Nghiên cứu hệ thống điều khiển và giám sát cán thép trong Công ty cán thép Thái Nguyên

Bùi Tuấn Anh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 128(14): 11 - 15 11 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT CÁN THÉP TRONG CÔNG TY CÁN THÉP THÁI NGUYÊN Bùi Tuấn Anh*, Nguyễn Thị Thu Hiền Trường Đại học Công nghệ Thông tin & Truyền thông – ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Đối với các nhà máy cán thép Thái Nguyên hiện nay đã được xây dựng từ những năm 2002, với công nghệ Danieli- Italia khá hiện đại lúc bấy giờ. Tuy nhiên qua khảo sát tìm hiểu, thì hiện tại khu vực cán cán thép của nhà máy cán thép đang sử dụng các bộ PLC S7-400 và các module mở rộng để điều khiển và giám sát khu vực cán thép. Vì thế trong bài báo này chúng tôi sẽ ứng dụng các module có sẵn của nhà máy rồi từ đó đưa ra các giải pháp điều khiển và giám sát HMI trên nền Simatic S7-400 và WinCC. Từ khóa: SCADA, thuật toán điều khiển,Looper, PLC S7-400 ĐẶT VẤN ĐỀ* Thiết kế hệ thống tự động hóa và điều khiển cho nhà máy Cán thép Thái Nguyên là một bài toán lớn và phức tạp. Trong nhà máy cán thép Thái Nguyên ở khu vực cán thép được xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát SCADA để thợ vận hành dễ dàng giám sát và điều khiển dây truyền từ xa. Trạm điều khiển khu vực giá cán có rất nhiều chức năng như: điều khiển tốc độ cán, điều khiển lực căng giữa các giá cán, điều khiển khe hở giữa hai trục cán, điều khiển máy cắt, đếm, đóng bó và tạo cuộn. Để chất lượng cán thép tốt thì việc điều chỉnh đồng tốc độ giữa các động cơ cán là bài toán khó khăn. Tác dụng của việc điều chỉnh tốc độ và lực căng của các giá cán là để cho quá trình cán thép không phải là cán đẩy hay cán kéo mà là quá trình cán tự do. Dây chuyền cán của công ty thép Thái Nguyên là dây chuyền cán nóng liên tục, có yêu cầu điều chỉnh ở vùng rộng và sức căng phải đảm bảo không đổi với độ chính xác cao. Trong bài báo này tác giả đi sâu vào việc nghiên cứu tại vị trí giữa hai giá cán #12 và #13 thép được tạo trùng với độ trùng yêu cầu là 20cm (h=20cm). Nhằm đáp ứng yêu cầu trên, ta áp dụng hệ thống truyền động điều chỉnh đồng bộ tốc độ và sức căng bằng điều chỉnh điện áp phần ứng, dùng nguồn cung cấp riêng để trang bị cho động cơ truyền động giá cán 12. * Tel: 01692 478758, Email: btanh@ictu.edu.vn PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Ta có sơ đồ nguyên lý đồng bộ tốc độ và lực căng qua khảo sát nhà máy có sơ đồ như sau: Hình 1. Sơ đồ nguyên lý đồng bộ tốc độ và lực căng Ta coi từ thông bằng hằng số lúc này hệ truyền động có ba mạch vòng tham gia. Mạch vòng dòng điện, mạch vòng ổn định tốc độ và mạch vòng ổn định lực căng. Ta thấy rằng nếu có sự sai lệch về tốc độ thì nhờ khâu đo độ dài PL để điều chỉnh lại tốc độ để đảm bảo vn” = vn+1’. Trong đó vn” : là tốc độ phôi thép ra giá cán n. vn+1’ : là tốc độ phôi thép giá cán số n+1. Từ sơ đồ nguyên lý ta có sơ đồ cấu trúc như sau: Hình 2. Sơ đồ cấu trúc đồng bộ tốc độ và lực căng Bùi Tuấn Anh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 128(14): 11 - 15 12 Trong đó khối 1 là bộ điều chỉnh tốc độ, khối 2 là bộ điều chỉnh dòng điện. Khối 3,4,5 là hàm truyền của bộ biến đổi và động cơ điện một chiều. Khối 6 là khối quan hệ tốc độ và chiều dài vật liệu (khối tích phân). Từ độ dài của