Tự động hóa ngành thép là chuỗi bài toán điều khiển nối tiếp nhau theo dòng chảy kim loại: điều chỉnh điện cực và thổi oxy ở lò, giữ mức thép lỏng trong khuôn đúc liên tục, điều khiển tốc độ, lực cán và chiều dày ở dàn cán, cắt đúng chiều dài và cuộn đúng lực căng ở cuối dây chuyền. Mỗi bài toán có bộ điều khiển riêng, được xếp thành cấp 1 (PLC, truyền động) và cấp 2 (máy tính chạy mô hình quá trình), phía trên là SCADA và MES. Bài này đi theo từng khâu luyện, đúc, cán, cuộn để nêu bài toán điều khiển, thiết bị đảm nhận và cách chọn máy tính công nghiệp cho từng lớp. Yêu cầu về nhiệt, bụi, nhiễu điện từ của thiết bị đặt trong xưởng thép được viết riêng trong bài máy tính công nghiệp cho nhà máy thép; góc thu thập dữ liệu và MES trong bài chuyển đổi số ngành thép.
1. Tự động hóa ngành thép gồm những khâu nào
Một nhà máy thép dài đi qua bốn khâu chính, mỗi khâu là một nhóm bài toán điều khiển riêng:
- Luyện: lò hồ quang điện (EAF) nấu chảy phế liệu bằng ba điện cực than chì, hoặc lò thổi oxy (BOF) thổi oxy vào gang lỏng để giảm cacbon. Sau đó là lò tinh luyện (LF) chỉnh thành phần và nhiệt độ trước khi đúc.
- Đúc liên tục: thép lỏng từ thùng trung gian chảy vào khuôn đồng làm mát bằng nước, đông cứng lớp vỏ, được kéo xuống qua các cụm làm mát thứ cấp và cắt thành phôi.
- Cán nóng: phôi nung lại trong lò nung, đi qua giá cán thô rồi giá cán tinh, ra thép thanh, thép dây, thép hình hoặc thép tấm cuộn nóng.
- Cán nguội, xử lý và cuộn cắt: tấm cuộn nóng được tẩy gỉ, cán nguội tới chiều dày mỏng, ủ, mạ; sản phẩm được cuộn lại, cắt dọc, cắt ngang, đóng bó và gắn mã.
Điểm chung của cả bốn khâu là quá trình liên tục, tốc độ cao, không dừng được giữa chừng và chi phí một lần dừng ngoài kế hoạch rất lớn. Vì vậy tự động hoá trong ngành thép không dừng ở thay tay người bằng máy mà là điều khiển vòng kín: đo, so sánh với giá trị đặt, điều chỉnh liên tục theo chu kỳ mili giây, cộng với lớp mô hình tính trước thông số cho từng mẻ, từng phôi.
2. Yêu cầu kỹ thuật của thiết bị điều khiển trong nhà máy thép
Thiết bị điều khiển ở đây gồm PLC, bộ điều khiển truyền động, máy tính công nghiệp và HMI. Ngoài yêu cầu môi trường (nhiệt, bụi kim loại, nhiễu điện từ, rung) đã nêu trong bài về máy tính công nghiệp cho nhà máy thép, phần điều khiển có thêm các tiêu chí sau:
| Tiêu chí | Yêu cầu | Vì sao cần trong ngành thép |
|---|---|---|
| Chu kỳ điều khiển | 1–10 ms cho vòng điều khiển tốc độ, lực cán, mức khuôn; 100 ms–1 s cho vòng nhiệt độ lò | Phôi đi qua giá cán với tốc độ nhiều mét mỗi giây; chậm một chu kỳ là lệch dày, đứt phôi |
| Dự phòng | PLC hoặc CPU dự phòng nóng cho lò và đúc; nguồn kép; mạng vòng (ring) cho tuyến điều khiển | Mất điều khiển mức khuôn vài giây là thủng vỏ phôi, tràn thép lỏng |
| Dải nhiệt hoạt động | −20 đến 60–70 °C cho máy đặt trong tủ tại thiết bị; 0–50 °C ở phòng điều khiển | Tủ điện gần lò, dàn cán nóng cộng thêm 10–15 °C so với không khí xưởng |
| Bụi kim loại, rung | Không quạt, vỏ kín; rung 2 Grms theo IEC 60068-2-64, sốc 30–50 G theo IEC 60068-2-27; SSD hoặc eMMC | Bụi oxit sắt dẫn điện; dàn cán và máy cắt bay rung liên tục |
