Giáo trình điều khiển và khống chế lò tạo khí
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (927.64 KB, 49 trang )
Điều khiển và khống chế lò tạo khí
--------------------------------------------------------------------------------------------
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
Chương I : tìm hiểu quá trình công nghệ lò tạo khí
I_1: Sơ lược về công nghệ sản xuất phân đạm .
Quá trình sản xuất phân đạm tại nhà máy phân đạm và hoá chất Hà Bắc được
vẽ trên hình I_1 . Trải qua rất nhiều công đoạn phức tạp , nhưng có thể chia ra
thành các khâu chính sau :
Than , không khí và hơi nước được đưa vào tạo khí . Tại lò tạo khí có các phản
ứng hóa học phức tạp để tạo ra khí than . Khí than khi ra khỏi lò tạo khí có thành
phần gồm nhiều loại khí khác nhau như : CO,CO2,N2,NH4,H2S (thànhphần của
khí than phụ thuộc chủ yếu vào nhiên liệu sản xuất khí than) . Khí than sau khi sinh
ra ở lò tạo khí được đưa vào các khâu tinh chế để tách ra các sản phẩm như :
N2,H2,CO,CO2 Sau đó N2 và H2 được đưa vào khâu hợp thành để sản xuất
amoniac(NH3) ,còn CO,CO2 được đưa vào khâu sản xuất CO . Cuối cùng NH3 và
CO sinh ra được đưa vào khâu sản xuất đạm để tạo ra đạm là NH2-CO-NH2 .
Từ quá trình tổng thể để sản xuất phân đạm ta thấy là tạo khí là một khâu rất
quan trọng trong cả dây chuyền sản xuất phân đạm . Khí than sinh ra ở lò tạo khí là
nguyên liệu đưa vào các khâu tiếp theo do đó thành phần khí than tạo ra ở lò tạo khí
sẽ quyết định chất lượng sản phẩm và hiệu xuất sản xuất của cả quá trình sản xuất
phân đạm của nhà máy .
I_2: Quá trình khí hoá than và những ảnh hưởng của nhiên liệu tới quá
trình khí hoá .
1. quá trình khí hoá than .
quá trình khí hoá than được tiến hành trong lò khí hoá than (gọi là lò tạo khí) .
Lò này là lò đứng do Trung Quốc lắp đặt từ những năm 70 , bao gồm các bộ phận
sau :
1 : Bộ phận nạp than
2 : Chuông chắn
3 : Zôn sấy
4 : Zôn chưng khô
------------------------------------------------------------------------------------------T.g: Phan Việt Cường
3
Điều khiển và khống chế lò tạo khí
-------------------------------------------------------------------------------------------5 : Zôn khử
6 : Zôn ôxy hóa
7 : Khu vực xỉ
8 : Mũi gió
I : Đường gió vào
II : Đường khí ra
III : Đường nhiên liệu
Phía trên lò là bộ phận nạp than vào , phía dưới có các bộ phận chứa nước để
thải tro xỉ và thực hiện sự khí hoá than . Tác nhân khí hoá như không khí và hơi
nước quá nhiệt có thể đi qua mũi gió ở phía dưới , còn nhiên liệu dạng khí tạo thành
lúc đó sẽ theo đường ống phía trên đi ra ngoài . Theo chiều từ trên xuống : nhiên
liệu rắn (ở đây là than Antraxit Hòn Gai) lần lượt được sấy khô , khử , oxy hoá và
cuối cùng tạo thành xỉ than . Và do đó cũng theo chiều cao người ta phân lò khí hoá
than thành các zôn : sấy , chưng khô , khử , oxy hoá và xỉ . Ta có thể gộp zôn sấy
và zôn chưng khô gọi là zôn chuẩn bị , còn zôn khử và zôn oxy hoá gọi là zôn khí
hoá . Sự phân bố các zôn được mô tả bằng hình vẽ I_2 .
2. Nguyên lý của quá trình khí hoá than .
Dòng khí từ dưới lên qua zôn chuẩn bị làm cho nhiên liệu được đốt nóng lên
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
và hơi nước trong đó được tách ra . Khi đốt nóng khoảng 250 á 350oC nhiên liệu
được chưng khô , tại đây các sản phẩm dạng khí và hơi nước tạo thành oxit cacbon
(CO) , hiđro(H2) , cacbua hiđro nặng (chủ yếu là êtylen) , hiđrosunfua (H2S) ,
amoniac(NH3) , nhựa than . Nhiên liệu càng nhiều chất bốc thì sản phẩm chưng khô
càng nhiều . Thành phần của sản phẩm chưng khô phụ thuộc vào loại nhiên liệu và
dao động trong khoảng rộng . Sản phẩm chưng khô càng nhiều thì chất liệu khí
than càng tăng .
Sau khi tách chất bốc hoàn toàn , nhiên liệu ở dạng cốc . Than cốc này được
nung đỏ đi vào zôn khí hoá . Tại zôn này , phản ứng hoá học phức tạp xảy ra giữa
cốc nung đỏ và các tác nhân khí hoá như không khí và nước . Ví dụ nếu cho tác
nhân khí hoá than theo đường từ dưới lên trên thì không khí sẽ tác dụng với than
cốc tạo thành khí cacbonic (CO2) , đồng thời hơi nước cũng tác dụng với cacbon để
tạo thành cacbonic và hiđro .
Những khí CO và H2 tạo nên lại tiếp tục cháy để tạo ra khía CO2 và H2O vì
môi trường khí tồn tại ở dạng oxy hoá . Càng lên phía trên lượng khí oxy càng
4
------------------------------------------------------------------------------------------T.g: Phan Việt Cường
Điều khiển và khống chế lò tạo khí
-------------------------------------------------------------------------------------------giảm, môi trường của dòng khí không còn oxy . Chính vì thế theo chiều cao hàm
lượng CO và H2O tác dụng với cacbon nung đỏ tạo ra CO và H2 . Như vậy ở zôn
khử hàm lượng CO và H2 khá cao . Các phản ứng oxy hoá đều toả nhiệt , nhiệt này
sẽ cung cấp cho phản ứng khử và đốt nóng cốc .
Nhiên liệu càng ẩm càng chứa nhiều chất bốc thì thời gian nhiên liệu lưu lại ở
zôn khí hoá càng lâu . Nghĩa là tốc độ phản ứng trong zôn khử phụ thuộc rất nhiều
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
vào mức độ chuẩn bị nhiên liệu . ở đây cần phải duy trì nhiệt độ ở zôn khí hoá
khoảng 1000oC vì ở nhiệt độ này hầu hết khí CO2 đều bị khử thành oxitcacbon
(CO) . Nhiệt độ càng cao phản ứng khử tiến hành càng thuận lợi . Như vậy khí than
nhận được là do sản phẩm các phản ứng xảy ra ở zôn khí hoá và các khí nhận được
từ zôn chưng khô . Thành phần của khí than khi ra khỏi zôn khí hoá cũng có sự
thay đổi . Một số khí CO và H2 có tham ,/gia phản ứng tạo ra các sản phẩm ở dạng
lỏng và CH4 .
Trong các phản ứng có phản ứng thu nhiệt và phản ứng toả nhiệt , song nếu
yêu cầu sản xuất NH3 thì khí tạo ra phải có yêu cầu về tỷ lệ như sau :
( CO + H2 ) : N2 = 3 : 1
Do vậy phản ứng oxy hoá (toả nhiệt) và phản ứng khử (thu nhệt) là không cân
đối . Để đáp ứng nhu cầu trên người ta sử dụng hai giải pháp sau đây :
- Dùng không khí giàu oxy và hơi nước đi vào lò khí hoá than . Lượng oxy
giàu sao cho nhiệt toả ra bằng nhiệt thu vào của phản ứng :
H2O + C .
