Máy tính công nghiệp cho nhà máy thép là dòng máy không quạt, vỏ kín, cổng cách ly, chịu được nhiệt bức xạ từ lò và phôi nóng, bụi kim loại dẫn điện, nhiễu điện từ của lò hồ quang và biến tần, rung của dàn cán. Máy tính văn phòng đặt trong xưởng thép thường hỏng trong vòng một năm vì bụi oxit sắt hút qua quạt và nhiễu làm treo máy. Bài này nêu tổng quan môi trường, yêu cầu kỹ thuật, các ứng dụng chính (điều khiển cán, giám sát lò, cân, truy xuất phôi) và bảng vị trí → yêu cầu → thiết bị. Góc tự động hoá quy trình được viết riêng trong bài tự động hóa trong ngành thép; góc chuyển đổi số và MES trong bài chuyển đổi kỹ thuật số trong ngành thép.
1. Môi trường nhà máy thép và vị trí đặt máy tính công nghiệp
Một nhà máy thép dài, dù luyện từ phế liệu bằng lò hồ quang hay từ gang lỏng bằng lò thổi, đều đi qua các khu: luyện, đúc liên tục, cán nóng, cán nguội hoặc xử lý bề mặt, kho phôi và kho cuộn, trạm cân xe. Máy tính công nghiệp nằm ở ba lớp:
- Tại thiết bị: HMI và panel PC (máy tính tích hợp màn hình cảm ứng) cạnh dàn cán, máy cắt, máy cuộn; máy hộp trong tủ điện tại chỗ gom tín hiệu PLC, cân, cảm biến nhiệt độ.
- Tại khu: máy tính gom dữ liệu của cả khu luyện hoặc khu cán, chạy phần mềm giám sát cấp 1, camera nhiệt và camera giám sát, nối lên mạng nhà máy.
- Phòng điều khiển trung tâm: máy chủ và máy trạm chạy SCADA (giám sát và thu thập dữ liệu), MES, hệ thống cân và truy xuất; điều kiện phòng cách nhiệt.
Ba yếu tố làm thiết bị điện tử ở đây khác mọi ngành khác. Nhiệt: bức xạ từ lò, thùng rót, phôi và cuộn nóng làm không khí quanh thiết bị lên 45–60 °C, tủ điện kín còn cao hơn. Bụi kim loại: oxit sắt, vảy cán và bụi than chì dẫn điện, bám vào bo mạch gây chập. Nhiễu điện từ: lò hồ quang kéo dòng hàng chục kA với hồ quang không ổn định, biến tần công suất lớn của động cơ cán và cầu trục tạo nhiễu dẫn và nhiễu bức xạ mạnh. Cộng thêm rung của máy cán, hơi nước làm mát và dầu ở khu cán nguội.
2. Yêu cầu kỹ thuật của máy tính công nghiệp cho nhà máy thép
Bảng dưới là các tiêu chí nên ghi vào yêu cầu kỹ thuật. Mức yêu cầu thay đổi theo lớp: tại thiết bị cao nhất, phòng điều khiển thấp nhất.
| Tiêu chí | Yêu cầu | Ghi chú theo vị trí |
|---|---|---|
| Dải nhiệt hoạt động | −20 đến 70 °C cho máy đặt tại thiết bị và trong tủ gần lò, dàn cán; 0–50 °C cho tủ có điều hoà hoặc phòng điều khiển | Tủ kín cộng 10–15 °C so với không khí; CPU mạnh thường có dải nhiệt hẹp hơn |
| Bụi kim loại | Không quạt, vỏ kín, không khe gió; panel PC mặt trước IP65; tủ điện có lọc bụi hoặc quạt tạo áp dương | Bụi oxit sắt dẫn điện, không được để lọt vào bo mạch |
| Nhiễu điện từ | Cổng COM, DIO cách ly; vỏ kim loại nối đất; đạt CE về tương thích điện từ (EN 61000-6-2 cho môi trường công nghiệp); cáp mạng có bọc hoặc cáp quang | Gần lò hồ quang, biến tần, cầu trục là nơi nhiễu mạnh nhất |
| Rung, sốc | Rung 2 Grms theo IEC 60068-2-64, sốc 30–50 G theo IEC 60068-2-27; SSD hoặc eMMC, không dùng ổ cứng cơ | Dàn cán, máy cắt bay, máy cuộn rung liên tục |
| Ẩm, dầu, hơi nước | Độ ẩm 95 % không ngưng tụ; lớp phủ bo mạch nếu đặt ở khu cán nguội, tẩy gỉ, mạ | Nước làm mát và hơi axit ở khu tẩy gỉ ăn mòn đầu nối |
| Nguồn điện | 24 V DC qua bộ nguồn công nghiệp có lọc; đầu vào nguồn kép hoặc UPS cho trạm ghi dữ liệu; dải rộng 9–36 V DC nếu đặt trên xe, cầu trục | Lò và động cơ cán gây sụt áp, nhấp nháy điện áp lưới nội bộ |
| Cổng kết nối | 2–6 cổng COM RS-232/485 cho cân, bộ hiển thị nhiệt độ, máy in mã; 2–3 LAN tách mạng điều khiển và mạng nhà máy; DIO cách ly; PoE cho camera | Nhiều thiết bị đo trong ngành thép vẫn dùng Modbus RTU qua RS-485 |
| Vận hành, dự phòng | 24/7, watchdog, dự phòng LAN, khởi động lại từ xa; vòng đời cung ứng dài để thay thế đồng nhất | Lò và dàn cán dừng ngoài kế hoạch tốn nhiều hơn giá máy tính rất nhiều lần |
Yêu cầu cách ly và nối đất quan trọng ngang dải nhiệt. Máy đủ chịu nóng nhưng cổng COM không cách ly sẽ chết vì chênh điện thế đất giữa hai tủ cách nhau vài chục mét, điều rất thường gặp trong nhà máy thép.
