thiết kế và thi công mô hình mô phỏng nhà máy sản xuất xi măng điều khiển và giám sát bằng wincc s7 1200
TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài
Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của tự động hóa, SCADA và ứng dụng trong hệ thống điều khiển tự động đang đóng vai trò quan trọng trong sản xuất Những tiến bộ trong khoa học kỹ thuật không chỉ nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của cuộc sống con người.
Với sự phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ, việc ứng dụng thiết bị PLC để tự động hóa sản xuất trở nên cấp thiết nhằm tăng năng suất lao động, giảm sức người và nâng cao chất lượng sản phẩm Bộ Môn Điện Công Nghiệp – Khoa Điện Điện Tử, trường Đại Học Nha Trang đã nhận được sự tài trợ từ hãng Siemens (Đức) với các thiết bị như S7-200, S7-1200, LOGO, Đây là những thiết bị phổ biến trong các nhà máy và xí nghiệp hiện nay, do đó việc làm quen và tìm hiểu cách điều khiển chúng trên mô hình mô phỏng là rất quan trọng cho sự nghiệp của sinh viên trong tương lai.
Xi măng, hay còn gọi là ciment trong tiếng Pháp, là một loại chất kết dính thủy lực quan trọng trong ngành xây dựng Chức năng chính của xi măng là sản xuất vữa và bê tông, giúp kết dính các kết tủa tự nhiên hoặc nhân tạo, tạo ra vật liệu xây dựng chắc chắn và bền bỉ, có khả năng chịu đựng các tác động từ môi trường.
Em đã quyết định chọn đề tài “Thiết kế và thi công mô hình mô phỏng nhà máy sản xuất xi măng điều khiển và giám sát bằng WinCC, S7-1200” nhằm nghiên cứu và phát triển hệ thống tự động hóa trong ngành công nghiệp xi măng.
Cải thiện hệ thống thực hành thí nghiệm giúp sinh viên dễ dàng áp dụng lý thuyết vào thực tế, đồng thời trang bị cho họ kiến thức cơ bản về chuyên ngành, tránh bỡ ngỡ trong công việc sau này.
Mục đích của đề tài
Nghiên cứu và ứng dụng kiến thức về điều khiển tự động nhằm thiết lập hệ thống giám sát máy tính qua Win CC cho mô hình Nhà Máy Sản Xuất Hệ thống này giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất, nâng cao hiệu quả quản lý và giám sát hoạt động trong nhà máy Việc áp dụng công nghệ hiện đại sẽ cải thiện độ chính xác và tiết kiệm thời gian trong quá trình điều hành.
Xi Măng Ứng dụng vào việc giảng dạy và học tập tại phòng thực hành.
Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài
- Tìm hiểu lý thuyết về S7-1200, SCADA, WIN CC.
- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của nhà máy sản xuất xi măng và tính toán thiết kế.
- Thi công mô hình mô phỏng nguyên lý hoạt động của nhà máy sản xuất xi măng.
- Giám sát và điều khiển mô hình mô phỏng nhà máy sản xuất xi măng hoạt động theo yêu cầu bằng WinCC và S7-1200.
1.3.2 Giới hạn của đề tài.
- Đề tài này chỉ xây dựng mô hình mô phỏng nhà máy để ứng dụng vào việc học tập thực hành, chưa ứng dụng vào hệ thống thực tế
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết bao gồm việc tìm hiểu các quy định liên quan đến sản xuất và chất lượng xi măng Đồng thời, cần nghiên cứu tài liệu hiện có cũng như thông tin trên mạng về lập trình PLC S71200 và SCADA, WIN CC để điều khiển mô hình, lập trình và mô phỏng trên máy tính.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm bao gồm việc lập trình giao tiếp PLC với WIN CC để điều khiển các thiết bị, mô phỏng quy trình sản xuất xi măng trong mô hình Đồng thời, tiến hành lắp đặt và vận hành mô hình thực tế nhằm kiểm tra hiệu quả của hệ thống.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giới thiệu PLC S7-1200
PLC (Bộ điều khiển logic khả trình) là thiết bị cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển số một cách linh hoạt thông qua ngôn ngữ lập trình, thay vì sử dụng mạch số để thể hiện thuật toán.
Năm 2009, Siemens giới thiệu PLC S7-1200, nhằm thay thế dần PLC S7-200 với nhiều tính năng nổi bật S7-1200 là bộ điều khiển logic lập trình (PLC) nhỏ gọn và chi phí thấp, lý tưởng cho nhiều ứng dụng tự động hóa Thiết bị này được trang bị bộ vi xử lý, nguồn cung cấp tích hợp và các đầu vào/ra (DI/DO), cùng với các tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào CPU và chương trình điều khiển.
Mỗi CPU cung cấp một sự bảo vệ bằng mật khẩu cho phép người dùng cấu hình việc truy xuất đến các chức năng của CPU.
Người dùng có thể sử dụng chức năng "bảo vệ bí quyết" để ẩn mã trong một khối xác định Bộ điều khiển S7-1200 được trang bị cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP, đồng thời cho phép kết nối qua các module truyền thông mở rộng bằng mạng RS232 hoặc RS485 Phần mềm lập trình cho S7-1200 là Step 7 Basic, hỗ trợ ba ngôn ngữ lập trình FBD, LAD và SCL, và được tích hợp trong phần mềm TIA PORTAL V13 của Siemens.