- Dùng phương pháp chế khí gián đoạn theo chu khỳ 5 bước (hiện nay nhà
máy phân đạm và hoá chất Hà Bắc đang sử dụng phương pháp này) .
Trong đó giữa các giai đoạn chế khí than ẩm có giai đoạn thổi gió làm
tăng nhiệt độ cho tầng nhiên liệu .
3. Những ảnh hưởng của nhiên liệu tới quá trình khí hoá .
3.1 Độ ẩm của nhiên liệu .
Nếu độ ẩm của nhiên liệu cao thì chẳng những tiêu tốn nhiệt vào quá trình bốc
hơi ẩm và đốt nóng hơi ẩm đến nhiệt độ khí làm giảm chất lượng khí than . Điều đó
dẫn đến phải tổ chức lớp nhiên liệu có chiều cao thích hợp hoặc thay đổi chế độ khí
hoá .
3.2 ảnh hưởng của nhựa than .
------------------------------------------------------------------------------------------T.g: Phan Việt Cường
5
Điều khiển và khống chế lò tạo khí
-------------------------------------------------------------------------------------------Nhựa than tồn tại ở dạng lỏng hoặc hơi và có ảnh hưởng đến chất lượng khí
than ở những mức độ khác nhau . Vì nhiệt sinh ra của nhựa than khá cao (tới
31400KJ/KG) , vì vậy nếu nó nằm ở dạng hơi thì chất lượng khí than tăng lên nhiều
.Nếu có một điều kiện nào đó (độ ẩm hoặc chiều cao lớp than không được tổ chức
hợp lý) thì than tách ra ở dạng lỏng . Trong trường hợp này chất lượng giảm xuống
và quá trình khí hoá than gặp nhiều khó khăn vì do nhựa than tách ra trong lò là kết
dính các lớp nhiên liệu . Nếu nhựa than tách ra ở đường ống dẫn sẽ gây ách tắc tại
đó . Đặc biệt với van ba ngả nếu bị kẹt , tắc thì rất nguy hiểm . Chính vì vậy phải có
thiết bị tách nhựa than ra khỏi khí than .
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
3.3 ảnh hưởng của tro xỉ .
ở vùng dưới lò tro xỉ có thể nóng đỏ vì nhiệt độ mà nó tiếp xúc khá cao . Nếu
nhiệt độ nóng chảy của xỉ than thấp thì nó sẽ kết dính thành mảng lớn làm cản trở
quá trình khí hoá và lò bị bịt kín một phần hay hầu hết . Lúc đó gió sẽ tập trung đi
vào những vùng chưa bị kết dính xỉ . Điều này dẫn đến tác nhân hóa vượt quá năng
lượng bình thường ở vùng này dẫn đến hàm lượng CO2 và N2 của khí than tăng lên .
Nếu quá trình tiếp diễn lâu thì nhiệt độ tại vùng đó sẽ tăng do kết quả của phản ứng
toả nhiệt , làm cho nhiệt độ xỉ tiếp tục tăng dẫn đến tê liệt quá trình khí hoá than và
kéo theo làm giảm nghiêm trọng chất lượng khí than . Ngoài ra để phá xỉ phải tốn
nhiều năng lượng cho ghi quay phá xỉ . Để hạn chế hiện tượng kết tảng ta phải tối
ưu hoá vùng khí hoá than , điều chỉnh nhiệt độ và mực nước vỏ két thích hợp chống
lại sự kết dính khi cần thiết.
3.4 ảnh hưởng của sản phẩm chưng khô .
Tùy từng loại nhiên liệu mà sản lượng , sản phẩm chưng khô thu được ở mức
độ khác nhau . Nếu sản phẩm chưng khô càng cao chất lượngkhí than càng tăng .
3.5 ảnh hưởng của kích thước và hạt cốc .
Kích thước hạt than và hạt cốc đóng vai trò đáng kể trong quá trình khí hoá
than , nếu kích thước hạt nhỏ thì tổng diện tích tiếp xúc bề mặt của chúng với tác
nhân khí hoá tăng lên , tốc độ phản ứng tăng . Tuy nhiên nếu kích thước hạt quá
nhỏ hoặc độ bền cơ học kém dẫn đến vỡ vụn thì sức cản thuỷ lực tăng , dễ gây bí
tắc lò cản trở quá trình khí hoá . Bởi vậy ta phải chọn than , tuyển chọn kích thước
hợp lý .
------------------------------------------------------------------------------------------T.g: Phan Việt Cường
6
Điều khiển và khống chế lò tạo khí
-------------------------------------------------------------------------------------------I_3: Công nghệ sản xuất khí than tại lò tạo khí của công ty phân đạm và hoá
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
chất Hà Bắc .
1. Hệ thống thiết bị .
Hệ thống thiết bị chính của quá trình chế tạo khí than của lò tạo khí được xây
dựng như hình I_3 . Với một công đoạn bao gồm :
- Lò khí hoá than .
- Lò đốt .
- Lò hơi nhiệt thừa .
- ống khói .
- Một hệ thống dẫn hơi nước quá nhiệt (0,8at) .
Không khí có áp xuất P = 2000mmH2O và hỗn hợp của chúng cũng như các
ống dẫn khí than nối giữa 5 bộ phận kể trên với nhau đến túi rửa phong rồi đến két
khí . Quá trình điều khiển chế khí thực hiện qua 5 giai đoạn do hệ thống điều khiển
(cơ khí thuỷ lực với hệ thống dầu cao áp) đảm nhiệm . Hệ thống điều khiển có
nhiệm vụ điều khiển hệ thống cao áp (hoặc nước cao áp) đóng mở van công nghệ
theo chương trình .
2. Công nghệ chế khí than ẩm .
Khí than ẩm dùng làm khí nguyên liệu tổng hợp amoniac (NH3) . Quá trình
chế khí đòi hỏi rất nhiều yêu cầu về cân bằng nhiệt giữa phản ứng thu nhiệt và phản
ứng toả nhiệt (như đã nói ở trên) . Chính vì vậy để đáp ứng các yêu cầu đó quá trình
chế khí than được chia thành 5 giai đoạn sau :
- Giai đoạn thổi gió .
- Giai đoạn thổi lên chế khí lần 1 .
- Giai đoạn thổi xuống .
- Giai đoạn thổi lên lần 2 .
- Giai đoạn thổi sạch .
2.1 Giai đoạn thổi gió .
Như ta đã nói ở trên , theo yêu cầu sản xuất amoniac NH3 thì khí tạo ra phải có
tỷ lệ (CO + H2) : N2 = 3 : 1 nên tỷ lệ phản ứng toả nhiệt và thu nhiệt trong quá trình
khí hoá không cân bằng . Điều này dẫn đến phải có một giai đoạn chế khí than khô
nhằm tăng nhiệt độ cho tầng nhiên liệu .
------------------------------------------------------------------------------------------T.g: Phan Việt Cường
7
Điều khiển và khống chế lò tạo khí
-------------------------------------------------------------------------------------------Trong giai đoạn này không khí được đưa vào đáy lò thông qua tầng than . Khí
than khô được đưa ra ở đỉnh lò , qua lò đốt , lò hơi nhiệt thừa rồi phóng ra không
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
khí qua ống khói . ở giai đoạn này chỉ có van không khí được mở , còn van hơi
nước vẫn đóng .