| Nguồn điện | 24 V DC qua bộ nguồn công nghiệp có lọc; đầu vào nguồn kép; dải rộng 9–36 V DC nếu đặt trên cầu trục, xe chuyển phôi | Lò hồ quang gây nhấp nháy điện áp; động cơ cán khởi động gây sụt áp |
| Cổng vào ra | DI/DO cách ly cho tín hiệu chạy dừng, khoá liên động; 2–6 cổng COM RS-485 cho đồng hồ nhiệt, cân, máy in mã; 2–3 LAN tách mạng điều khiển và mạng nhà máy | Chênh điện thế đất giữa các tủ cách nhau vài chục mét làm chết cổng không cách ly |
| Giao thức | PROFINET, EtherNet/IP hoặc Modbus TCP với PLC; PROFIBUS hoặc Modbus RTU với thiết bị cũ; OPC UA lên SCADA, MES; đồng bộ thời gian NTP hoặc PTP | Dàn cán thường có PLC nhiều đời, nhiều hãng; dữ liệu cấp 2 phải cùng mốc thời gian |
| Vận hành | 24/7, watchdog, khởi động lại từ xa, vòng đời cung ứng dài | Lò và dàn cán chạy ba ca; thay máy khác model phải kiểm định lại phần mềm |
| Chứng chỉ | CE, EN 61000-6-2 về miễn nhiễm cho môi trường công nghiệp; UL nếu dự án yêu cầu | Gần lò hồ quang và biến tần công suất lớn là nơi nhiễu mạnh nhất trong nhà máy |
Cách phân lớp PLC, DCS, SCADA và vị trí của từng lớp trong nhà máy được nêu trong bài hệ thống điều khiển công nghiệp; cấu tạo và cách chọn bộ điều khiển logic khả trình trong bài PLC là gì.
3. Bài toán điều khiển theo khâu và thiết bị đảm nhận
Bảng dưới đi theo dòng chảy kim loại. Cột cấp ghi lớp điều khiển đảm nhận: cấp 1 là PLC và truyền động, cấp 2 là máy tính chạy mô hình quá trình, cấp 1 mở rộng là máy tính công nghiệp làm việc cạnh PLC (gom tín hiệu, xử lý ảnh, cân, in mã).
| Khâu | Bài toán điều khiển | Cấp | Thiết bị gợi ý |
|---|---|---|---|
| Lò hồ quang (EAF) | Điều chỉnh vị trí ba điện cực theo dòng và trở kháng hồ quang; chương trình công suất theo giai đoạn nấu; phun oxy, than; nhiệt độ ra thép | Cấp 1: PLC và bộ điều chỉnh điện cực; cấp 2: mô hình năng lượng theo mẻ | PLC dự phòng; máy tính gom dữ liệu điện, khí, nước làm mát trong tủ nối đất cạnh lò |
| Lò thổi (BOF), lò tinh luyện (LF) | Vị trí ống thổi oxy, lưu lượng oxy, mô hình tĩnh và động tính điểm dừng cacbon và nhiệt độ; phối liệu hợp kim | Cấp 2 tính toán, cấp 1 thực hiện | Máy tính cấp 2 trong phòng điều khiển; PLC điều khiển ống thổi và cấp liệu |
| Đúc liên tục | Giữ mức thép trong khuôn bằng thanh chặn hoặc cửa trượt theo cảm biến mức; tốc độ kéo; nước làm mát thứ cấp theo tốc độ; dao động khuôn; dự báo thủng vỏ từ cặp nhiệt điện trong khuôn; cắt phôi đúng chiều dài | Cấp 1 vòng mức khuôn 1–10 ms; cấp 2 mô hình làm mát và dự báo thủng | PLC dự phòng nóng; máy tính công nghiệp thời gian thực chạy mô hình dự báo, nối PLC qua PROFINET |
| Lò nung phôi | Nhiệt độ từng vùng, tỷ lệ khí và không khí, theo dõi vị trí từng phôi trong lò, nhiệt độ ra lò theo mác thép | Cấp 1 vòng nhiệt; cấp 2 mô hình nung và theo dõi phôi | PLC; máy tính gom dữ liệu đồng hồ nhiệt, lưu lượng qua RS-485 |