Hình 2 1: Các bộ phần cơ bản trên PLC S7-1200
(2): Hệ thống kết nối dây (phía sau nắp PLC)
(3): Đèn LED cho biết trạng thái I/O của
- Các module CPU khác nhau có hình dạng, chức năng, tốc độ xử lý lệnh, bộ nhớ khác nhau
Bảng 2 1: Thông số kỹ thuật các module CPU của PLC S71200
Chức năng CPU 1211C CPU 1212C CPU 1214C
• 2 ngõ ra Kích thước ảnh tiến trình
1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (Q)
Bộ nhớ bit (M) 4096 byte 8192 byte Độ mở rộng các module tín hiệu
3 (mở rộng về bên trái)
Các bộ đếm tốc độ cao
3 tại 20 kHz Các ngõ ra xung 2
Thẻ nhớ Thẻ nhớ SIMATIC (tùy chọn)
Thời gian lưu trữ đồng hồ thời gian thực
Thông thường 10 ngày / ít nhất 6 ngày tại 40 0 C
PROFINET 1 cổng truyền thông Ethernet
Tốc độ thực thi tính toán thực
Họ S7-1200 mang đến nhiều module tín hiệu và bảng tín hiệu, giúp mở rộng khả năng của CPU Ngoài ra, người dùng có thể lắp đặt thêm các module truyền thông để hỗ trợ các giao thức khác nhau.
Bảng 2 2: Các module hỗ trợ cho PLC S7-1200.
Modul Chỉ ngõ vào Chỉ ngõ ra Kết hợp In/Out
Kiểu _ _ 2 x DC In / 2 x DC Out
2.1.3 Cấu trúc bộ nhớ CPU.
- Bộ nhớ của PLC S7-1200 được chia làm 3 vùng chính: o Vùng chứa chương trình ứng dụng Vùng nhớ chương trình được chia thành 3 miền.
OB (Organisation block): Miền nhớ chương trình tổ chức.
FC (Function): Miền nhớ chương trình tổ chức thành hàm có biến hình thức để trao đổi dữ liệu với chương trình đã gọi nó.
FB (Function block) là miền nhớ cho chương trình con, tổ chức dưới dạng hàm có khả năng trao đổi dữ liệu với các khối chương trình khác Dữ liệu này cần được xây dựng thành một khối dữ liệu riêng biệt, gọi là DB (Data block) Vùng chứa tham số của hệ điều hành và chương trình ứng dụng được chia thành 7 miền khác nhau.
Trước khi thực hiện chương trình, PLC sẽ đọc và lưu trữ tất cả giá trị logic từ các cổng vào số trong miền bộ đệm dữ liệu Khi chương trình chạy, CPU sử dụng các giá trị này trong vùng I mà không cần đọc trực tiếp từ các ngõ vào số.
Miền Q trong quy trình xuất hình ảnh tương tự như vùng I, là bộ đệm dữ liệu cho các cổng ra số Khi chương trình kết thúc, PLC sẽ chuyển giá trị logic từ bộ đệm Q tới các cổng ra số.
Miền M (Memory) là khu vực lưu trữ các biến cờ, không bị mất sau mỗi chu kỳ quét Chương trình ứng dụng tận dụng vùng nhớ này để lưu trữ các tham số cần thiết và có thể truy cập theo bit (M), byte (MB), từ (MW) hoặc từ kép (MD).
Bộ thời gian (Timer) lưu trữ các giá trị quan trọng như giá trị đặt trước (PV - Preset Value), giá trị tức thời (CV - Current Value) và các giá trị logic đầu ra của Timer.
Miền nhớ phục vụ bộ đếm (Counter) bao gồm việc lưu giữ các giá trị đặt trước (PV - Preset Value), giá trị tức thời (CV - Current Value) và các giá trị logic đầu ra của Counter.
Miền địa chỉ cổng vào của các module tương tự (PI) cho phép đọc và chuyển đổi các giá trị tương tự từ cổng vào của module Chương trình ứng dụng có thể truy cập miền nhớ PI theo từng byte (PIB), từng từ (PIW) hoặc từng từ kép (PID).
Miền địa chỉ cổng ra của các module tương tự (I/O External output) cho phép chương trình ứng dụng truy cập vùng nhớ PI theo từng byte (PQB), từng từ (PQW) hoặc từng từ kép (PQD) Vùng này chứa các khối lượng dữ liệu được phân chia thành hai loại.
DB (Data block): Miền chứa các dữ liệu được tổ chúc thành khối Kích thước hay số lượng khối do người sử dụng qui định.
Có thể truy nhập miền này theo từng bit (DBX), byte( DBB), từng từ (DBW), từ kép (DBD).
Miền dữ liệu địa phương (L) được tổ chức và sử dụng bởi các khối chương trình OB, FC, FB để lưu trữ các biến nháp tức thời và trao đổi dữ liệu với các khối đã gọi nó Toàn bộ vùng nhớ này sẽ bị xoá sau khi khối thực hiện xong, và có thể truy cập theo từng bit (L), byte (LB), từ (LW) hoặc từ kép (LD).
2.1.4 Vòng quét chương trình PLC.
PLC hoạt động theo chu trình lặp, mỗi chu trình gọi là vòng quét Vòng quét bắt đầu bằng việc chuyển dữ liệu từ các cổng vào số vào vùng bộ đệm ảo (I), sau đó thực hiện chương trình Trong mỗi vòng quét, chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh cuối cùng của khối OB1.