vật liệu, căn cứ vào khoản cách giữa hai giá cán ta sẽ tìm được độ trùng của thép thông qua khối 7. Độ cao H được sẽ được sensor quang chuyển đổi thành tín hiệu điện áp thông qua khối 8. Tín hiệu ra từ khối 8 sẽ được so sánh với điện áp đặt và sai lệch đưa về bộ điều chỉnh lực căng. Trong quá trình làm việc, phôi thép phải đảm bảo chế độ cán tự do. Vì vậy phôi đi qua giữa hai giá luôn phải có một độ trùng nhất định. Qua khảo sát hệ thống truyền động điện tại giá cán số 12. Và sử dụng các phương pháp tổng hợp hệ thống. Sử dụng chương trình mô phỏng Matlap Simulation ta kiểm tra như sau: Ta phát các tín hiệu nhiễu vào hệ thống ở những vị trí: độ cao, độ dài và ta đưa tốc độ của giá cán sau vào (#13) và quan sát sự thay đổi của hệ thống. Để làm được việc đó, ta xây dựng ba hệ thống, trong đó một hệ thống làm chuẩn, hai hệ thống còn lại ta sẽ giảm tín hiệu nhiễu của một hệ thống và tăng tín hiệu ở hệ thống còn lại. Ta đưa đặc tính độ dài, độ cao, tốc độ, dòng điện của cả ba hệ thống ra scope để quan sát sự thay đổi của hệ thống trong quá trình quá độ. Hình 3. Sơ đồ khối đồng bộ tốc độ và lực căng Với thông số của đối tượng và thông số của bộ điều khiển như trên. Ta mô phỏng được đặc tính động của hệ thống khi có sự thay đổi tốc độ của giá cán số 13. Nhận xét : Qua việc khảo sát chất lượng hệ thống khi giá cán số 13 thay đổi thì việc đồng bộ tốc độ và lực căng tại giá cán số 12 đảm bảo chất lượng tĩnh và động với Như vậy độ cao của phôi thép ổn định ở chế độ đặt với thời gian trễ (0,5s) và độ quá điều chỉnh (3,24% < 10%) thỏa mãn yêu cầu công nghệ cán thép tại giá cán số 12. Hình 4: Đặc tính tốc độ khi có sự thay đổi tốc độ của giá cán #13 Hình 5: Đặc tính độ cao (H) khi có sự thay đổi tốc độ của giá cán #13 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TẠI KHU VỰC CÁN THÉP CỦA NHÀ MÁY Cấu hình phần cứng Bài toán điều khiển hệ thống cán thép bao gồm bài toán điều khiển dòng điện, điều khiển tốc độ trục cán và điều khiển lực căng. Thiết bị đo tốc độ là máy phát tốc, thiết bị đo lực căng, thiết bị đo dòng điện. Do vậy tổng cộng là có 3 đầu vào số và 3 đầu ra tương tự tại một giá cán. Căn cứ trên bài toán điều khiển đã đặt ra và số lượng đầu vào, đầu ra (gồm các thiết bị đo, thiết bị chấp hành) ta lựa chọn cấu hình phần cứng của hệ thống điều khiển. Các đầu vào tương tự Tín hiệu các đầu vào tương tự là tín hiệu các thiết bị đo của các vùng, bao gồm: Thiết bị đo dòng điện, tốc độ và lực căng. Các thiết bị đo này đều được chuyển đổi thành tín hiệu điện áp chuẩn 0-10V để đưa tới các module tương tự AI. Các đầu ra tương tự Các đầu ra tương tự trong bài toán điều khiển ở đây chính là các triết áp để điều khiển góc mở  cho bộ biến đổi để thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ. Thiết bị lập trình Thiết bị lập trình được sử dụng ở đây là máy tính PC có thể cài đặt được 2 phần mềm được Bùi Tuấn Anh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 128(14): 11 - 15 13 sử dụng là hai phần mềm mới nhất hiện nay của hãng Siemen: Phần mềm Step7 v5.5 và phần mềm WinCC 7.0 Thiết bị ghép nối truyền thông Để có thể kết nối trạm PLC với máy tính PC thì cần phải có thiết bị ghép nối truyền thông. Các thiết bị ghép nối truyền thông được sử dụng là: - Một cáp truyền thông theo giao thức MPI. - Một Card CP5611 (32 bit) để