2.2 Giai đoạn thổi lên chế khí lần 1 .
Hỗn hợp không khí và hơi nước quá nhiệt được đưa vào đáy lò như là một tác
nhân khí hoá . Hỗn hợp khí than được đưa ra ở đỉnh lò , qua lò đốt hơi nhiệt thừa ,
túi rửa thuỷ phong rồi ra két khí . Trong giai đoạn này nhiệt độ ở zôn khí hoá giảm
đi , khí than tạo ra là hỗn hợp của khí than khô và khí than ẩm . ở giai đoạn này tại
zôn khí hoá xảy ra các phản ứng sau :
C + O2 = CO2
2C + O2 = 2CO
H2O + C = CO + H2
Môi trường khí bao quanh cục than còn dư O2 nên phản ứng tiếp tục xảy ra để
tạo ra CO và H2 . Càng lên cao nồng độ CO2 và CO càng tăng nhưng nồng độ O2
càng giảm . ở cuối zôn khí hoá môi trường khí quyển chuyển dần sang dạng khử ,
nồng độ oxy trở nên vô cùng nhỏ , nồng độ CO , CO2 tăng vọt lên , trong zôn khử
CO2 và H2O lại bị khử thành CO và H2 .
Hơi nước quá nhiệt vào zôn oxy hoá sẽ làm giảm nhiệt độ của zôn này vì phản
ứng thu nhiệt . Trong dòng khí có hiện tượng cháy CO và H2 nên bề mặt nhiên liệu
thấp hơn hẳn so với nhiệt độ dòng khí , điều đó ngăn trở việc tạo dạng xỉ , dẫn đến
quá trình khí hoá lưu thông dễ dàng và đều đặn hơn .
2.3 Giai đoạn thổi xuống chế khí .
Trong giai đoạn này hỗn hợp hơi nước và không khí được đưa qua lò đốt
(nhằm đốt nóng khí) rồi được đưa sang lò khí hoá theo chiều từ dỉnh lò đến đáy lò .
Tại đây tác nhân khí hoá (không khí và hơi nước quá nhiệt) sẽ phản ứng với nhiên
liệu làm phát sinh khí than , khí than này được đưa ra ở đáy lò , qua van 3 ngả vào
túi rửa , tháp rửa và két khí . Các phản ứng xảy ra cũng tương tự như ở giai đoạn
thổi lên chế khí lần 1 .
2.4 Giai đoạn thổi lên chế khí lần 2 .
Giai đoạn này tương tự như giai đoạn thổi lên chế khí lần 1 .
2.5 Giai đoạn thổi sạch .
------------------------------------------------------------------------------------------T.g: Phan Việt Cường
8
Điều khiển và khống chế lò tạo khí
-------------------------------------------------------------------------------------------Giống như giai đoạn thổi gió nhưng ở đây khí than khô được đưa về két khí ,
mục đích nhằm thu hồi khí than và tăng lượng khí N2 trong khí than . Thổi sạch các
khí than còn dư trong các lò , chuẩn bị cho chu kỳ tiếp theo .
5 giai đoạn công nghệ kể trên được thực hiện trong một chu kỳ chế khí , hết
chu kỳ này sẽ thực hiện chu kỳ tiếp theo như cũ . Mỗi chu kỳ được thực hiện trong
vòng xấp xỉ 180 giây .
3. Hệ thống điều khiển van công nghệ của lò tạo khí .
Để thực hiện các giai đoạn công nghệ kể trên và lặp lại theo từng chu kỳ ở đây
sử dụng hệ thống dầu cao áp để đóng mở các van công nghệ . Nguyên lý hoạt động
đóng mở van công nghệ được mô tả tóm tắt trên hình vẽ I_4 .
Tại các van công nghệ được bố trí các xylanh pittôn để điều khiển đóng mở .
Các xylanh này có thể được điều khiển bằng dầu cao áp . Khi đóng mở các van
công nghệ hệ thống điều khiển sẽ điều khiển dầu cao áp tác dụng vào mặt trái hoặc
mặt phải của pittôn làm cho pittôn dịch chuyển kéo theo cần đóng mở của van công
nghệ . Hệ thống dầu cao áp được thực hiện nhờ máy bơm cao áp và đưa về thùng
chứa cao áp . Thùng này được coi là bộ dữ trữ năng lượng cho hệ thống hoạt động
khi mất điện , máy bơm ngừng hoạt động .
4. Nguyên tắc đảm bảo an toàn .
Khí than là một hỗn hợp dễ nổ , mặt khác khí ra lò có nhiệt độ cao , vì vậy nếu
có không khí lọt vào là nổ ngay . Do đó nguyên tắc thiết kế hệ thống tự động phải
đảm bảo được :
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
- ở giai đoạn nào đó , van nào phải mở van nào phải đóng , đóng sớm bao
nhiêu , muộn bao nhiêu giây là phải đúng như vậy không được sai sót .
- Nhiều khi trục trặc đột xuất như hệ thống điều khiển dừng , mất điện, cơ
cấu gãy hỏng thì các van công nghệ phải về vị trí dừng máy (tức là vị
trí an toàn , khí than và không khí không thể lẫn vào nhau được) .Vị trí
dừng máy được xác định trong bảng trạng thái các van ở các giai đoạn .
Để giải quyết vấn đề an toàn trên hệ thống cần đạt được :
4.1 : Van không khí tăng N2 thổi lên , van thêm không khí thêm N2 thổi xuống
phải đóng sớm và mở muộn so với van hơi nước khi thổi lên , thổi xuống là 3% .
4.2 : Van không khí lần 2 phải đóng sớm hơn van ống khói và phải làm sao khi
đóng phải rất nhanh và khi mở phải chậm .
------------------------------------------------------------------------------------------T.g: Phan Việt Cường
9
Điều khiển và khống chế lò tạo khí
-------------------------------------------------------------------------------------------4.3 : Thời gian đóng mở của các van phải đạt được : các van hơi nước và van
không khí tăng N2 , thời gian đóng mở là từ 1 đến 2 giây . Các van 3 ngả, ống
khói , van không khí lần 1 (van thổi gió) là từ 2 đến 3 giây .
4.4 : Trường hợp mất điện đột xuất thì các van phải tự đóng về vị trí dừng máy
an toàn, trường hợp này thực hiên nhờ các cơ cấu sau đây : Khi mất điện hệ
thống điều khiển không hoạt động , các tín hiệu ra đều bằng 0 . Bơm dầu cao áp
cũng dừng , song áp lực dầu cao áp do có thùng dầu cao áp dự trữ nên không
giảm ngay mà vẫn đủ để thao tác đóng mở các van công nghệ (có thể tác dụng
trong vài giờ) . Các rơle trung gian được bố trí các trạng thái sao cho khi toàn bộ
hệ thống không điện thì các vị trí đóng mở đường ống dầu cao áp cho nó được
giãn đến các van cần đóng mở và đưa chúng về vị trí dừng máy an toàn đã nêu .
Các vấn đề nêu ở 4.1 , 4.2 , 4.3 là do hệ thống điều khiển thực hiện .
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
I_4 : Nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển .
Nguyên tắc hoạt động của hệ thống điều khiển như hình I_5 .
Toàn bộ máy bao gồm các bộ phận chính sau :
- Bộ điều khiển tự động ZK .
- Bộ thao tác bằng tay SC .
- Bảng hiển thị quá trình làm việc .
- Các rơle trung gian DF điều khiển hệ thống dầu cao áp .