Sau khi hoàn thành chương trình, giai đoạn tiếp theo là chuyển nội dung từ bộ đệm ảo (Q) tới các cổng ra số Vòng quét sẽ kết thúc với việc xử lý các yêu cầu truyền thông (nếu có) và kiểm tra trạng thái của CPU Mỗi vòng quét có thể được mô tả một cách cụ thể.
Gửi tín hiệu tới đầu ra
Kiểm tra trạng thái làm việc của CPU
Nhận các tín hiệu đầu vào
Xử lý các yêu cầu về truyền thông (nếu có) Thực hiện chương trình điều khiển
Hình 2 2: Vòng quét chương trình PLC.
Giới thiệu SCADA, WinCC
Hình 2 3: Hệ thống giám sát và thu nhập dữ liêu SCADA điển hình.
SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là hệ thống tự động hóa công nghiệp, có nhiệm vụ giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu hiệu quả.
- Một số chức năng cơ bản của hệ thống SCADA là: o Điều khiển (Control) o Hiển thị (Display): Trend (Historical), Table o Cảnh báo (Alarm). o Lưu trữ (Archieve) o In ấn (Report).
- Một số phần mềm cho hệ SCADA hiện có tại Việt Nam là: WinCC (Siemens), Fix-Intellution, Wonderware, Scitect, Plantscape (Honeywell)…
WinCC (Windows Control Center) là phần mềm của Siemens dùng để giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu trong sản xuất Chương trình này hỗ trợ lập trình viên thiết kế giao diện giữa người và máy (IHMI - Integrated Human Machine Interface) trong hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) Chức năng chính của WinCC là thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển quy trình sản xuất, với các thành phần dễ sử dụng, giúp tích hợp ứng dụng mới hoặc có sẵn một cách thuận lợi.
WinCC cung cấp ba giải pháp chính cho việc cấu hình hệ thống: đầu tiên, sử dụng các công cụ chuẩn có sẵn; thứ hai, tích hợp các ứng dụng Windows thông qua DDE, OLE, ODBC và ActiveX; và cuối cùng, phát triển các ứng dụng tùy chỉnh bằng Visual C++ hoặc Visual Basic để nhúng vào WinCC.
Giao diện WinCC tích hợp các module chức năng chuyên biệt cho ngành công nghiệp, bao gồm màn hình đồ họa, thông báo, lưu trữ văn thư và báo cáo.
WinCC cho phép tạo ra giao diện Người – Máy (HMI) hiệu quả, dựa trên sự giao tiếp giữa con người và các hệ thống máy móc, thiết bị điều khiển như PLC và CNC Giao diện này được thiết kế thông qua hình ảnh, sơ đồ, và hình vẽ, giúp người dùng dễ dàng nhận diện và tương tác một cách trực quan hơn.
Giao diện HMI giúp người vận hành theo dõi quá trình làm việc, điều chỉnh tham số và công thức, cũng như hiển thị giá trị hiện tại và giao tiếp với công nghệ qua hệ thống tự động WinCC là phần mềm thiết kế giao diện Người – Máy thiết yếu, cho phép giám sát quy trình sản xuất và cảnh báo khi có sự cố, đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống tự động hóa phức tạp và hiện đại.
Giới thiệu về phần mềm lập trình cho PLC S7-1200 và WinCC
2.3.1.1 Sơ lượt về phần mềm.
Siemens đã ra mắt phần mềm tự động hóa đầu tiên trong ngành công nghiệp, mang tên Totally Integrated, cho phép sử dụng một môi trường duy nhất và một phần mềm chung cho tất cả các tác vụ trong quá trình tự động hóa.
- Được thiết kế với giao diện thân thiện, TIA PORTAL thích hợp cho cả những người mới lẫn những người nhiều kinh nghiệm trong lập trình tự động hóa.
Phần mềm TIA PORTAL V13 của Siemens là nền tảng quan trọng cho việc lập trình, cấu hình và tích hợp các thiết bị trong dải sản phẩm Tích hợp tự động hóa toàn diện (TIA) Trong đồ án này, tôi sẽ sử dụng phần mềm này để lập trình cho PLC S7-1200.
2.3.1.2 Hướng dẫn sử dụng các cửa sổ cơ bản của phần mềm
- Cửa sổ “Portal view”: cung cấp chức năng tổng quan của phần mềm.
Cửa sổ "Portal view" của phần mềm TIA V13 cung cấp các chức năng cơ bản như mở các dự án đã lập trình sẵn, tạo dự án mới, di chuyển dự án hoặc truy cập phần trợ giúp để hiểu rõ hơn về phần mềm Bảng lựa chọn các dự án đã lưu được sắp xếp theo thời gian, cho phép người dùng dễ dàng vào dự án đã chọn và tiếp cận giao diện dự án.
Cửa sổ “Devices & Network” cho phép người dùng cấu hình các trạm, bao gồm việc sắp xếp các giá (rack), module, giá vào ra phân tán và module giao tiếp Người dùng có thể thêm các module cần thiết, màn hình HMI, hoặc kết nối lập trình Wincc có sẵn trong phần mềm để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống.