kết nối PC với PLC S7-400 thông qua giao thức MPI. Cấu trúc điều khiển hệ thống đồng bộ tốc độ và lực căng tại giá cán số 12. Cấu trúc hệ thống điều khiển đồng bộ tốc độ và lực căng tại giá cán số 12 như sau: Hình 7. Cấu trúc hệ thống điều khiển giá cán số 12Hệ thống điều khiển lực căng của giá cán số 12 sử dụng 2 bộ điều khiển nối cấp như hình 7. Hệ thống sử dụng hai bộ điều khiển tốc độ R dùng để ổn định tốc độ giá cán và RI là bộ điều khiển dòng điện để ổn định dòng điện. Đầu ra là chính là góc điều khiển  của mạch phát xung dùng để thay đổi điện áp đặt vào phần ứng của động cơ điện một chiều giá cán số 12. Bộ điều khiển RT có nhiệm vụ là ổn định điện áp lực căng theo giá trị đặt lực căng và bù tốc độ động cơ giá cán số 12. Thiết kế chương trình điều khiển trên nền STEP 7 Chương trình điều khiển hệ thống cán bao gồm việc đọc các tín hiệu đầu vào tương tự từ các cảm biến dòng điện được lấy thông qua máy biến dòng, máy phát tốc và Looper để đầu ra là tốc độ quay của giá cán số 12 đạt yêu cầu công nghệ. Điều khiển đồng bộ tốc độ và lực căng là điều khiển giá trị lực căng theo tín hiệu đặt tức là điều khiển tốc độ động cơ ổn định ở giá trị lực căng ở giá trị đặt đó. Để viết chương trình điều khiển trước hết cần xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển đồng bộ tốc độ động cơ và lực căng. Thuật toán điều khiển đồng bộ tốc độ và lực căng Toàn bộ chương trình được viết trong OB35. Thời gian trích mẫu T (mặc định T=100ms) có thể thay đổi được bằng cách vào phần mềm Step7. Thuật toán điều khiển lực căng tại giá cán số 12 được thực hiện tuần tự. Từ việc xử lý tín hiệu đo để đưa ra tín hiệu quá trình, sau đó tín hiệu quá trình được tính toán điều khiển để đưa ra tín hiệu bù điện áp đặt vào bộ điều khiển tốc độ. Từ giá trị đặt và độ võng của cây thép theo thực tế mà Looper xác định được, chương trình sẽ tính toán lượng sai lệch giữa hai giá trị trên đó tham gia vào khống chế tốc độ động cơ tăng hay giảm để giữ cho độ võng của cây thép luôn trong khoảng giá trị đặt nhờ khối FB 41, để đảm bảo chế độ cán tự do giữa hai giá cán. Từ giá trị đặt tốc độ và lượng bù điện áp của đầu ra lực căng và trừ đi điện áp phản hồi của máy phát tốc về chương trình sẽ tính toán lượng sai lệch giữa hai giá trị trên đó tham gia vào khống chế tốc độ động cơ tăng hay giảm để giữ cho tốc độ động cơ luôn trong khoảng giá trị đặt. Từ giá trị đặt tốc độ và lượng bù điện áp của đầu ra lực căng và trừ đi điện áp phản hồi của máy phát tốc về chương trình sẽ tính toán lượng sai lệch giữa hai giá trị trên đó tham gia vào khống chế dòng điện động cơ tăng hay giảm để giữ cho dòng điện động cơ luôn trong khoảng giá trị đặt. THIẾT KẾ GIAO DIỆN GIÁM SÁT Yêu cầu thiết kế Thiết kế giao diện HMI để điều khiển giá cán số 12 và số 13, phần giám sát và phần cảnh báo. Về phần điều khiển phải đặt được độ trùng để đảm bảo cán tự do giữa hai giá cán đặt được các tham số bộ điều khiển PID của lực căng, tốc độ và dòng điện giữa hai giá cán Bùi Tuấn Anh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 128(14): 11 - 15 14 Về phần giám sát phải thể hiện được lực tốc độ và dòng điện giữa hai giá cán và biểu diễn bằng đồ thị và bằng số. Về cảnh báo phải cảnh báo được tình trạng thiết bị (lỗi hay không lỗi) Thiết kế giao diện HMI Từ yêu cầu về thiết kế giao diện