- Và sensor cảm biến vị trí các van công nghệ .
Bộ phận trung tâm của hệ thống điều khiển là bộ điều khiển tự động ZK cấu
tạo bằng bộ điều khiển chương trình PLC . Bộ này có chức năng đưa các tín hiệu
điện để điều khiển tự động các rơle trung gian DF . Các rơle này khi có tín hiệu sẽ
tác động đóng mở các đường ống dẫn cao áp đến xylanh pittôn của các van công
nghệ . Vị trí đóng mở các van công nghệ sẽ là tín hiệu có hay không có điện của
các rơle tương ứng . Bộ thao tác bằng tay SC cho các tín hiệu ra tương tự như bộ tự
động ZK và được nối song song với bộ tự động ZK . Tuy nhiên bộ SC không điều
khiển tự động mà phải thao tác các giai đoạn bằng tay . Bộ này có tác dụng thay thế
bộ tự động khi khởi động lò hoặc khi có sự cố . Tại các van công nghệ còn bố trí
các sensor cảm biến trạng thái kiểu điện từ JC đưa tín hiệu về để hiển thị trên bảng
trạng thái hệ thống , đồng thời phản hồi ngược về bộ tự động ZK . Tại đây tín hiệu
------------------------------------------------------------------------------------------T.g: Phan Việt Cường
10
Điều khiển và khống chế lò tạo khí
-------------------------------------------------------------------------------------------sẽ được xử lý và tác động vào các trạng thái làm việc của hệ thống , đảm bảo hệ
thống hoạt động an toàn .
Các thông số đặt thời gian của các giai đoạn , cả chu kỳ và các thao tác khi vận
hành máy được đặt trên các phím bấm của bộ tự động ZK hoặc điêù khiển trên bộ
thao tác bằng tay . Thời gian mỗi giai đoạn trong một chu kỳ phụ thuộc vào tính
chất của nhiên liệu để quyết định và thường xuyên phải thay đổi cho phù hợp với
tính chất của nhiên liệu từng thời kỳ từng ngày cũng như yêu cầu của công nghệ
trong việc khống chế tỷ lệ thành phần khí than theo yêu cầu sản xuất NH3 .
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
Chương II : xây dựng hệ điều khiển khống chế lò tạo
khí
------------------------------------------------------------------------------------------T.g: Phan Việt Cường
11
Điều khiển và khống chế lò tạo khí
-------------------------------------------------------------------------------------------Hệ thống điều khiển công nghệ lò tạo khí được thiết kế gồm 4 bộ phận chính
đảm nhiệm các chức năng sau :
- Bộ điều khiển tự động .
- Bộ thao tác bằng tay .
- Các rơle trung gian .
- Bộ hiển thị , các sensor kiểm tra các trạng thái van công nghệ và nguồn
cung cấp .
Trong đó bộ điều khiển tự động là quan trọng nhất , nó đảm nhiệm hầu hết các
chức năng điều khiển . Với phạm vi của đồ án này em chỉ đề cập tới thiết kế và xây
dựng bộ điều khiển tự động . Các bộ phận khác có liên quan lấy các thông số kỹ
thuật , cách lắp đặt giống như của hệ thống điều khiển tự động hiện có do Trung
Quốc lắp đặt tại nhà máy .
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
II_1 : Cơ sở tính toán thiết kế và xây dựng bộ điều khiển tự động .
1. Yêu cầu chung .
Việc tính toán thiết kế hệ thống điều khiển cần thỏa mãn được các yêu cầu
chung sau :
- Đảm bảo điều khiển các van công nghệ đúng trạng thái (theo bảng trạng
thái) chỉ định cho công nghệ và mỗi chu kỳ thời gian cũng như thời gian
của từng giai đoạn .
- Đảm bảo chặt chẽ các yêu cầu về an toàn , thứ tự đóng mở các van công
nghệ giữa các giai đoạn chế khí và thời gian đóng mở của các van như đã
trình bày ở trên .
- Đảm bảo độ tin cậy , có thể thao tác sang bộ điều khiển bằng tay khi quá
trình kiểm tra nội bộ phát hiện có hiện tượng bị trục trặc .
- Đáp ứng một số chức năng cho việc theo dõi vận hành .
- Đảm bảo tính năng có thể thay đổi mềm dẻo theo các yêu cầu công nghệ
về chu kỳ , tỷ lệ phần trăm các giai đoạn công nghệ và phương thức và
phương thức vận hành .
2. Trạng thái vận hành của các van công nghệ .
Với quy trình công nghệ đã nói ở trên : việc đóng mở các van công nghệ sẽ
được thực hiện theo 5 giai đoạn . Đồng thời căn cứ vào các yêu cầu an toàn trong
------------------------------------------------------------------------------------------T.g: Phan Việt Cường
12
Điều khiển và khống chế lò tạo khí
-------------------------------------------------------------------------------------------vận hành nên mỗi giai đoạn quan trọng có thể được chia ra làm 2 hoặc 3 bước nhỏ .
Mỗi bước các van lại được đóng mở sao cho hệ thống giữ an toàn nhất . Ngoài ra
quá trình vận hành lò tạo khí được chia làm 5 chế độ vận hành :
- Chế độ vận hành lò bình thường .
- Chế độ vận hành lò không thêm N 2 .
- Chế độ vận hành lò không mở van gió lần 2 .
- Chế độ vận hành lò thổi lên lần 2 .
- Chế độ vận hành lò chế khí trơ .
2.1 Trạng thái các van khi lò vận hành bình thường .
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
Bảng trạng thái đóng mở các van công nghệ trong một chu kỳ được mô tả ở
bảng II_1 . ở đây để điều khiển 1 chu kỳ công nghệ phải thực hiện qua 12 bước
khác nhau . Thời gian của 1 chu kỳ các giai đoạn cần được đảm bảo có thể đặt được
trong khoảng :
- Tổng thời gian của 1 chu kỳ là : từ 165 á 185 giây (thông số này ít thay
đổi) .
- Thời gian thổi lên lần 2 là : từ 10 á 20 giây .
- Thời gian thổi sạch là : từ 0 á 10 giây .
- Thời gian thổi gió là : từ 20 á 99 giây .
- Thời gian thổi len lần 1 là : từ 20 á 99 giây .
- Thời gian thổi xuống là : từ 20 á 99 giây .
Khi thay đổi thời gian của các giai đoạn thì phải thay đổi sao cho tổng thời
gian các giai đoạn vận hành bằng thời gian của cả 1 chu kỳ vận hành .
2.2 Trạng thái các van khi vận hành lò không thêm N2 .
Bảng trạng thái đóng mở các van công nghệ trong 1 chu kỳ được biểu diễn
trên bảng II_2 . Với trang thái này khi vận hành lò các van liên tục đóng trong cả
chu kỳ . Cũng có thể cho vận hành chỉ không thêm N2 khi thổi lên và không thêm
N2 khi thổi xuống và ngược lại . Khi khởi động giai đoạn thổi lên đầu tiên không
thực hiện bất kỳ 1 thao tác thêm N2 nào .
2.3 Trạng thái vận hành không mở gió lần 2 .
Bảng trạng thái vận hành các van công nghệ trong 1 chu kỳ được biểu diễn
trên bảng II_3 . Trong trạng thái vận hành này thì khi vận hành không mở van gió ,
van thổi gió lần 2 .
13
------------------------------------------------------------------------------------------T.g: Phan Việt Cường
Điều khiển và khống chế lò tạo khí
-------------------------------------------------------------------------------------------2.4 Trạng thái vận hành lò thổi lên hoàn toàn .