Cửa sổ "Devices & networks" trong phần mềm TIA V13 cung cấp nhiều chức năng hữu ích cho người dùng Tab chuyển đổi cho phép người dùng dễ dàng chuyển đổi giữa các thiết bị và kết nối mạng Thanh công cụ hỗ trợ cấu hình mạng đồ họa, hiển thị thông tin địa chỉ và cho phép phóng to, thu nhỏ để xem chi tiết Khu vực đồ họa hiển thị các thiết bị, mạng lưới và kết nối, đồng thời cho phép người dùng chèn thiết bị từ danh mục phần cứng và kết nối chúng Cung cấp tổng quan về các đối tượng, người dùng có thể nhanh chóng di chuyển và hiển thị các đối tượng trong đồ họa Cửa sổ thanh kiểm tra hiển thị thông tin về các đối tượng được chọn, cho phép chỉnh sửa cài đặt trong tab “Properties” và thay đổi địa chỉ IP Danh mục phần cứng giúp lựa chọn dễ dàng các thiết bị khác nhau, cho phép kéo thả vào khu vực đồ họa một cách thuận tiện.
Cửa sổ “Online & diagnostic” là giao diện kết nối thiết bị thông qua địa chỉ IP, cho phép kiểm tra kết nối giữa máy tính và các thiết bị như PLC, HMI.
Hình 2 6: Cửa sổ "Online & diagnostics" của phần mềm TIA V13.
Để kiểm tra kết nối giữa máy tính và thiết bị, trước tiên bạn cần đổi địa chỉ IP của máy tính để phù hợp với thiết bị cần giao tiếp Tiếp theo, mở cửa sổ “Online & diagnostics” và thay đổi chuẩn kết nối trong mục “Type of the PG/PC interface” thành “PN/IE” Sau đó, chọn card mạng mà bạn đang sử dụng trong mục “PG/PC interface” Cuối cùng, nhấn vào “Flash LED”; nếu đèn báo trên thiết bị sáng, nghĩa là kết nối giữa máy tính và thiết bị đã hoàn tất.
Cửa sổ "Main OB1" là nơi để lập trình điều khiển, đóng vai trò là khung chính cho chương trình với các lệnh điều khiển ứng dụng Đối với những chương trình nhỏ và đơn giản, người dùng có thể viết tất cả các lệnh trong khối này.
Cửa sổ "Main OB1" của phần mềm TIA V13 bao gồm nhiều thành phần quan trọng Thanh công cụ (1) cho phép truy cập các chức năng chính như chèn, xóa và quản lý các networks Khối giao diện (2) hiển thị và quản lý các địa chỉ vào/ra Mục (3) hỗ trợ việc viết chương trình dễ dàng hơn bằng cách cung cấp các tiếp điểm, timer và counter Mục (4) cho phép tạo và quản lý networks, ghi tiêu đề và bình luận cho các khối, cũng như tạo tag cho các địa chỉ vào ra Các khối nhiệm vụ (5) cung cấp chức năng cho chương trình, trong khi các khối mở rộng (6) mang lại các chức năng phụ Cuối cùng, mục (7) và (8) giúp lựa chọn các chức năng cần thiết để hoàn thành chương trình.
TỪ YÊU CẦU THỰC TẾ
CẤU HÌNH PHẦN CỨNG VIẾT CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
VIẾT CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
Hình 2 9: Cửa sổ "Create new project" trong phần mềm TIA V13.
2.3.1.3 Cách tạo và xây dựng một Project trong TIA V13
- Để xây dựng một project trong TIA V13, ta có 2 cách thể hiện như hình
Hình 2 8: Sơ đồ xây dựng một Project.
Khi phát triển chương trình với nhiều ngõ vào và ngõ ra, việc cấu hình phần cứng trước là rất quan trọng Một lợi thế nổi bật của phần mềm là khả năng hiển thị địa chỉ một cách trực quan, giúp người dùng dễ dàng theo dõi và tương tác.
Để tạo project trong TIA V13, đầu tiên, trong cổng thông tin bắt đầu, bạn nhấp vào “Create new project”, nhập tên dự án và nhấn “Create” Sau khi dự án được tạo, hãy kích chuột vào “Device & Network” và chọn “Add new device” để thêm CPU Cuối cùng, xác định loại CPU trên PLC và chọn CPU từ danh sách có sẵn, sau đó nhấn “Add” để hoàn tất việc thêm vào dự án.
Hình 2 10: Cửa sổ "Add new device" của phần mềm TIA V13. o Bước 4: ta vào “Program block”, vào “Main [OB1]” để lập trình.
2.3.2 Phần mềm WINCC V7.4 thiết kế giao diện cho WinCC.
2.3.2.1 Hệ điều hành hỗ trợ cho phần mềm.
The system requirements for WINCC V7.4 software include compatibility with various operating systems: Windows 10 (64-Bit) Professional and Enterprise for WinCC Server, Single-user, and Client Systems; Windows 7 SP1 (32-bit) Professional, Enterprise, and Ultimate for WinCC Single-user and Client Systems; Windows 7 SP1 (64-bit) Professional, Enterprise, and Ultimate for WinCC Server, Single-user, and Client Systems; Windows 8.1 (32-bit) Professional and Enterprise for WinCC Single-user and Client Systems; Windows 8.1 (64-bit) Professional and Enterprise for WinCC Server, Single-user, and Client Systems; Windows 2008 Server R2 SP1 (64-bit) Standard and Enterprise for WinCC Server and Single-user systems; and Windows 2012 Server R2 (64-bit) Standard and Enterprise for WinCC Server and Single-user Systems.
2.3.2.2 Cách thiết kế giao diện, lập trình cơ bản trong WinCC.
- Tạo một dự án (Project) mới.
