Hệ thống điều khiển phân tán trong nhà máy xi măng Sông Gianh

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN TRONG NHÀ MÁY 
XI MĂNG SÔNG GIANH 
DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM IN 
SONG GIANH CEMENT PLANT 
Đoàn Quang Vinh, Nguyễn Kim Ánh 
Khoa Điện, trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng 
TÓM TẮT 
Bài báo giới thiệu các giải pháp kỹ thuật trong hệ thống điều khiển phân tán. Đặc biệt là vấn đề 
sản xuất xi măng theo công nghệ mới rất đồng bộ và hiện đại hiện đang được áp dụng tại nhà máy xi 
măng Sông Gianh. 
ABSTRACT 
The article introduces the distributed control system and technical solution, especially the new, 
synchornous and very moder technology of cement production at the Song Gianh Cement plant. 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Bộ mặt tự động hoá ở miền Trung đang 
dần dần thay đổi từng ngày. Cùng với sự phát 
triển của hai đầu đất nước, các nhà máy xí 
nghiệp tại miền Trung đang tiến hành lắp đặt 
và cải tạo mới, mạnh dạn đưa vào đưa vào 
những thiết bị, công nghệ tiên tiến của các 
nước công nghiệp hiện đại như: Canada, Nhật, 
Mỹ và một số nước trong khối EU. Điển hình 
trong đó có nhà máy xi măng Sông Gianh tại 
Quảng Bình. Cũng có nhiều bài báo nói về 
những công nghệ xi măng vì đây là một trong 
những nghành công nghiệp mũi nhọn, nó ảnh 
hưởng trực tiếp đến giá cả thị trường một khi 
thị trường xi măng biến động. Hơn nữa với đặc 
điểm phân bố trên diện tích rộng và hệ thống 
truyền động công suất lớn dẫn đến việc điều 
khiển và khống chế các quá trình quá độ cũng 
rất khó khăn và phức tạp. Với công nghệ tiên 
Hình 1: Tổng quan toàn bộ dây chuyền sản xuất xi măng khép kín 
tiến, đồng bộ và hiện đại, việc áp dụng công 
nghệ mới nhất cho phép sản xuất xi măng ổn 
định với chất lượng cao, tương lai sẽ mang lại 
năng suất và hiệu quả kinh tế lớn. 
2. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG 
TẠI NHÀ MÁY XI MĂNG SÔNG 
GIANH 
Sản xuất xi măng theo phương pháp khô, 
hệ thống lò quay, tháp trao đổi nhiệt gồm hai 
nhánh (5 tầng cho một nhánh). Buồng phân 
huỷ (calciner) đốt hoàn toàn bằng than cám 4a 
Hòn Gai. Công suất lò quay 4000 tấn 
clanhker/ngày. Xi măng đạt tiêu chuẩn 
PCB30xPBC40 (TCVN6260-1997) và PC50 
(TCVN 2682-1999 ). Việc chế tạo thiết bị phù 
hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam. Quá trình 
sản xuất được tự động hoá hoàn toàn. Thiết bị 
điện của 14 trạm điện phân xưởng, hệ thống 
chiếu sáng, thiết bị điều chỉnh hệ số công suất, 
các tổ máy phát điện dự phòng, cáp quang, hệ 
thống dò và cảnh báo cháy; hệ thống điều 
khiển tối ưu, hệ thống điều khiển trung tâm 
CCR (Centrer Control Room), điều khiển cục 
bộ LCR (local control room), hệ thống quản lý 
thông tin IMS, lấy mẫu tự động và thí nghiệm, 
các phụ kiện dự phòng, thay thế và các dịch vụ 
khác do hãng ABB cung cấp. 
3. HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 
VÀ GIÁM SÁT QUÁ TRÌNH 
Để quản lý hệ thống một cách đồng bộ, 
tin cậy, đáp ứng được thời gian thực thì hệ 
thống phải tổ chức như thế nào về vấn đề kết 
nối, phân chia nhiệm vụ làm việc và phải có độ 
dự phòng cao. Tất cả những vấn đề này đòi hỏi 
phải có một hệ thống mở và đa nhiệm. 
Toàn bộ quá trình sản xuất của nhà máy 
được thực hiện tự động hoá ở mức độ cao và 
điều khiển tập trung CCR (Central Control 
Room) để kiểm soát toàn bộ hoạt động của nhà 
máy, đồng thời cho phép điều chỉnh kịp thời 
các thông số khi chất lượng của sản phẩm thay 
đổi hoặc khi có sự cố bất thường xảy ra. 
Hệ DCS là hệ điều khiển chia sé, tại một 
thời điểm đảm nhận một lượng lớn các tác vụ. 
Để thực hiện được điều này toàn bộ nhà máy 
được trang bị 8 Server được chia làm 5 nhóm. 