Bảng trạng thái vận hành các van công nghệ trong 1 chu kỳ được biểu diễn
trên bảng II_4 . Trong trạng thái vận hành này giống như trạng thái vận hành lò
bình thường nhưng để đảm bảo an toàn thì khi thổi xuống đổi thành thổi lên và giai
đoạn này không thêm N2 .
2.5 Trạng thái vận hành lò chế khí trơ .
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
Bảng trạng thái vận hành các van công nghệ được biểu diễn trên bảng II_5.
Trong trạng thái vận hành này 4 giai đoạn : thổi lên lần 1 , thổi xuống , thổi lên lần
2 , thổi sạch đều phóng không hết . Khi ở giai đoạn thổi gió thì đưa khí về két khí .
Trong quá trình chế khí không thao tác thêm N2 và các thông số của các giai đoạn
cũng phải đặt hợp lý theo yêu cầu của công nghệ .
II_2 : Xây dựng bộ điều khiển tự động .
1. Cơ sở của việc sử dụng PLC .
Trong công nghiệp trước đây , các hệ thống điều khiển số thường được cấu tạo
trên cơ sở các rơle và các mạch logic điện tử kết nối với nhau theo nguyên lý làm
việc của hệ thống .
Đối với các hệ làm việc đơn giản và có tính độc lập thì viậc sử dụng các phần
tử logic có sẵn liên kết cứng với nhau rất có ưu điểm vầ giá thành . Tuy nhiên trong
các hệ thống điều khiển phức tạp nhiều chức năng thì việc cấu trúc theo kiểu cứng
có nhiều nhược điểm như :
- Hệ thống cồng kềnh , đầu nối phức tạp dẫn tới độ tin cậy kém .
- Trường hợp cần thay đổi chức năng của hệ thống , hoặc sửa chữa các hư
hỏng bắt buộc phải dừng toàn bộ hệ thống để đấu hoặc nối lại .
Hiện nay với sự phát triển của công nghệ điện tử đã cho phép chế tạo các hệ vi
xử lý tiên tiến . Dựa trên cơ sở của bộ vi xử lý bộ điều khiển khả lập trình PLC
(Programable Logic Control) ra đời cho phép khắc phục được rất nhiều nhược điểm
của các hệ điều khiển liên kết cứng trước đây . Việc sử dụng PLC đã trở nên rất phổ
biến trong công nghiệp tự động hoá .Có thể liệt kê các ưu điểm chính của việc sử
dụng PLC gồm :
------------------------------------------------------------------------------------------T.g: Phan Việt Cường
14
Điều khiển và khống chế lò tạo khí
-------------------------------------------------------------------------------------------- Giảm bớt được việc đấu nối dây khi kiến tạo hệ thống . Giá trị logic của
nhiệm vụ điều khiển được thực hiện trong chương trình thay cho việc đấu
nối dây .
- Tính mềm dẻo cao : trong hệ thống dùng PLC các phần tử điều khiển đã
được mô tả sẵn , mối liên kết giữa các phần tử được mô tả bằng chương
trình . Do vậy khi cần sử dụng , cần sự thay đổi trong cấu trúc điều khiển
thì chỉ cần thay đổi chương trình trong bộ nhớ của hệ thống .
- Sự đánh giá các nhu cầu là đơn giản : nếu biết con số đúng của đầu vào
và đầu ra cần thiết thì có thể đánh giá kích cỡ yêu cầu của bộ nhớ (độ dài
chương trình) tối đa là bao nhiêu . Do đó có thể dễ dàng và nhanh chóng
lựa chọn loại PLC cho phù hợp với yêu cầu đề ra .
- Không gian lắp đặt nhỏ .
- Dải chức năng rộng .
- Tốc độ làm việc cao .
- Công suất tiêu giảm .
- Lắp đặt đơn giản .
- Hê thống có thể mở rộng theo khối .
2. Tổng quát bộ điều khiển tự động .
Căn cứ vào các yêu cầu kỹ thuật , chức năng vận hành , thao tác như trên việc
xây dựng bộ điều khiển tự động có thể chia ra làm 2 phần : thiết kế phần cứng và
thiết kế phần mềm .
- Phần mềm là các chương trình lập cho việc điều khiển , đảm bảo thực
hiện các chức năng về phương pháp , trạng thái vận hành , đặt các thông
số theo các yêu cầu của công nghệ .
- Phần cứng là một bộ PLC đảm nhiệm các chức năng : thu nhận các tín
hiệu đặt , các tín hiệu phản hồi và đưa ra các tín hiẹu điều khiển van công
nghệ . Đồng thời hiển thị các thông số , trạng thái vận hành của hệ thống
. Để đảm bảo độ tin cậy cho khả năng chống nhiễu , chịu sự sụt áp tốt ,
hệ thống được thiết kế với 2 nguồn cung cấp độc lập (nguồn cho CPU và
các mođun vào , ra và nguồn công suất cho các van) .
Tổng hợp số đầu vào , ra cho bộ điều khiển chương trình PLC là :
a. Các tín hiệu ra
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
------------------------------------------------------------------------------------------T.g: Phan Việt Cường
15
Điều khiển và khống chế lò tạo khí
-------------------------------------------------------------------------------------------- Tín hiệu đưa ra điều khiển các van công nghệ (đồng thời đưa ra hiển thị
các LED trên bảng hiển thị) : 9 điểm 24V .
- Tín hiệu đưa ra hiển thị trạng thái các giai đoạn làm việc của 1 chu kỳ tạo
khí : 5 điểm 24V .
- Tín hiệu đưa ra báo hiệu khi có sự cố : 1 điểm 24V.
b. Các tín hiệu vào
- Các công tắc đặt chế độ làm việc : 5 điểm .
- Các công tắc đặt chế độ điều khiển : 1 điểm .
- Công tắc dừng toàn bộ hệ thống khi có sự cố : 1 điểm .
Bộ tự động bao gồm các khối sau :
- Thiết bị điều khiển logic khả trình (CPU) .
- Mạch nhận tín hiệu phản hồi (Modul Input) .
- Mạch đặt thông số và thao tác .
- Mạch xử lý tín hiệu ra (Modul Ouput) .
- Nguồn cung cấp (gồn 2 bộ : nguồn cho mạch điều khiển và nguồn cho
mạch lực) .
Như vậy sơ đồ chức năng tổng quát bộ điều khiển tự động được thiết kế như
hình II_6 .
3. Bài toán cho chương trình điều khiển .
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
Căn cứ vào yêu cầu công nghệ đã nêu ở trên , việc thiết kế phần mềm dựa trên
cơ sở thực hiện lập trình đẻ đưa ra các trạng thái đầu ra của thiết bị (phần cứng) đáp
ứng được yêu cầu công nghệ . Từ bảng trạng thái của van công nghệ đã nêu ở trên ,
do việc điều khiển các van công nghệ thực hiện bởi các tín hiệu điều khiển rơle
trung gian do PLC đảm nhiệm . Như vậy ta có bảng trạng thái của các tín hiệu đầu
ra của PLC để điều khiển các van công nghệ trong các chế độ vận hành như sau :
- Trạng thái các van khi lò vận hành bình thường : bảng II_7 .
- Trạng thái vận hành lò không thêm N 2 : bảng II_8 .
- Trạng thái vận hành lò không mở van gió lần 2 : bảng II_9 .
- Trạng thái vận hành lò thổi lên hoàn toàn : bảng II_10 .