HMI để điều khiển và giám sát hệ thống cán ở trên, ta đi vào việc thiết kế giao diện. Giao diện thiết kế gồm các trang màn hình chính như sau: Màn hình tổng quan khu vực cán, 3 màn hình điều khiển và giám sát cho bộ điều khiển lực căng, bộ điều khiển tốc độ, và bộ điều khiển dòng điện. Và các màn hình con như sau: Bargraph, Looper, Trend, Print,Help. Hình 8. Giao diện tổng quan khu vực cán Hình 9. Cài đặt tham số PID lực căng KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC Bước cuối cùng của việc thiết kế hệ thống tự động hóa là cài đặt phần mềm, lắp đặt hệ thống và đánh giá kết quả. Hình 10. Kết quả chạy thử nghiệm Hình 11. Giao diện theo dõi lực căng tại giá cán số 12 Hình 12. Giao diện theo dõi tốc độ tại giá cán số 12 KẾT LUẬN Như vậy chúng ta đã nghiên cứu và thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát hệ thống điều khiển cán thép Hệ thống điều khiển được lựa chọn ở đây là hệ Simatic S7-400 của hãng Siemen. Phần mềm được sử dụng để thiết kế giao diện giám sát là phần mềm WinCC 7.0 sp2. Sau khi thiết kế phần mềm điều khiển, thiết kế phần mềm giám sát hệ thống điều khiển cán thép, chúng ta đấu nối các thiết bị cần thiết vào hệ thống điều khiển, cài đặt các Bùi Tuấn Anh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 128(14): 11 - 15 15 tham số bộ điều khiển PID và download chương trình lên bộ PLC S7-400kết quả mô phỏng cho thấy thiết kế đưa ra là thích hợp. Tuy nhiên kết quả vẫn chưa được kiểm chứng trên hệ thống cán thực tế. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Bùi Quốc Khánh, Phạm Quốc Hải, Nguyễn Văn Liễn, Dương Văn Nghi (2008) Điều chỉnh tự động truyền động điện, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. 2. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn (2007), Cơ sở truyền động điện, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. 3. Hoàng Minh Sơn (2006), Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình, Nhà xuất bản Bách khoa Hà Nội. 4. Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Vũ Văn Hà (2000), Tự động hóa với Simatic PLC S7-300, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật (năm 2000). 5. Nguyễn Văn Hòa (2001), Cơ sở lý thuyết điều khiển tự động, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật. 6. Nguyễn Thương Ngô (1998), Lý thuyết điều khiển tự động hiện đại, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. SUMMARY CONTROL SYSTEM RESEARCH AND MONITORING IN STEEL COMPANY OFFICERS AND PERSONNEL Nguyen Thi Thu Hien*, Bui Tuan Anh College of Information and Communication Technology - TNU In the Thai Nguyen steel mill now was construction in 2002, with Danieli- Italian technology quite modern at the time. But the survey to find out, the current area of the steel rolling steel mill is using the PLC S7-400 and expansion modules to control and monitor the steel sector. So in this article we will apply the module is available from the factory and offer solutions that control and monitoring based on Simatic HMI and WinCC S7-400. Key words: SCADA, control algorithms, Looper, PLC S7-400 Ngày nhận bài:01/10/2014; Ngày phản biện:15/10/2014; Ngày duyệt đăng: 25/11/2014 Phản biện khoa học: TS. Đỗ Trung Hải – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiêp - ĐHTN * Tel: 01692 478758, Email: btanh@ictu.edu.vn