| Cán nóng | Điều khiển tốc độ nối tầng giữa các giá cán theo bảo toàn lưu lượng; lực căng qua bộ tạo vòng (looper); điều khiển chiều dày tự động (AGC) bằng xi lanh ép thủy lực và máy đo dày; nhiệt độ cán tinh và nhiệt độ cuộn qua dàn làm mát; điều khiển chiều rộng | Cấp 1 vòng tốc độ, lực, dày; cấp 2 tính lịch cán (pass schedule), nhiệt độ, tự học sau mỗi phôi | PLC tốc độ cao và bộ điều khiển truyền động; máy tính cấp 2; máy DIN-rail gom tín hiệu và HMI tại giá cán |
| Cán nguội | Điều khiển chiều dày và độ phẳng (AGC, AFC) bằng trục uốn và lực cán; lực căng giữa các giá; đồng bộ tốc độ; khe hở trục | Cấp 1 và cấp 2 như cán nóng, chu kỳ ngắn hơn vì tốc độ cao | PLC, truyền động; máy tính cấp 2; máy tính xử lý tín hiệu trục đo phẳng |
| Cuộn, cắt, đóng bó | Lực căng máy cuộn; chiều dài cắt theo encoder cho máy cắt bay; cắt dọc, cắt ngang; đếm, cân, in và gắn mã cuộn, bó | Cấp 1 điều khiển; cấp 1 mở rộng cân, in mã, đọc mã | PLC; máy tính công nghiệp nối cân, máy in mã, camera đọc số cuộn; HMI panel PC |
Ba dòng máy tính công nghiệp thường xuất hiện trong bảng trên. Với vị trí gom tín hiệu trong tủ tại giá cán, máy cắt, máy cuộn, Advantech UNO-1372G gắn DIN-rail, CPU Atom bốn nhân, 3 cổng LAN Gigabit có dự phòng, 2 cổng COM, 4 ngõ vào và 4 ngõ ra số cách ly, đầu vào nguồn kép, thêm cổng PoE hoặc COM cách ly qua mô-đun iDoor. Với vị trí chạy mô hình cấp 2 hoặc xử lý ảnh gần dây chuyền, Cincoze DS-1300 dùng CPU Xeon hoặc Core thế hệ 10 tới 80 W, dải nhiệt −40 đến 70 °C với CPU 35 W (CPU mạnh hơn cần bộ quạt ngoài và hạ dải nhiệt), mở rộng cổng bằng mô-đun CMI, CFM, MEC, đạt EN 50121-3-2 (phần EMC của EN 50155) và MIL-STD-810G về rung sốc. Với vị trí HMI tại giá cán, máy cắt, Advantech TPC-1251T 12,1 inch có mặt trước phẳng IP66, cảm ứng điện trở 5 dây bấm được bằng găng, không quạt, dải nhiệt −20 đến 60 °C, vỏ hợp kim nhôm có nối đất.
4. Ví dụ triển khai tự động hóa ngành thép
Điều khiển chiều dài cắt và tốc độ nối tầng ở dàn cán thanh. Bài toán: dàn cán 16 giá cán, tốc độ từng giá chỉnh tay theo kinh nghiệm, phôi bị chùng hoặc căng quá gây kẹt; máy cắt bay cắt sai chiều dài làm tăng đầu thừa. Thiết bị: bộ điều khiển truyền động và PLC tốc độ cao đóng vòng tốc độ theo tín hiệu bộ tạo vòng; encoder trên trục dẫn và máy đo tốc độ laser đưa về PLC cắt bay; máy tính DIN-rail không quạt trong tủ mỗi cụm giá cán gom tín hiệu và đẩy lên SCADA; HMI panel PC mặt trước IP66 tại bàn cán. Kết quả kỳ vọng: giảm kẹt phôi do lệch tốc độ, chiều dài cắt ổn định theo dung sai đặt, thời gian dừng phân tích được theo nguyên nhân.
Giữ mức khuôn và dự báo thủng vỏ ở máy đúc liên tục. Bài toán: mức thép trong khuôn dao động khi đổi thùng rót và khi tốc độ kéo thay đổi, từng xảy ra thủng vỏ phôi. Thiết bị: cảm biến mức dòng xoáy và cơ cấu thanh chặn nối PLC dự phòng nóng chạy vòng điều khiển mức 1–10 ms; cặp nhiệt điện trong thành khuôn đưa về máy tính công nghiệp chạy mô hình dự báo thủng, nối PLC qua PROFINET, đặt trong tủ nối đất cạnh sàn đúc, dải nhiệt tới 70 °C; nước làm mát thứ cấp điều chỉnh theo tốc độ kéo từ mô hình cấp 2. Kết quả kỳ vọng: mức khuôn ổn định khi đổi thùng, cảnh báo thủng trước khi thành sự cố, hồ sơ nhiệt từng phôi để đối chiếu chất lượng.