- Trạng thái vận hành lò chế khí trơ : bảng II_11 .
Trong đó các tín hiệu có điện tương ứng với các trạng thái tác động của các
rơle trung gian , đồng thời tương ứng với các trạng thái mở của các van công nghệ :
------------------------------------------------------------------------------------------T.g: Phan Việt Cường
16
Điều khiển và khống chế lò tạo khí
-------------------------------------------------------------------------------------------van gió lần 1 , van tổng hơi nước , van N 2 thổi lên , van N 2 thổi xuống . Các tín
hiệu ra không có điện tương ứng với trạng thái tác động của các rơle trung gian ,
đồng thời tương ứng với trạng thái đóng của các van công nghệ: van gió lần 1 , van
gió lần 2 , van tổng hơi nước , van N2 thổi lên , van N2 thổi xuống .
Các tín hiệu ra có điện tương ứng với trạng thái tác động của các rơle trung
gian đồng thời tương ứng với trạng thái mở phía cho thổi lên của các van 3 ngả hơi
nước , khí than . Các tín hiệu ra không có điện tương ứng với trạng thái tác động
của các rơle trung gian , đồng thời ứng với trạng thái mở phía cho thổi xuống của
các van 3 ngả hơi nước , khí than nói trên .
Riêng với tín hiệu ra điều khiển van ống khói thì ngược lại do yêu cầu đảm
bảo an toàn . Nếu đầu ra điều khiển có điện thì đóng khói . Thời gian duy trì mở
van ống khói khi mất điện do hệ thống dầu cao áp thực hiện (khoảng từ 1 đến 3
giờ) .
4. Tổng hợp mạch .
Căn cứ vào các bảng trạng thái trạng thái , để xây dựng mô hình hàm đièu
khiển thì trước hết ta phải tổng hợp mạch . Bài toán tổng hợp mạch là bài toán khó ,
hơn nữa từ một yêu cầu đề ra lại có rất nhiều cách giải quyết khác nhau . Do vậy
vấn đề chung ở đây là phải dựa vào 1 chỉ tiêu tối ưu nào đó , đồng thời để tìm được
lời giải tối ưu thì ngoài các suy luận toán học logic , người thiết kế còn phải tận
dụng các kinh nghiệm thực tế rất phong phú và đa dạng .
Các phương pháp tổng hợp mạch ;
- Phương pháp giải tích .
- Phương pháp dựa vào toán tử trạng thái và biến cố .
- Phương pháp dùng bảng tác động hoặc hàm tác động các biến cố .
- Phương pháp dùng bảng trạng thái .
- Phương pháp đồ hình Mealy hoặc Moore .
- Phương pháp Grafcet .
Trong dây chuyền sản xuất công nghiệp , các thiết bị máy móc thường hoạt
động theo một trình tự logic chặt chẽ nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm và an
toàn cho nhười và thiết bị . Cấu trúc làm việc trình tự của dây chuyền đẽ đưa ra yêu
cầu cho điều khiển là điều khiển sự hoạt độnh thống nhất chặt chẽ của dây chuyền ,
đồng thời cũng gợi ý cho ta sự phân nhóm logic của automat trình tự bởi các tập
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
------------------------------------------------------------------------------------------T.g: Phan Việt Cường
17
Điều khiển và khống chế lò tạo khí
-------------------------------------------------------------------------------------------hợp con của máy móc và các thuật toán điều khiển bằng các chương trình con . Sơ
đồ khối của hệ điều khiển quá trình được thể hiện trên hình sau :
Tín hiệu vào
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
Một quá trình công nghiệp gồm 3 hình thức điều khiển hoạt động sau :
- Hoàn toàn tự động , lúc này chỉ cần sự chỉ huy chung của nhân viên vận
hành hệ thống .
- Bán tự động , làm việc có liên quan trực tiếp đến các thao tác liên tục của
con người giữa các chuỗi hoạt động tự động .
- Bằng tay , tất cả hành động của hệ đều do con người thao tác .
Trong quá trình làm việc để đảm bảo an toàn , tin cậy và linh hoạt , hệ điều
khiển cần có sự chuyển đổi dễ dàng từ kiểu bằng tay sang tự động và ngược lại
, vì như vậy hệ điều khiển mới đáp ứng đúng các yêu cầu thực tế .
Trong quá trình làm việc , sự không bình thường trong hoạt động của dây
chuyền có rất nhiều loại , khi thiết kế ta phải cố gắng mô tả chúng một cách đầy đủ
nhất . Trong số các hoạt động không bình thường của chương trình điều khiển
một dây chuyền tự động , người ta phân biệt các loại sau :
- Hư hỏng một bộ phận trong cấu trúc điều khiển . Lúc này cần phải xử
lý riêng phần chương trình có chỗ hư hỏng , đồng thời phải lưu tâm cho
dây chuyền hoạt động lúc có hư hỏng và sẵn sàng chấp nhận lại điều
khiển khi hư hỏng được sửa chữa xong .
- Hư hỏng trong cấu trúc trình tự điều khiển .
- Hư hỏng ở bộ phận chấp hành (hư hỏng thiết bị chấp hành , hư hỏng cảm
biến , hư hỏng bộ phận thao tác ) .
Khi thiết kế hệ thống phải tính đến các phương thức làm việc khác nhau để
đảm bảo an toàn và sử lý kịp thời các hư hỏng trong hệ , phải luôn luôn có phương
án can thiệp trực tiếp của người vận hành đến việc dừng máy khẩn cấp , xử lý tắc
ngẽn vật liệu và các hiện tượng nguy hiểm khác . Grafcet là công cụ rất hữu ích để
thiết kế và thực hiện đầy đủ các yêu cầu của hệ tự động hoá các quá trình công
nghệ kể trên .
------------------------------------------------------------------------------------------T.g: Phan Việt Cường
18
Điều khiển và khống chế lò tạo khí
-------------------------------------------------------------------------------------------Ta thấy trong quá trình công nghệ của lò tạo khí thì mỗi chu kỳ hoạt động
được chia làm 5 giai đoạn và mỗi giai đoạn lại có thể chia thành các bước nhỏ .
Tổng cộng có 12 bước trong một chu kỳ , các bước này được thực hiện một cách
tuần tự . Như vậy dựa vào bảng trạng thái các tín hiệu ra của PLC ta có thể tổng
hợp mạch bằng phương pháp Grafcet như hình II_12 .