3. Ứng dụng và cách chọn máy tính công nghiệp theo vị trí trong nhà máy thép
Bốn ứng dụng lặp lại ở mọi nhà máy thép: điều khiển và giám sát dàn cán, giám sát lò, cân (cân xe, cân phôi, cân cuộn) và truy xuất phôi, cuộn. Bảng dưới gắn từng ứng dụng với tiêu chí và dòng máy trong danh mục IPC247. Cách phân lớp điều khiển (PLC, DCS, SCADA) được nêu trong bài hệ thống điều khiển công nghiệp; phần mềm giám sát cấp trên trong bài hệ thống SCADA là gì.
| Vị trí, ứng dụng | Yêu cầu chính | Thiết bị gợi ý |
|---|---|---|
| Tủ điện dàn cán: gom tín hiệu PLC, encoder, cảm biến nhiệt, hiển thị cho vận hành | Gắn DIN-rail trong tủ, nhiều LAN nối PLC và mạng nhà máy, DIO cách ly, nguồn kép, chịu rung | Advantech UNO-1372G: Atom 4 nhân, 3 LAN Gigabit có dự phòng, 2 COM, 4 DI và 4 DO cách ly, đầu vào nguồn kép, gắn DIN-rail, không quạt, −20 đến 60 °C khi có luồng gió 0,7 m/s và SSD công nghiệp, thêm PoE hoặc COM cách ly qua iDoor |
| HMI tại máy cán, máy cắt, máy cuộn | Màn hình cảm ứng bấm được bằng găng, mặt trước IP65, không quạt, dải nhiệt rộng | Panel PC mặt trước IP65/IP66 như dòng Advantech TPC; máy tính đặt trong tủ, ngoài chỉ để màn hình công nghiệp nếu gần lò |
| Giám sát lò: nhiệt độ vỏ lò, camera nhiệt, khí thải, nước làm mát | Nhiều COM cho bộ hiển thị và bộ ghi, LAN cho camera nhiệt, chịu nóng 70 °C, nguồn 9–36 V | Advantech ARK-2121F: 6 cổng COM, 6 USB, DIO cách ly, 2 LAN, nguồn 9–36 V DC, dải nhiệt −20 đến 70 °C khi dùng SSD và RAM nhiệt rộng, có luồng gió 0,7 m/s (lắp HDD chỉ 0–45 °C), khe mini PCIe kèm khay SIM |
| Trạm cân xe, cân phôi, cân cuộn | COM nối đầu cân, DIO điều khiển đèn và barie, camera biển số, in phiếu, chạy 24/7 ngoài trời | ARK-2121F trong tủ trạm cân; camera qua LAN, máy in phiếu qua USB hoặc COM |
| Truy xuất phôi, cuộn: in mã, đọc mã, camera nhận diện số cuộn, ghi mác thép và trọng lượng | CPU đủ mạnh cho xử lý ảnh, PoE cấp nguồn camera, mạng 10 GbE về máy chủ, chịu nhiệt tại khu cán | Cincoze DS-1300: Xeon hoặc Core thế hệ 10, tuỳ chọn 2 LAN 10 GbE, mô-đun CFM cấp PoE, mô-đun CMI thêm cổng, ổ NVMe, dải nhiệt −40 đến 70 °C với CPU 35 W, MIL-STD-810G |
| Phòng điều khiển trung tâm: SCADA, MES, cân, truy xuất | Máy chủ dự phòng nguồn và ổ đĩa, máy trạm nhiều màn hình, mạng dự phòng | Máy chủ công nghiệp và máy trạm; máy hộp nhúng cho tường màn hình và camera |
4. Ví dụ triển khai máy tính công nghiệp trong nhà máy thép
Gom dữ liệu dàn cán thanh. Bài toán: dàn cán 18 giá cán dùng PLC của nhiều đời khác nhau, số liệu tốc độ, lực cán, nhiệt độ phôi ghi tay theo ca; máy tính văn phòng đặt trong tủ treo máy mỗi khi lò hồ quang nạp liệu. Thiết bị: mỗi cụm giá cán một máy DIN-rail không quạt trong tủ, 3 cổng LAN tách mạng PLC và mạng nhà máy, DIO cách ly nhận tín hiệu chạy dừng, nguồn kép từ hai bộ nguồn công nghiệp; cáp quang nối về phòng điều khiển. Kết quả kỳ vọng: dữ liệu từng phôi có thời gian thật, không còn treo máy khi lò nạp liệu, thời gian dừng phân tích được theo nguyên nhân.