3.1 Hệ thống điều khiển quá trình 
Trang bị hai Connectivity Server, ba 
Aspcet Server. Tất cả hai nhóm này được thiết 
kế như một hệ thống kép có cấu trúc dự phòng 
nóng. 
Tầng trên cùng là năm trạm vận hành 
OS1, OS2, OS3, OS4, OS5 (Operator Station) 
để điều khiển và giám sát các công đoạn sau: 
Chứa và vận chuyển nguyên liệu; đồng nhất 
bột liệu và cung cấp cho lò nung; làm nguội 
clanhke, kho chứa xuất clanhke và các bộ phận 
Hình 2: Hệ thống DCS của một phần nhà máy 
dịch vụ; nghiền xi măng; nghiền than; các trạm 
đập đá vôi, đá shake ;vận chuyển và chứa phụ 
gia; đóng bao, xuất xi măng bao và xi măng 
rời; cảng nhà máy; các trạm điện của toàn nhà 
máy. Hệ thống thiết kế sao cho mỗi trạm vận 
hành (OS) có thể kiểm tra và giám sát từ 2 
công đoạn trở lên. 
- Các máy in báo động, cảnh báo, báo 
cáo, máy hardcopy màu. 
- Trạm kĩ thuật ES (Engineer Station) 
sử dụng cho việc biên soạn, lưu 
chương trình và đào tạo kỹ thuật. 
- Trạm kiểm tra hệ thống (Test 
System) dùng để kiểm tra hệ thống 
định kỳ trong quá trình bảo dưỡng 
hoặc nâng cấp. 
Tất cả được kết nối như một mạng LAN 
theo chuẩn Ethernet (TCP/IP). 
Các trạm PCS (Processor Control 
Station) là các PLC AC800M, một số được lắp 
đặt các trạm điện của nhà máy. Các khu vực 
quan trọng đều được trang bị PLC với 2 
Processor/CPU. Các trạm điều khiển quá trình 
này được nối với tuyến cáp dữ liệu kép để đưa 
về hệ thống hai Connectivity Server. Thông tin 
giữa các server với các trạm vận hành và điều 
khiển quá trình liên hệ với nhau bằng hệ thống 
cáp quang kép loại sợi thuỷ tinh theo chuẩn 
Ethernet (TCP/IP). Mạng này gọi là 
Cleint/Server Network. 
Hình 4: Hệ thống có dự phòng cho PLC AC800M 
Hình 3: Hệ thống có dự phòng cho Connectivity Server & Aspect Server 
Các tủ phân tán RPC (Remote Periphery 
Center) chứa các module phân tán S800-I/O, tủ 
điều khiển động cơ trung tâm MCC (Motor 
Control Center) chứa các bộ biến tần, các tủ 
máy cắt được lắp đặt tại các phòng điện của 
khu vực sản xuất. Số I/O phù hợp từng cụm 
thiết bị, ngoài ra còn có 20% dự phòng. Tất cả 
đều đưa về các CPU AC800M thông qua tuyến 
cáp quang theo chuẩn Profibus DP. Các khu 
vực dẽ xảy ra cháy nổ như khu vực lò nung, 
trạm nghiền tất cả đều làm việc theo chuẩn 
Profibus PA. Từ AC800M kết nối với các 
Server qua mạng Ethernet (TCP/IP) còn gọi là 
Cotrol Network. 
Cotrol Network: Là mạng cục bộ (LAN), 
việc tối ưu hoá về thời gian được thực hiện ở 
mức cao và đáng tin cậy. Thời gian của các 
phản hồi có thể biết trước. Thiết bị của mạng 
điều khiển và Server được kết nối qua mạng 
Control Network. Các thiết bị như: các 
Controller, robots, variable, speed drives 
Chức năng của hai Connectivity Server 
(Redandunt): 
Connectivity Component: Cung cấp các 
dịch vụ truy cập dữ liệu theo thời gian thực, 
nhật ký vận hành, các cảnh báo và sự kiện từ 
các thiết bị lưu trữ khác trong mạng. 
Connectivity Product: Chức năng up-
load, hỗ trợ cho việc thiết lập cấu hình, các đồ 
hoạ cơ bản, đóng gói dữ liệu hỗ trợ đường 
truyền cho hệ thống AC800M đến kho lưu trữ. 
Server: Cung cấp các dịch vụ truy cập 
đến cácc Cotroller theo thời gian thực. Trên 
Connectivity chạy các dịch vụ: OPC/DA, 
APC/AE, OPC/HAD và SysMsg. 
Trong đó gói phần mềm OPC Server cho 
AC800M/C là cần thiết cho việc đọc các dữ 
liệu, cảnh báo, sự kiện theo thời gian thực từ 
bộ điều khiển. Gói phần mềm này được cài đặt 
trong Connectivity Server. Nó bao gồm những 
thành phần sau: 
OPC Data Access Server: Có nhiệm vụ 
chuyển dữ liệu từ bộ điều khiển lập trình đến 
Control Builder Software (phần mềm lập trình 
và quản lý cho hệ thống AC800M) thông qua 
gói phần mềm OPC Data Access 2.0 và 1.0A. 