Từ Grafcet ở hình II_12 ta có :
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
* ở chế độ vận hành lò bình thường :
S0+
= g + S1.12.V6.V8 + S2.12.V6 + S3.12.V6.V8 + S4.12.V6 + S5.12.V1.V2
S0= S1.1 + S2.1 + S3.1 + S4.1 + S5.1
S1.1+ = S0 + m1
S1.1- = S1. 2
S1.2+ = S1.1.V3.V8
S1.2- = S1.3
S1.3+ = S1.2.V3.V4.V8
S1.3- = S1.4
S1.4+ = S1.3.V3.V8
S1.4- = S1.5
S1.5+ = S1.4.V3.V5.V6.V7.V8
S1.5- = S1.6
S1.6+ = S1.5.V5.V6.V7.V8
S1.6- = S1.7
S1.7+ = S1.6 .V5.V6.V7
S1.7- = S1.8
S1.8+ = S1.7.V1.V2.V5.V7
S1.8- = S1.9
S1.9+ = S1.8.V1.V2.V5.V6.V7.V9
S1.9- = S1.10
S1.10+ = S1.9.V1.V2.V5.V6.V7
S1.10- = S1.11
S1.11+ = S1.10.V5.V6.V7
S1.11- = S1.12
S1.12+ = S1.11.V5.V6.V7.V8
S1.12- = S0
------------------------------------------------------------------------------------------T.g: Phan Việt Cường
19
§iÒu khiÓn vµ khèng chÕ lß t¹o khÝ
-------------------------------------------------------------------------------------------* ë chÕ ®é vËn hµnh kh«ng thªm N2 :
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
S0+
S0S2.1+
S2.1S2.2+
S2.2S2.3+
S2.3S2.4+
S2.4S2.5+
S2.5S2.6+
S2.6S2.7+
S2.7S2.8+
S2.8S2.9+
S2.9S2.10+
S2.10S2.11+
S2.11S2.12+
S2.12-
= g + S1.12.V6.V8 + S2.12.V6 + S3.12.V6.V8 + S4.12.V6 + S5.12.V1.V2
= S1.1 + S2.1 + S3.1 + S4.1 + S5.1
= S0 + m2
= S2.2
= S2.1.V3
= S2.3
= S2.2.V3.V4
= S2.4
= S2.3.V3.V6
= S2.5
= S2.4.V3.V5.V6
= S2.6
= S2.5.V5.V6
= S2.7
= S2.6.V5.V6
= S2.8
= S2.7.V1.V2.V5.V6
= S2.9
= S2.8. V1.V2.V5.V6
= S2.10
= S2.9. V1.V2.V5.V6
= S2.11
= S2.10.V5.V6
= S2.12
= S2.11.V5.V6
= S0
*ë chÕ ®é vËn hµnh kh«ng më van giã lÇn 2 :
S0+
S0S3.1+
S3.1-
= g + S1.12.V6.V8 + S2.12.V6 + S3.12.V6.V8 + S4.12.V6 + S5.12.V1.V2
= S1.1 + S2.1 + S3.1 + S4.1 + S5.1
= S0 + m3
= S3.2
------------------------------------------------------------------------------------------T.g: Phan ViÖt Cêng
20
§iÒu khiÓn vµ khèng chÕ lß t¹o khÝ
-------------------------------------------------------------------------------------------+
S3.2 = S3.1.V3.V8
S3.2- = S3.3
S3.3+ = S3.2.V3.V8
S3.3- = S3.4
S3.4+ = S3.3 .V3.V6
S3.4- = S3.5
S3.5+ = S3.4.V3.V5.V6.V7.V8
S3.5- = S3.6
S3.6+ = S3.5.V5.V6.V7.V8
S3.6- = S3.7
S3.7+ = S3.6.V5.V6.V7
S3.7- = S3.8
S3.8+ = S3.7.V1.V2.V5.V6.V7
S3.8- = S3.9
S3.9+ = S3.8.V1.V2.V5.V6.V7.V9
S3.9- = S3.10
S3.10+ = S3.9.V1.V2.V5.V6.V7
S3.10- = S3.11
S3.11+ = S3.10.V5.V6.V7
S3.11- = S3.12
S3.12+ = S3.11.V5.V6.V7.V8
S3.12- = S0
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
* ë chÕ ®é vËn hµnh thæi lªn hoµn toµn :
S0+
= g + S1.12.V6.V8 + S2.12.V6 + S3.12.V6.V8 + S4.12.V6 + S5.12.V1.V2
S0= S1.1 + S2.1 + S3.1 + S4.1 + S5.1
S4.1+ = S0 + m4
S4.1- = S4.2
S4.2+ = S4.1.V3
S4.2- = S4.3
S4.3+ = S4.2.V3.V4
S4.3- = S4.4
S4.4+ = S4.3.V3.V6
S4.4- = S4.5
------------------------------------------------------------------------------------------T.g: Phan ViÖt Cêng
21
§iÒu khiÓn vµ khèng chÕ lß t¹o khÝ
-------------------------------------------------------------------------------------------+
S4.5 = S4.4.V3.V5.V6
S4.5- = S4.6
S4.6+ = S4.5.V5.V6
S4.6- = S4.7
S4.7+ = S4.6.V5.V6
S4.7- = S4.8
S4.8+ = S4.7.V5.V6
S4.8- = S4.9
S4.9+ = S4.8.V5.V6
S4.9- = S4.10
S4.10+ = S4.9.V5.V6
S4.10- = S4.11
S4.11+ = S4.10.V5.V6
S4.11- = S4.12
S4.12+ = S4.11.V5.V6
S4.12- = S0
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
* ë chÕ ®é vËn hµnh chÕ khÝ tr¬ :
S0+
= g + S1.12.V6.V8 + S2.12.V6 + S3.12.V6.V8 + S4.12.V6 + S5.12.V1.V2
S0= S1.1 + S2.1 + S3.1 + S4.1 + S5.1
S5.1+ = S0 + m5
S5.1- = S5.2
S5 .2+ = S5.1.V3.V6
S5.2- = S5.3
S5.3+ = S5.2.V3.V4.V6
S5.3= S5.4
S5.4+ = S5.3.V3.V6
S5.4- = S5.5
S5.5+ = S5.4.V3.V5
S5.5- = S5.6
S5.6+ = S5.5.V5
S5.6- = S5.7
S5.7+ = S5.6.V5
S5.7- = S5.8
------------------------------------------------------------------------------------------T.g: Phan ViÖt Cêng
22
Điều khiển và khống chế lò tạo khí
-------------------------------------------------------------------------------------------+
S5.8 = S5.7.V5
S5.8- = S5.9
S5.9+ = S5.8.V5
S5.9- = S5.10
S5.10+ = S5.9.V5
S5.10- = S5.11
S5.11+ = S5.10.V5
S5.11- = S5.12
S5.12+ = S5.11.V5
S5.12- = S0
5. Lưu đồ thuật toán .
Căn cứ vào yêu cầu đặt ra , đồng thời dựa vào các hàm điều khiển trên ta có
lưu đồ của chương trình điều khiển như hình II_13 .
6. Lựa chọn thiết bị .
Để lựa chọn thiết bị và chương trình phần mềm cho việc lắp ráp bộ tự động em
đã khảo sát nhiều chủng loại thiết bị và phần mềm điều khiển chương trình của
nhiều hãng đã đặt đại lý tại Việt Nam . Hiện nay ở Việt Nam thiết bị và phần mềm
điều khiển PLC chủ yếu là thuộc 3 hãng nổi tiếng : OMRON (Nhật Bản) ,
SIEMENS (Đức) , GEFANUC (Anh) . Thực tế thấy :
- Tính năng kỹ thuật , độ tin cậy thiết bị và chương trình của các hãng là
tương đương nhau , giá cả chênh lệch là không đáng kể .
- Thiết bị của OMRON và GEFANNUC mới vào thị trường Việt Nam, thực
tế thì chưa sử dụng nhiều . Các dịch vụ lắp đặt , bảo hành , tư vấn kỹ thuật
chưa chuyên sâu , các văn phòng của 2 hãng này mới chỉ mang tính chất
quảng cáo .
- Thiết bị Siemens đã chiếm lĩnh thị trường Việt Nam từ rất sớm . Hiện tại
có nhiều nhà máy lắp đặt và sử dụng như : nhà máy xi măng Hoàng
Thạch , thuỷ điện Hoà Bình , nhà máy bia Halida , nhà máy thuốc lá
Thăng Long Về mặt dịch vụ lắp đặt , bảo hành , tư vấn kỹ thuật sâu
rộng , do vậy em chọn thiết bị PLC của hãng Siemens .