Giám sát lò hồ quang và hệ thống nước làm mát. Bài toán: cần đọc nhiệt độ vỏ lò, lưu lượng và nhiệt độ nước làm mát tấm panel, khí thải, cảnh báo sớm rò nước vào lò; thiết bị đo dùng Modbus RTU qua RS-485 và một camera nhiệt. Thiết bị: máy hộp không quạt 6 cổng COM và 2 LAN, dải nhiệt tới 70 °C, đặt trong tủ nối đất cạnh lò, cổng COM cách ly, camera nhiệt qua LAN, dữ liệu đẩy lên SCADA. Kết quả kỳ vọng: cảnh báo rò nước trước khi thành sự cố, hồ sơ nhiệt từng mẻ để tối ưu điện năng.
Truy xuất cuộn thép từ đúc đến kho. Bài toán: cuộn ra khỏi máy cuộn phải gắn mã, cân, ghi mác thép và kích thước, xếp kho đúng vị trí; nhầm cuộn gây khiếu nại khách hàng. Thiết bị: tại máy cuộn một máy tính nhúng nối máy in mã và cân; tại kho một máy chủ nhúng nhận camera PoE nhận diện số cuộn trên xe nâng và cầu trục, nối MES qua mạng 10 GbE. Kết quả kỳ vọng: mỗi cuộn có hồ sơ từ đúc đến xuất kho, tra ngược mẻ luyện từ mã cuộn trong vài giây.
Chọn thiết bị cho nhà máy thép
Với tủ điện tại dàn cán và trạm gom PLC, chọn trong danh mục máy tính công nghiệp không quạt theo ba tiêu chí: dải nhiệt đủ cho nhiệt độ trong tủ, cổng COM và DIO cách ly, nguồn kép. Advantech UNO-1372G gắn DIN-rail, 3 LAN có dự phòng, 4 DI và 4 DO cách ly, đầu vào nguồn kép, chạy −20 đến 60 °C khi có luồng gió 0,7 m/s và SSD công nghiệp, hợp với tủ dàn cán và tủ cắt có thông gió. Advantech ARK-2121F với 6 cổng COM, nguồn 9–36 V DC, dải nhiệt −20 đến 70 °C khi dùng SSD và RAM nhiệt rộng (lắp HDD chỉ 0–45 °C) hợp với giám sát lò, trạm cân và trạm đo có nhiều thiết bị Modbus. Cincoze DS-1300 với CPU Xeon hoặc Core thế hệ 10, PoE, mạng 10 GbE và dải nhiệt −40 đến 70 °C với CPU 35 W (CPU 58–65 W chỉ tới 50 °C) hợp với trạm xử lý ảnh nhận diện số cuộn, camera nhiệt và máy gom dữ liệu cấp khu. Panel PC mặt trước IP65 dùng cho HMI tại máy, đặt cách xa vùng bức xạ nhiệt trực tiếp. 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 máy tính công nghiệp cho nhà máy thép
Máy tính công nghiệp đặt gần lò luyện thép cần dải nhiệt bao nhiêu?
Không khí quanh lò hồ quang, lò thổi và dàn cán nóng thường 45–60 °C, trong tủ điện kín cao hơn 10–15 °C nữa. Nên chọn dòng không quạt có dải hoạt động tới 70 °C và đặt trong tủ có lọc bụi, hoặc đưa máy ra phòng điều khiển cách nhiệt, tại chỗ chỉ để màn hình công nghiệp và HMI.
Vì sao máy tính văn phòng đặt trong xưởng thép hay hỏng dù không quá nóng?
Bụi oxit sắt và vảy cán là bụi kim loại dẫn điện; quạt hút bụi vào bo mạch gây chập ngầm sau vài tháng. Thêm vào đó nhiễu điện từ từ lò hồ quang, biến tần và cầu trục gây treo máy, hỏng cổng mạng. Máy công nghiệp không quạt, vỏ kín, cổng cách ly và nối đất đúng cách giải quyết cả hai nguyên nhân.
Nhiễu điện từ trong nhà máy thép chống bằng cách nào ở phần máy tính?
Chọn máy có cổng COM và DIO cách ly quang hoặc cách ly điện, dùng cáp mạng có vỏ bọc và nối đất một đầu, đặt máy trong tủ kim loại nối đất, tách nguồn máy tính khỏi nguồn động lực qua bộ nguồn công nghiệp có lọc. Với tuyến dài giữa các khu, dùng cáp quang thay cáp đồng.
Truy xuất phôi và cuộn thép cần thiết bị gì ở phần cứng?
Mỗi phôi hoặc cuộn cần một mã nhận dạng gắn ngay khi ra khỏi đúc hoặc cán: in phun, đóng số hoặc dán thẻ chịu nhiệt. Máy tính công nghiệp tại từng trạm nối máy in mã, đầu đọc mã hoặc camera nhận diện số, cân và PLC để ghi trọng lượng, mác thép, kích thước theo mã đó, rồi đẩy lên MES.