Bước 1: Khởi động phần mềm WINCC V7.4
Để bắt đầu tạo một Project, bạn chọn FileNew hoặc nhấn vào biểu tượng New trên thanh công cụ Hộp thoại WinCC Explorer sẽ hiện ra với bốn lựa chọn: Dự án một người dùng (Single-User Project), Dự án nhiều người dùng (Multi-User Project), Client-Project, và mở một dự án có sẵn (Open an Existing Project) Tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng, bạn có thể lựa chọn phù hợp Ở đây, chúng ta sẽ chọn Dự án một người dùng và nhấn OK.
Hình 2 11: Hộp thoại WinCC Explorer để tạo New Project trong WinCC
Bước 3: Gặp hộp thoại “Creat a new project”, ta được yêu cầu nhập tên project và đường dẫn nơi lưu trữ Project vừa tạo có tên với phần mở rộng
To establish a connection between WINCC and PLC, a driver serves as the communication interface To create a driver in WINCC Explorer, right-click on "Tag Management" in the Navigation Window and select "Add New Driver." In the Add New Driver window, choose "SIMATIC S7-1200, S7-1500."
Hình 2 12: Cửa sổ Add new dirver để kết nối với PLC
To create a new connection tag for the SIMATIC S7-1200 or S7-1500 Channel, right-click on "OMS+" and select "New Connection" to input the PLC address Then, right-click on the newly created connection to proceed with further configurations.
Tìm hiểu quy trình hoạt động của nhà máy sản xuất Xi Măng
2.4.1 Khái niệm và định nghĩa một số loại xi măng.
Xi măng, hay còn gọi là ciment trong tiếng Pháp, là chất kết dính thủy lực quan trọng trong xây dựng Được sản xuất bằng cách nghiền mịn clinker, thạch cao thiên nhiên và phụ gia, xi măng khi tiếp xúc với nước sẽ trải qua phản ứng thủy hóa, tạo ra hồ xi măng Quá trình này dẫn đến sự hình thành các sản phẩm thủy hóa, bắt đầu quá trình ninh kết và sau đó là hóa cứng, cuối cùng tạo ra vật liệu có cường độ và độ ổn định cao.
- Thành phần của xi măng cơ bản gồm có CaO: 59-67%; SiO2: 16-26%; Al2O3: 4-9%; Fe2O3: 2-6%; MgO: 0,3-3%.
Hiện nay, trên thế giới có tới 40 loại xi măng khác nhau, bao gồm xi măng Pooclăng, xi măng Pooclăng hỗn hợp, xi măng Pooclăng puzơlan, xi măng Pooclăng xỉ, và nhiều loại khác như xi măng bền sunfat, xi măng ít tỏa nhiệt, xi măng đóng rắn nhanh, xi măng giãn nở, xi măng trắng, xi măng màu, xi măng giếng khoan, xi măng chống phóng xạ, và xi măng chịu axit Việc lựa chọn loại xi măng phù hợp phụ thuộc vào nhu cầu chất lượng công trình, kỹ thuật thi công, kiểu dáng kiến trúc, màu sắc, cùng với điều kiện môi trường và khí hậu.
Xi măng Pooclăng (xi măng PC) là loại xi măng chủ yếu được cấu thành từ clinker và một lượng nhỏ phụ gia thạch cao, chiếm từ 4-5% Chất lượng của xi măng Pooclăng được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 2682:1999.
Xi măng Pooclăng hỗn hợp (xi măng PCB) có thành phần chính là clinker và thạch cao, cùng với các phụ gia khác như đá pudôlan và xỉ lò, với tổng lượng phụ gia không vượt quá 40%, trong đó phụ gia đầy không quá 20% Chất lượng xi măng này được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 6260:1997, và trên thị trường, các loại xi măng này được gọi là PCB 30, PCB 40 Xi măng poóclăng trắng là loại xi măng poóclăng khi thủy hoá tạo ra hồ màu trắng, được sản xuất từ clinker chứa ít sắt và nung luyện trong môi trường nhỏ lửa, theo tiêu chuẩn TCVN 5691:1992 Xi măng bền sunphat là loại xi măng có hàm lượng khoáng C3A thấp, thường được phân chia thành hai loại.
Xi măng bền sunphat được sử dụng cho các công trình bê tông không cốt thép tại vùng nước mặn và cho bê tông, bê tông cốt thép ở khu vực nước chua phèn, theo tiêu chuẩn TCVN 6067:1995 Xi măng poóclăng xỉ là hợp chất kết dính thủy lực được tạo ra bằng cách nghiền clanhke poóclăng với xỉ hoạt tính và thạch cao, hoặc trộn xi măng poóclăng với bột xỉ nghiền mịn theo tỷ lệ nhất định Tương tự, xi măng poóclăng puzơlan cũng là chất kết dính thủy lực, được sản xuất bằng cách nghiền clanhke poóclăng với khoáng puzơlan hoạt tính và thạch cao, hoặc trộn xi măng poóclăng với bột puzơlan nghiền mịn theo tỷ lệ nhất định.