OPC Alarm and Event Server: Có nhiệm 
vụ tạo ra luồng thông tin. Hầu hết các sự kiện 
là được định nghĩa trước. Các sự kiện và cảnh 
báo đó trên các clients do gói phần mềm Alarm 
and Event 1.02 Standard hỗ trợ. 
Quá trình truyền thông đối với cấp có 
mức ưu tiên thấp hơn. Chu kỳ vòng quét đối 
với các Controller phải thấp hơn 60%. Tốt nhất 
là từ 30÷40% thời gian của chu kỳ vòng quét. 
Phần mềm Control Builder (cho 
AC800M/C), Graphics Builder (cho việc giám 
sát và điều khiển quá trình), AutoCAD (cho 
Mechanical Aspect)Tại Các Server này sẽ 
thực hiện việc phân chia quyền sử dụng cho 
các WorkSpace, tạo giao diện người máy HMI, 
cảnh báo, dồ thị, báo cáoSự làm việc của các 
Server này đòi tính đáp ứng thời gian thực rất 
cao. 
Tính thời gian thực là khả năng đáp ứng 
kịp thời và chính xác. Hệ thống phải đáp ứng 
kịp thời với các sự kiện không thể dự báo 
trước và phải xử lý nhiều sự kiện xảy ra cùng 
một lúc. Ngoài ra hệ thống còn dự báo trước 
được thời gian tiêu biểu của các quá trình phản 
ứng. Để làm được điều này, hệ thống các 
Server mạng trong hệ DCS phải có các phần 
mềm thời gian thực tương ứng. Nó có chức 
năng quản lý, phân chia quá trình tính toán cho 
các hệ vi xử lý theo từng cấp tuỳ theo phạm vi 
chức năng. Phân chia thời gian để thực hiện 
xen kẻ nhiều nhiệm vụ khác nhau theo mức ưu 
tiên và theo phương pháp lập lịch 
COM/DCOM 
OPC
OPC for AC800M
MMS Server 
Control
Cotroller
MMSEthernet
Cotroller Cotroller
Hình 5: Hệ thống truyền thông qua OPC package 
3.2 Hệ thống điều khiển tối ưu chuyên 
gia lò : 
Để tăng năng suất, chất lượng sản phẩm, 
tối ưu hoá năng lượng tiêu thụ của lò. Một hệ 
thống điều khiển tối ưu chuyên gia lò sẽ được 
cung cấp. Hệ thống cho phép: 
- Không can thiệp của người vận hành 
nhờ tối ưu hoá các điều kiện vận 
hành dựa trên các thông số vận hành. 
- Đảm bảo vận hành lò ổn định, đồng 
đều theo đường đặc tính nung nhờ 
điều khiển lượng nhiên liệu cấp cho 
lò, tốc độ, lưu lượng các quạt làm 
nguội, nước làm nguội như một hàm 
làm nguội cung cấp cho lò và chất 
lượng của clanhke. Những nhiễu 
loạn xuất hiện trong lò sẽ được phát 
hiện nhờ các bộ sensor theo thời 
gian thực cũng đưa vào tính toán để 
điều khiển lò. 
- Để đảm bảo vận hành an toàn theo 
đường đặc tính nung bằng việc điều 
chỉnh các thông số vận hành như 
một hàm tỉ lệ của O2 & CO trong lò 
và trong calciner. 
Hệ thống điều khiển tối ưu chuyên gia 
nghiền liệu và nghiền xi măng cũng được áp 
dụng tương tự. 
3.3. Hệ thống giám sát nhiệt độ vỏ lò và 
nhiệt độ của máy nghiền được sử dụng máy 
quét Scanner và hoả kế quang học 
Trong dây chuyền sản xuất xi măng, chất 
lượng clan-ke quyết định chất lượng của xi 
măng. Lò quay là thiết bị quan trọng nhất, do 
kết cấu rất lớn vì vậy việc giám sát nhiệt độ 
của toàn bộ thân lò cũng rất phức tạp, hơn nữa 
thân lò được chia làm 3 zone với những chức 
năng khác nhau và nhiệt độ chênh lệch nhau 
nhiều trong đó zone giữa có nhiệt độ khoảng 
1450°C. Một máy quét hồng ngoại được sử 
dụng để thu tia hồng ngoại phát ra từ lò và 
thông tin được đưa về máy tính, sử dụng các 
phương trình truyền nhiệt máy tính sẽ tính 
được nhiệt độ bên trong lò với sai số khoảng 
1°C, đồ thị nhiệt độ dọc trục lò được thể hiện 
lên màn hình... Và để điều khiển chất lượng 
của clan-ke một máy phân tích huỳnh quang 
tia X được sủ dụng, nó đo được nồng độ của 
10 nguyên tố hoá học (Ca, Si, Al, Fe, Na, K, S, 
Mg, Cl, P). Cùng với những số liệu thu thập 
được, máy tính được cài đặt phần mềm Expert 
Hình 6: Mô hình làm việc của hệ thống Aspect 
Optimizer V4.0 Sever điều chỉnh các thông số 
của lò theo phương trình toán học của quá 
trình công nghệ. Đồng thời các tín hiệu đó 
cũng được thu thập và điều khiển kịp thời trạm 
nghiền liệu để cho chất lượng xi măng là ổn 
định nhất. 