Điều chỉnh điện cực và hồ sơ năng lượng theo mẻ ở lò hồ quang. Bài toán: điện năng cho một tấn thép dao động lớn giữa các ca, không có số liệu để so sánh mẻ. Thiết bị: bộ điều chỉnh điện cực đọc dòng và điện áp từng pha, PLC chạy chương trình công suất theo giai đoạn nấu; máy tính công nghiệp cổng cách ly trong tủ nối đất gom số liệu điện, oxy, than, nước làm mát, đẩy lên máy tính cấp 2 tính năng lượng theo mẻ. Kết quả kỳ vọng: mỗi mẻ có hồ sơ năng lượng và thời gian nấu, chương trình công suất chỉnh theo loại phế liệu, giảm dao động điện năng giữa các ca.
Chọn thiết bị cho tự động hóa ngành thép
Với vị trí gom tín hiệu và giao tiếp PLC trong tủ điện tại dàn cán, máy cắt, máy cuộn, chọn trong danh mục máy tính công nghiệp không quạt theo ba tiêu chí: cổng DI/DO và COM cách ly, nhiều cổng LAN để tách mạng, đầu vào nguồn kép. Advantech UNO-1372G đáp ứng cả ba với 3 LAN Gigabit có dự phòng, 4 DI và 4 DO cách ly, 2 COM, nguồn kép và gắn DIN-rail. Với máy chạy mô hình cấp 2 gần dây chuyền, xử lý tín hiệu trục đo phẳng hoặc ảnh camera đọc số cuộn, Cincoze DS-1300 có CPU Xeon hoặc Core thế hệ 10, dải nhiệt −40 đến 70 °C với CPU 35 W và mô-đun mở rộng CMI, CFM, MEC để thêm cổng theo dự án. Với HMI tại giá cán và máy cắt, Advantech TPC-1251T 12,1 inch mặt trước IP66, cảm ứng điện trở bấm được bằng găng, không quạt, dải nhiệt −20 đến 60 °C. Nếu chưa rõ vị trí lắp cần dải nhiệt, mức cách ly hay số cổng nào, dùng công cụ chọn máy theo điều kiện lắp đặt: nhập nhiệt độ, bụi, rung, nguồn điện và số cổng, công cụ lọc ra các dòng đáp ứng để đối chiếu trước khi hỏi báo giá.
Câu hỏi thường gặp về tự động hóa ngành thép
Cấp 1 và cấp 2 trong tự động hóa ngành thép khác nhau ở đâu?
Cấp 1 là điều khiển thời gian thực bằng PLC và bộ điều khiển truyền động: đọc cảm biến, ra lệnh cho động cơ, van, xi lanh theo chu kỳ mili giây. Cấp 2 là máy tính chạy mô hình quá trình: tính lịch cán, nhiệt độ, lượng oxy cho từng mẻ hoặc từng phôi rồi gửi giá trị đặt xuống cấp 1 và học lại từ kết quả đo. Cấp 1 giữ máy chạy đúng, cấp 2 quyết định chạy với thông số nào.
Dàn cán cũ chỉ có PLC, có thêm được điều khiển chiều dày tự động không?
Được nếu có đủ ba thứ: cơ cấu ép hydraulic hoặc động cơ ép đủ nhanh, cảm biến đo dày hoặc đo lực cán và một bộ điều khiển đủ chu kỳ để đóng vòng. Phần tính toán có thể đặt ở PLC đời mới hoặc máy tính công nghiệp thời gian thực nối PLC hiện có qua PROFINET hoặc Modbus TCP; phần cơ khí thường là hạng mục tốn nhất.
Máy tính công nghiệp trong hệ tự động hóa ngành thép nên đặt ở đâu?
Máy làm nhiệm vụ cấp 1 mở rộng như gom tín hiệu, xử lý ảnh, cân phải đặt gần thiết bị trong tủ nối đất, chọn dòng không quạt chịu 60–70 °C và cổng cách ly. Máy cấp 2 và SCADA đặt trong phòng điều khiển có điều hoà, ưu tiên dự phòng nguồn, ổ đĩa và mạng. Yêu cầu môi trường cụ thể nằm trong bài máy tính công nghiệp cho nhà máy thép.
Nên tự động hoá khâu nào trước khi ngân sách có hạn?
Chọn khâu đang gây phế phẩm hoặc dừng máy nhiều nhất và có cảm biến đo được kết quả. Ở nhiều nhà máy cán thanh đó là điều khiển chiều dài cắt và tốc độ giữa các giá cán; ở nhà máy luyện là điều chỉnh điện cực và ghi năng lượng theo mẻ. Khâu làm trước phải để lại cổng và giao thức chuẩn để khâu làm sau nối vào.