2.4.2 Sơ lượt về tình hình công nghệ sản xuất xi măng trên toàn Thế
2.4.2.1 Ngành xi măng trên Thế Giới và phương hướng phát triển.
Xi măng chủ yếu được sản xuất bằng phương pháp bán khô, trong đó nguyên liệu được vê viên trong lò đứng, trong khi lò ướt hoặc khô chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ Phương pháp ướt hiện nay chiếm khoảng 70-80% sản lượng toàn cầu Tuy nhiên, xu hướng sản xuất xi măng hiện nay đang chuyển sang sử dụng lò quay theo phương pháp khô, nhờ vào những ưu điểm vượt trội Hệ thống lò quay kết hợp với hệ thống can xi hóa sơ bộ (calciner) và cyclone trao đổi nhiệt giúp đạt mức độ can xi hóa trên 90% trước khi vào lò.
Hiện nay, trên thế giới có hơn 160 quốc gia sản xuất xi măng, trong đó Trung Quốc, Ấn Độ và một số nước Đông Nam Á như Thái Lan, Indonesia, Việt Nam chiếm tỷ lệ sản lượng lớn.
Theo dự báo, nhu cầu sử dụng xi măng sẽ tăng trung bình 3,6% mỗi năm đến năm 2020, với sự chênh lệch rõ rệt giữa các khu vực toàn cầu Cụ thể, nhu cầu ở các nước đang phát triển dự kiến tăng 4,3% mỗi năm, trong khi khu vực châu Á có mức tăng trung bình lên tới 5% mỗi năm Ngược lại, các nước phát triển chỉ ghi nhận mức tăng khoảng 1% mỗi năm.
- Các nước tiêu thụ lớn xi măng trong những năm qua: Trung Quốc, Ấn Độ,
Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc, Nga, Tây Ban Nha, Italia, Braxin, Iran, Mê Hy
Cô, Thổ Nhĩ Kỳ, Việt Nam, Ai Cập, Pháp, Đức…
Ngành công nghiệp xi măng toàn cầu đang hướng tới việc mở rộng quy mô và tăng cường công suất của các nhà máy mới nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm Sự tự động hóa trong sản xuất được chú trọng, kết hợp với việc sử dụng máy móc tiết kiệm năng lượng và vận hành hiệu quả Đồng thời, ngành cũng chú trọng phát triển nhiều loại xi măng mới để đảm bảo môi trường trong lành.
2.4.2.2 Ngành xi măng Việt Nam.
Ngành công nghiệp xi măng Việt Nam đã trải qua hơn 100 năm phát triển, khởi đầu từ việc thành lập Nhà máy xi măng Hải Phòng vào năm 1899, dựa trên những lò đứng đầu tiên.
Sau khi thống nhất đất nước, Chính phủ đã quyết định xây dựng thêm các nhà máy xi măng hiện đại để đáp ứng nhu cầu tái thiết đất nước sau chiến tranh Hai nhà máy lớn với công suất trên 1 triệu tấn đã được xây dựng ở miền Bắc, gồm nhà máy xi măng Bỉm Sơn tại Thanh Hóa và nhà máy Hoàng Thạch tại Hải Hưng Dây chuyền 1 của Hoàng Thạch, với công suất 1,1 triệu tấn/năm, đã đi vào hoạt động vào cuối năm 1983, trở thành nhà máy hiện đại đầu tiên tại Việt Nam sử dụng lò quay phương pháp khô Lò có chiều dài 89m, đường kính 5,5m, hệ thống trao đổi nhiệt 4 tầng cyclone và 2 nhánh, cùng với hệ thống làm lạnh kiểu hành tinh Nhiên liệu sử dụng chủ yếu là 85% than đá và 15% dầu, với mức độ tự động hóa đạt 95%.
Từ năm 1991 đến nay, ngành xi măng Việt Nam đã trải qua giai đoạn phát triển mạnh mẽ nhất, với tổng công suất thiết kế tăng gấp 13 lần sau 19 năm Hiện tại, Việt Nam đang dẫn đầu khối ASEAN về sản lượng xi măng.
2012, tổng công suất thiết kế các nhà máy xi măng đạt 68,5 triệu tấn, năng lực sản xuất 63 triệu tấn.
Tổng công suất thiết kế của các nhà máy xi măng tại Việt Nam đạt 68,5 triệu tấn, trong đó 11 công ty lớn chiếm hơn 50% thị phần Đặc biệt, nhà máy Hà Tiên 1 có công suất thiết kế lớn nhất, lên tới 7,3 triệu tấn/năm (năm 2012).
Bảng 2 4: Công suất sản xuất xi măng của 11 công ty lớn nhất Việt Nam (năm
STT Nhà máy xi măng Địa điểm Công suất hiện tại
2.4.3 Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất xi măng của một số nhà máy.
Công ty xi măng Vicem Hoàng Thạch:
Công ty xi măng Vicem Hoàng Thạch sở hữu ba dây chuyền sản xuất xi măng lò quay hiện đại, áp dụng phương pháp khô với chu trình kín Hệ thống này bao gồm cyclon trao đổi nhiệt và buồng đốt canciner ở đầu lò Dây chuyền I có công suất 1,1 triệu tấn/năm, trong khi dây chuyền II và III đều đạt công suất 1,2 triệu tấn/năm.
Cả ba dây chuyền sản xuất của Công ty được thiết kế và cung cấp bởi F.L.Smidth (Đan Mạch), mang công nghệ tiên tiến và hiện đại Tất cả các công đoạn chính và phụ trợ đều được cơ khí hoá và tự động hoá hoàn toàn, giúp nâng cao hiệu suất sản xuất Từ phòng điều khiển Trung tâm, người vận hành có thể theo dõi và điều khiển hoạt động của thiết bị thông qua các máy tính điện tử và thiết bị vi xử lý Hệ thống sơ đồ công nghệ với đèn chỉ báo tình trạng thiết bị cùng với hệ thống Camera quan sát cho phép phát hiện và xử lý sự cố kịp thời, dễ dàng.