3.4. Hệ thống quản lý thông tin IMS: 
Sử dụng cho việc quản lý nhà máy, lập 
báo cáo, kế hoạch sản xuất, nhật kí vận hành 
thông qua IMS Server. Hệ thống có chức năng: 
- Lưu lại nhật kí vận hành của 
các cơ cấu chấp hành. 
- Giám sát được giá trị, trạng 
thái của các biến. 
- Vẽ đồ thị của các biến có trạng 
thái liên tục thay đổi. 
- Điều chỉnh lại kịp thời các dữ 
liệu không đúng. 
- Kiểm tra và chuẩn đoán lỗi của 
hệ thống. 
3.5. Mạng TIVI công nghiệp và mạng 
điện thoại cục bộ: 
Toàn nhà máy được thông qua 10 camera 
màu. Các camera này được trang bị hệ thông 
phóng to, thu nhỏ, quét dứng, quét ngang, điều 
chỉnh tiêu cự...Và làm sạch bụi, làm mát. Tất 
cả được kết nối tới hệ thống truyền hình công 
nghiệp VIDEO CONTROL MATRIX. Tất cả 
các điểm vận hành, khai thác nguyên liệu đều 
thông qua hệ thống điện thoại. 
3. 6. Phòng thí nghiệm và kiểm định 
chất lượng: 
Trang bị hệ thống chụp X-quang, siêu 
âm, từ tính...Để kiểm tra khuyết tật của mối 
hàn chịu ứng suất cao, bề mặt vết nứt, khe hở, 
Hình 8: Mô hình làm việc của IMS 
Server 
Hình 7: Máy quét nhiệt độ vỏ lò Scanner TK30 
các tạp chất trong vật liệu. Việc kiểm định chất 
lượng dựa trên tiêu chuẩn TVCN và theo các 
tiêu chuẩn được quốc tế công nhận như: IIS, 
IN, BS, ASM, AFNOF. 
Máy phân tích huỳnh quang tia X sẽ được 
cung cấp với 10 kênh đo cố định cho 10 
nguyên tố (Ca, Si, Al, Fe, Na, K, S, Mg, Cl, P) 
điều khiển bằng bộ vi xử lý được trang bị 
chương trình đo kiểm tra tình trạng của hệ 
thống và được hiển thị trên trạm vận hành nhờ 
POLAB Server. Máy tính xử lý dữ liệu của 
máy phân tích tia X sẽ được nối với các máy 
tính điều khiển của hệ thống thông qua các 
tuyến cáp truyền dữ liệu. Các mẫu liệu, xi 
măng...Sẽ được tự động đưa về phòng kiểm 
định chất lượng theo các khoảng thời gian định 
trước. 
4. KẾT LUẬN 
Với công nhệ tự động mới, đồng bộ và 
hiện đại mong rằng sự những ứng dụng tương 
tự sẽ mang lại cho nền công nghiệp của nước 
nhà có những có những bước tiến mềm dẻo, 
nâng lên tầm cao mới. 
Với một dây chuyền công nghệ phân 
bố trên diện tích rộng đòi hỏi phải có rất 
nhiều bộ phận điều khiển tham gia. Vậy 
làm như thế nào để người vận hành có thể 
quản lý hệ thống một cách đồng bộ, tin cậy 
nhất và phải đáp ứng được hệ thời gian 
thực. Tính năng thời gian thực của hệ 
thống điều khiển phân tán không chỉ phụ 
thuộc vào tính năng thời gian thực của 
từng thành phần trong hệ thống mà còn 
phụ thuộc vào sự phối hợp hoạt động giữa 
các thành phần đó (nghĩa là hệ thống phải 
đáp ứng được tính bị động, tính nhanh 
nhạy, tính đồng thời và tính tiền định). 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Technology document of the Song 
Gianh cement plant 
[2] John A. Stankovic, ACM Computing 
Surveys, Vol. 28, No. 4, December 1996 
[3] Automation documents of ABB 
Group. 
Hình 9: Hệ thống truyền hình công nghiệp của nhà máy