Cụ thể :
- Phần cứng PLC Simatics S7-300 .
- Phần mềm : Step 7 .
Sau đây là các thông số kỹ thuật của thiết bị :
23
------------------------------------------------------------------------------------------T.g: Phan Việt Cường
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
Điều khiển và khống chế lò tạo khí
-------------------------------------------------------------------------------------------a. CPU Simatics S7-300 : CPU 314 .
- Điện áp nguồn nuôi : 24v
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
- Điện áp dao động cho phép : 20,4 á 28,8v
- Dòng điện định mức : 1A
- Công suất tiêu hao : 8W
- Bộ nhớ RAM : 24Kb/800 lệnh (1 lệnh = 3 byte)
- Bộ nhớ cơ sở : 2048 bít
- Thời gian thực hiện 1 lệnh : 0,3 ms
- Bộ đếm : 64
- Bộ thời gian :125
- Digital I/O cực đại cho phép : 512
- Analog I/O cực đại cho phép : 64
- Cổng giao tiếp : MPI
- Nối mạng : SINEC L2/L2DP
- Trọng lượng : 530 gam
- Kích thước (dài x cao x rộng) : 80 x125 x120 (mm) .
b. Modul Digital Input .
- Số đầu vào :16
- Điện áp nguồn nuôi :24v
- Điện áp dao động cho phép : 20,4 á 28,8v
- Điện áp vào mức '1' : 11 á 30v
- Điện áp vào mức '0' : -3 á 5v
- Dòng điện vào mức '1' : 7,5 mA
- Công suất tiêu hao : 3,5W
- Trọng lượng : 200gam
- Kích thước (dài x cao x rộng) : 40 x125 x120 (mm) .
c. Modul Digital Ouput
- Số đầu ra : 16
- Điện áp nguồn nuôi : 24v
- Điện áp dao động cho phép : 20,4 á 28,8v
- Điện áp ra mức '1' : 5mA á 0,5A
- Dòng điện tiêu thụ tổng (ở 60o) : 2A
------------------------------------------------------------------------------------------T.g: Phan Việt Cường
24
Điều khiển và khống chế lò tạo khí
-------------------------------------------------------------------------------------------- Công suất tiêu hao : 4,9W
- Trọng lượng : 190gam
- Kích thước (dài x cao x rộng) : 40 x125 x120 (mm) .
d. Modul POWER Suply PS 307 PE
(nguồn cung cấp riêng cho mạch vi xử lý)
- Điện áp vào : 120/230v
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
- Điện áp dao động cho phép : 93 á 132v/187 á264v
- Tần số :50/60Hz
- Dòng điện định mức vào : 2/1A
- Điện áp ra : 24v(5%)
- Dòng cực đại :5A
- Công suất tiêu hao :18W
- Trọng lượng :740gam
- Kích thước (dài x cao x rộng) : 80 x125 x120 (mm) .
------------------------------------------------------------------------------------------T.g: Phan Việt Cường
25
Điều khiển và khống chế lò tạo khí
--------------------------------------------------------------------------------------------
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
Chương III : TìM HIểU Và ứNG DụNG PLC TRONG THIếT Kế Hệ
THốNG ĐIềU KHIểN KHốNG CHế .
A : Tìm hiểu PLC .
III_1: Cấu tao chung của PLC .
Thiết bị điều khiển logic khả trình (Programmable Logic Control) viết tắt là
PLC , là loại thiết bị cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển số thông qua 1
ngôn ngữ lập trình thay cho việc phải thể hiện thuật toán đó bằng mạch số .
Để có thực hiện được một chương trình điều khiển , PLC phải có tính năng như
một máy tính , nghĩa là phải có một bộ vi xử lý (CPU) , một hệ điều hành , bộ nhớ
để lưu chương trình điều khiển , dữ liệu và các cổng vào/ra để giao tiếp được với
đối tượng điều khiển và để trao đổi thông tin với môi trường xung quanh . Bên cạnh
đó nhằm phục vụ bài toán điều khiển số , PLC còn phải có thêm các khối chức
năng đặc biệt khác như : bộ đếm (Counter) , bộ thời gian (Timer) và những khối
hàm chuyên dụng (hình dưới) .
CPU
Bộ nhớ chương trình
Bộ đệm
vào / ra
Cổng vào ra
onboard
Cổng ngắt và
đếm tốc độ cao
Khối vi xử
lý trung
tâm
+
Hệ điều
hành
Timer
Counter
Bít cờ
Bus của PLC
Quản lý ghép nối
------------------------------------------------------------------------------------------T.g: Phan Việt Cường
26
Điều khiển và khống chế lò tạo khí
-------------------------------------------------------------------------------------------1. Bộ xử lý trung tâm (CPU) .
Bộ xử lý trung tâm là hạt nhân của PLC , nó thực hiện các phép tính logic , số
học và điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ thống .
Bộ xử lý gọi các lệnh từ bộ nhớ để thực hiện một cách tuần tự . Theo chương
trình nó xử lý các thông tin đầu vào và chuyển kết quả xử lý đến đầu ra. Trên thực
tế , mọi PLC thế hệ mới đều dựa trên kỹ thuật vi xử lý . Một số PLC còn sử dụng
thêm các bộ vi xử lý chuyên dụng để điều khiển các chức năng , phức tạp như các
phép tính toán học hay bộ điều chỉnh PID .
2. Bộ nhớ .
Mọi PLC đều dựa trên 2 loại bộ nhớ là : ROM và RAM có dung lượng tuỳ
thuộc vào thiết kế riêng của từng loại PLC . Việc sử dụng các phần của bộ nhớ phụ
thuộc vào thiết kế hệ thống của nhà sản xuất , tuy nhiên có thể phân chia bộ nhớ
của PLC ít nhất thành 5 vùng sau :
- Bộ nhớ điều hành (Executive Memory)
- Bộ nhớ hệ thống (System Memory)
- Bảng ảnh vào ra (I/O Image Table)
- Bộ nhớ số liệu (Data Memory)
- Bộ nhớ chương trình (User Program Memory)
2.1 Bộ nhớ điều hành .
Bộ nhớ điều hành (hay hệ điều hành) luôn nằm trong ROM , do được phát
triển bởi nhà sản xuất nên rất ít khi cần thay đổi . Hệ điều hành là một chương trình
ngôn ngữ máy đặt biệt để chạy PLC nó chỉ dẫn cho bộ vi xử lý đọc và hiểu các
lệnh , biểu tượng do người sử dụng lập trình , theo dõi mọi trạng thái ra và duy trì
giám sát các trạng thái hiện tại của hệ thống .
2.2 Bộ nhớ hệ thống .
Khi hệ điều hành thực hiện nhiệm vụ của mình thì cần một số vùng để lưu giữ
kết quả và thông tin trung gian , do đó một phần của bộ nhớ RAM được dùng cho
mục đích này . Thông thường vùng bộ nhớ hệ thống chỉ do hệ điều hành sử dụng .
Một số PLC dùng bộ nhớ hệ thống cho việc lưu giữ thông tin liên lạc giữa bộ lập
trình với hệ điêù hành . Ví dụ như hệ điều hành tạo một mã lỗi chứa trong vùng bộ
nhớ hệ thống , như vậy trong quá trình thực hiện , chương trình sử dụng có thể đọc
mã lỗi này để xử lý . Mặt khác người sử dụng cũng có thể gửi thông tin cho hệ điều
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -
------------------------------------------------------------------------------------------T.g: Phan Việt Cường
27