Hình 2 26: Phòng điều khiển trung tâm của nhà máy xi măng Hoàng Thạch.
- Sơ đồ công nghệ của nhà máy:
Hình 2 27: Sơ đồ công nghệ nhà máy xi măng Hoàng Thạch.
Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của mô hình
Silo Đá Vôi Silo Đá Sét
Cân định lượng Cân định lượng
Cyclon trao đổi nhiệt Nung Clinker Làm nguội Clinker
Silo Thạch Cao Silo Clinker
Cân định lượng Cân định lượng
Hình 3 1: Sơ đố khối nguyên lý hoạt động của mô hình.
Hạt chưa đạt tiêu chuẩn
3.1.2 Nguyên lý hoạt động của sơ đồ.
Nguyên liệu Đá Vôi và Đá Sét được lấy từ 2 silo bồn chứa và đưa vào hệ thống cân định lượng Sau khi đạt khối lượng theo tỷ lệ và yêu cầu chất lượng của clinker, cảm biến khối lượng sẽ xác nhận và băng tải sẽ vận chuyển hỗn hợp Đá Vôi và Đá Sét vào Khu Nghiền Clinker để tiến hành nghiền.
Khu Nghiền Clinker bao gồm Máy Nghiền Đứng với hệ thống phân ly và lọc bụi hoạt động hiệu quả trong quá trình nghiền Trong ngăn nghiền, hỗn hợp vật liệu được đập, nghiền và chà sát đến kích thước mong muốn Những hạt thô chưa đạt yêu cầu sẽ được hồi lưu về máy nghiền thông qua hệ thống phân ly và lọc bụi, trong khi các hạt mịn đạt tiêu chuẩn sẽ được chuyển đến Khu Nung Clinker bằng hệ thống gầu nâng và máng khí động.
Khu nung Clinker bao gồm các thành phần như Cyclone trao đổi nhiệt, lò nung Clinker và hệ thống làm nguội Clinker Hỗn hợp Đá Vôi và Đá Sét được đưa vào Cyclone trao đổi nhiệt, nơi chúng được gia nhiệt lên khoảng 800-900 độ C trước khi vào lò nung Tại lò nung, với nhiệt độ đạt 1450 độ C, các oxit trong hỗn hợp phản ứng và kết hợp để tạo ra Clinker chất lượng cao Sau khi ra khỏi lò, Clinker được chuyển đến máy làm nguội, nơi có hệ thống quạt cao áp thổi vào để làm mát Cuối cùng, Clinker được vận chuyển đến Silo Clinker để lưu trữ.
Silo Clinker và Silo Thạch cao sẽ được xả xuống thông qua hệ thống cân định lượng, đảm bảo tỷ lệ chính xác để tạo ra chất lượng xi măng cao Cảm biến khối lượng sẽ thông báo khi đủ khối lượng, từ đó ngừng xả silo Hỗn hợp sau đó sẽ được chuyển đến Khu Nghiền Xi Măng qua băng tải.
Tại Khu Nghiền Xi Măng, quy trình nghiền diễn ra khi máy nghiền xi măng nghiền nguyên liệu và chuyển chúng tới thiết bị phân ly lọc bụi Những hạt không đạt yêu cầu sẽ được hồi lưu về máy nghiền để tiếp tục nghiền, trong khi những hạt đạt kích thước tiêu chuẩn sẽ được tách ra và thu hồi vào Silo Xi Măng.
- Silo Xi Măng cấp trực tiếp cho xe bồn hoặc đóng bao tùy theo nhu cầu.
Lựa chọn thiết bị dùng trong mô hình
Do giới hạn của PLC S7-1200 tại phòng thí nghiệm trường ĐHNT chỉ có 10 ngõ ra và không có module ngõ ra, các băng tải sẽ được mô phỏng hoạt động trên phần mềm WinCC.
Để mô phỏng hoạt động của các silo bao gồm Silo Đá Vôi, Silo Đá Sét, Silo Clinker, Silo Thạch Cao và Silo Xi Măng, chúng ta sử dụng 5 đèn Xanh 24V Khi mỗi silo hoạt động, đèn báo tương ứng sẽ sáng, và khi không hoạt động, đèn sẽ tắt.
- Cảm biến khối lượng cân định lượng Silo Đá Vôi, Silo Đá Sét, Silo Clinker,
Silo Thạch Cao và Silo Xi Măng: Chúng tôi lựa chọn 5 công tắc gạt để mô phỏng Khi chuyển sang chế độ 1, hệ thống sẽ báo hiệu rằng cân định lượng đã đủ, trong khi ở chế độ 2, báo hiệu rằng cân định lượng chưa đủ.
Khu nghiền Clinker bao gồm máy nghiền đứng và hệ thống lọc bụi Chúng tôi chọn một quạt 24V để mô phỏng hoạt động Khi khu nghiền hoạt động, quạt sẽ quay, và khi không hoạt động, quạt sẽ dừng lại.
- Khu nung Clinker (Cyclone trao đổi nhiệt + Nung Clinker + Làm Nguội
Để mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt và nung Clinker, ta sử dụng đèn đỏ 24V Bên cạnh đó, một quạt 24V được áp dụng để mô phỏng quá trình làm nguội Clinker Khi khu nung Clinker hoạt động, tất cả các thiết bị sẽ tự động bật, và khi không hoạt động, các thiết bị này sẽ tắt.
