu cáp quang sang tín hiệu Ethernet Chuyển đổi từ tín hiệu cáp quang sang tín hiệu Ethernet từ sever và các bộ điều khiển khác đến và ngược lại Bộ điều khiển bao Thực hiện các chức năng gồm khối giao tiếp điều khiển, thuật toán điều Ethernet Khối khiển và thu thập dữ liệu. nguồn và PLC-S7400 CPU 414-5H Bộ điều khiển nhận thông tin từ các cảm biến, xử lý thông tin đó theo một thuật toán điều chỉnh và truyền kết quả đến cơ cấu chấp hành. Bộ điều khiển thực hiện điều khiển quá trình công nghệ có thể đọc, trao đổi dữ liệu với nhau thông qua mạng truyền thông ở cấp điều khiển. Các bộ điều khiển nhận tín hiệu đầu vào và gửi tín hiệu ra thông qua hệ thống cáp quang và bộ chuyển đổi tín hiệu quang (fiber trans). Mỗi trạm trường được điều khiển bởi 1 hoặc 2 PLC S7-400 CPU 414-5H. Các trạm 2 PLC có cơ cấu dự phòng trong trường hợp khẩn cấp. PLC S7 400 được nối với thiết bị vào ra phân tán ET200M. c. Cấp trường: Các cơ cấu chấp hành và cảm biến được định địa chỉ, kết nối với bus 19 Gồm các cơ cấu chấp hành và sensor dùng để thu thập thông tin từ đối tượng điều khiển hay hiện trường sản xuất, xử lý và truyền số liệu đến các thiết bị trong hệ thống. Chúng được kết nối với bộ điều khiển qua hệ thống profibus và mô-dun vào ra phân tán ET200M. Mô-đun ET200M Cấu hình của ET200M bao gồm khối nguồn Power Supply (PS). Module giao tiếp profibus IM-153x, các module tín hiệu Signal modules (SM), module số Function modules (FM). Mỗi thiết bị vào ra ET200M được đặt tên trên sơ đồ để phân biệt chúng giữa các trạm và với nhau trong cùng một trạm. Mô-đun IM153 chuyển đổi profibus-DP sang PA và Y-link Ở các công đoạn nguy hiểm, có điều kiện khắc nghiệt cần sử dụng profibus-PA, do đó có thêm các mô-đun IM 153-2Bxx1, DP/PA link và Y link. IM 153-2Bxx không nằm trong họ các mô-dun của ET200M mà được thiết kế dành riêng cho chức năng kết nối hệ thống busfibus DP với profibus-PA và Y-link. 20