- Khu nghiền Xi Măng ( Máy nghiền Xi Măng + Lọc Bụi): ta lựa chọn 1 quạt
24V để mô phỏng Khi khu nghiền xi măng hoạt động quạt sẽ quay, và khi không hoạt động quạt sẽ tắt.
- Ta dùng 1 đèn xanh 24V để báo hoạt động mô hình Khi đèn sáng liên tục, thì báo đang hoạt động ON.
Chúng tôi sử dụng một đèn đỏ 24V để thông báo tình trạng dừng và lỗi của mô hình Khi đèn sáng liên tục, điều này chỉ ra rằng mô hình đang dừng, trong khi đèn nháy cho thấy có lỗi xảy ra trên mô hình.
Thiết kế phần cứng
Mô hình được thiết kế bằng phần mềm CorelDRAW X5, với các thiết bị mô phỏng và khối được vẽ chính xác theo kích thước thực tế Kích thước thiết kế là 50 cm chiều rộng và 80 cm chiều dài, đảm bảo các thiết bị được sắp xếp đúng vị trí đã được lên kế hoạch.
Hình 3 2: Mô hình phần cứng thiết kế trên CorelDRAW X5
- Trên mô hình có các ký hiệu jack cắm, nên xem sơ đồ nguyên lý nối dây ở mục sau để biết cách nối dây các thiết bị.
- Vì các thiết bị ngõ ra được mô phỏng trên mô hình đều là 24V nên ta tận dụng relay bên trong của PLC, nên không dùng relay trung gian.
- Sơ đồ nguyên lý mạch điện kết nối với PLC và các thiết bị bên dưới được thiết kế trên phần mềm AutoCAD Electric 2017.
Hình 3 3: Sơ đồ nối dây của mô hình.
- Các ký hiệu trên sơ đồ nguyên lý:
Bảng 3 1: Bảng ký hiệu sơ đồ nối dây
Tên ký hiệu trên sơ đồ Chú thích Thiết bị
B_ON Nút nhấn ON Nút nhấn nhả thường mở
B_OFF Nút nhấn OFF Nút nhấn nhả thường mở
CB_loi Cảm Biến Lỗi Công tắc gạt
Cảm biến khối lượng Silo là thiết bị quan trọng trong ngành công nghiệp, bao gồm các loại như Silo Đá Vôi, Silo Đá Sét, Silo Clinker, Silo Thạch Cao và Silo Xi Măng Mỗi loại cảm biến này đều sử dụng công tắc gạt để đo lường chính xác khối lượng vật liệu, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và quản lý nguyên liệu hiệu quả.
D_ON Đèn báo ON Đèn xanh 24V
D_OFF Đèn báo OFF Đèn đỏ 24V
SL1 Silo Đá Vôi Đèn xanh 24V
SL2 Silo Đá Sét Đèn xanh 24V
Nghien1 Khu Nghiền Clinker Quạt 24V
Nung Khu Nung Clinker 5 Đèn 24V + Quạt 24V
SL3 Silo Clinker Đèn xanh 24V
SL4 Silo Thạch Cao Đèn xanh 24V
Nghien2 Khu Nghiền Xi Măng Quạt 24V
SL5 Silo Xi măng Đèn Xanh 24V
1,2…18 Các jack cái tương ứng trên mô hình Jack cắm
CB10A Circuit Breaker CB 1 pha 10A
1200 Programmable Logic Controller CPU 1214AC/DC/Rly
Bài toán lập trình
- Trên màn hình WINCC có chế độ TAY/WINCC, Chế độ TAY: Điều khiển qua nút nhấn trên mô hình Chế độ WINCC: Điều khiển qua máy tính.
- Mô hình khi ON, thì đèn ON sáng, đèn OFF tắt Khi OFF, thì đèn ON tắt, đèn OFF sáng
Khi trạng thái hoạt động ở chế độ ON, quy trình sẽ diễn ra theo thứ tự như sơ đồ khối, bắt đầu từ Silo Đá Vôi và Silo Đá Sét, tiếp theo là Khu Nghiền Clinker, Khu Nung Clinker, Silo Clinker, Silo Thạch Cao, Khu Nghiền Xi Măng, Silo Xi Măng, và quay lại Silo Đá Vôi, tạo thành một chu trình tuần hoàn liên tục.
Để cài đặt thời gian cho Khu Nghiền Clinker, Khu Nung Clinker và Khu Nghiền Xi Măng trên màn hình WINCC, người dùng chỉ cần nhấp chuột và nhập thời gian mong muốn cho thiết bị hoạt động Ví dụ, nếu nhập 20 giây cho Khu Nghiền Clinker, thiết bị sẽ hoạt động đúng trong khoảng thời gian đó Trên WINCC có bộ đếm thời gian hiển thị để theo dõi thời gian hoạt động.
Khi gạt công tắc CB_loi (cảm biến lỗi) trong quá trình hoạt động, hệ thống sẽ mô phỏng lỗi Tất cả thiết bị sẽ ngừng hoạt động, đèn On sẽ tắt và đèn OFF sẽ nhấp nháy trong 1 giây, báo hiệu có tín hiệu lỗi.
- Trên WINCC lập trình mô phỏng hoạt động của các thiết bị khi hoạt động trên màn hình.