Cải hoán hệ thống điều khiển doa đầu ống thép VINAPIPE

Nhà máy VINAPIPE, đặt tại Hải Phòng, là công ty liên doanh đầu tiên tại Việt Nam chuyên sản xuất ống thép, được thành lập vào tháng 2 năm 1993 và chính thức khánh thành vào tháng 10 năm 1994. Công ty này là một liên doanh giữa Tổng công ty Thép Việt Nam, tập đoàn thép SEAN và tập đoàn thép POSCO, với tổng vốn pháp định là 10.000.000 USD. VINAPIPE chuyên sản xuất ống thép đen và ống mạ, sử dụng công nghệ hiện đại và thiết bị nhập khẩu hoàn toàn từ các nước phát triển như Nhật Bản, Pháp, Đức và Hàn Quốc. Sản phẩm của công ty đáp ứng đa dạng nhu cầu thị trường với chất lượng cao, phục vụ cả các công trình dân dụng và các dự án lớn như đường ống dẫn dầu, dẫn khí. Các sản phẩm ống thép có đường kính từ 1/2” đến 4”, chịu được áp lực cao. Mục tiêu sản lượng của công ty là trên 30.000 tấn/năm, và hiện tại đã có thêm dây chuyền sản xuất ống có đường kính nhỏ hơn 1/2”. Công ty cũng đang có kế hoạch đầu tư thêm dây chuyền sản xuất ống có đường kính trên 4” để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của khách hàng. Việc thành lập và hoạt động của VINAPIPE được sự đồng ý của Thủ tướng Chính phủ và Bộ Kế hoạch và Đầu tư, góp phần đáng kể vào sự phát triển kinh tế - khoa học kỹ thuật của Việt Nam nói chung và Hải Phòng nói riêng. Mặc dù hoạt động trong môi trường thị trường cạnh tranh, VINAPIPE vẫn duy trì hiệu quả sản xuất kinh doanh cao và giữ vững vị thế trên thị trường.

Nhà máy VINAPIPE vận hành hai dây chuyền tạo ống hiện đại (FM1 và FM2) để sản xuất ống thép. Quá trình sản xuất bao gồm nhiều công đoạn quan trọng. Đầu tiên là công đoạn cắt phôi, sử dụng các cuộn phôi nhập khẩu từ Hàn Quốc, Nhật Bản và Thái Lan vì Việt Nam chưa có nhà máy sản xuất cuộn phôi đáp ứng đủ nhu cầu. Sau khi cắt phôi thành các dải nhỏ, phôi được đưa vào dây chuyền tạo ống, nơi chúng được tạo hình, nắn tròn và hàn hai mép bằng phương pháp hàn cao tần. Ống sau khi được hàn sẽ được cắt theo chiều dài quy định. Tiếp theo là công đoạn nắn thẳng để đảm bảo ống thẳng, và công đoạn thử áp lực để kiểm tra độ bền và khả năng chịu áp lực cao của ống (thử áp lực bằng phương pháp bơm ép nước với áp suất 53kg/cm²). Cuối cùng, một phần ống đen được đóng gói và bán theo kế hoạch sản xuất của phòng kinh doanh, còn lại được đưa đi xử lý để làm sạch và chống gỉ sét. Toàn bộ quá trình sản xuất thể hiện sự đầu tư vào công nghệ hiện đại và cam kết chất lượng sản phẩm của VINAPIPE.

Do Việt Nam chưa có nhà máy sản xuất cuộn phôi đáp ứng nhu cầu, VINAPIPE phải nhập khẩu cuộn phôi từ Hàn Quốc, Nhật Bản và Thái Lan. Cuộn phôi được đưa vào máy cắt, sử dụng hệ thống dao cắt để tạo ra các dải phôi nhỏ hơn theo từng loại ống khác nhau. Một tang trống được truyền động bởi động cơ giúp giữ cuộn phôi tránh bị rối trong quá trình cắt. Phôi sau khi cắt được gắn vào tang trống của động cơ cuốn phôi, và chỉ động cơ này hoạt động trong khi các động cơ khác được tách khỏi hệ thống truyền động. Cuối cùng, phôi được đẩy ra ngoài nhờ một xylanh thủy lực. Công đoạn này đảm bảo cung cấp nguyên liệu đầu vào chất lượng cao và chính xác cho các công đoạn tiếp theo trong dây chuyền sản xuất ống thép.

Các dải phôi sau khi được cắt sẽ được đưa vào dây chuyền tạo ống (FM1 và FM2). Trong quá trình này, phôi được đưa vào liên tục, đồng thời được tạo hình thành ống tròn, nắn thẳng và hàn hai mép ống bằng phương pháp hàn cao tần. Sau khi hàn, ống được cắt theo chiều dài đã được quy định. Quá trình hàn cao tần được mô tả tương tự như một máy biến áp, với ống là cuộn thứ cấp, vòng hàn là cuộn sơ cấp, và lõi sắt là một thanh Ferit chịu nhiệt cao. Nước làm mát chạy xuyên qua thanh Ferit để tránh bị cháy. Vòng hàn được làm bằng ống đồng đường kính 10mm, bọc nhựa bên ngoài. Hai dây chuyền tạo ống FM1 và FM2 hoạt động độc lập và song song, giúp tăng năng suất sản xuất ống thép của VINAPIPE.

Sau khi tạo ống, tất cả các ống tròn được đưa vào máy nắn thẳng để đảm bảo độ thẳng cần thiết. Do yêu cầu về độ bền và khả năng chịu áp lực cao của ống thép, công đoạn thử áp lực được thực hiện sau khi nắn thẳng. Phương pháp thử áp lực sử dụng là bơm ép nước vào ống với áp suất 53kg/cm², nhằm kiểm tra xem ống có bị rò rỉ hay bục đường hàn hay không. Sau khi thử áp lực, một phần ống đen được chuyển đến bộ phận đóng gói để bán hàng theo kế hoạch của phòng kinh doanh. Phần ống còn lại được đưa vào xử lý trong các bể xử lý chuyên dụng để làm sạch, loại bỏ gỉ sét và đảm bảo chất lượng bề mặt ống trước khi đưa ra thị trường. Các công đoạn này đảm bảo chất lượng và độ tin cậy của sản phẩm ống thép trước khi đến tay người tiêu dùng.

Hệ thống điện - điện tử của công đoạn doa đầu ống tại VINAPIPE bao gồm các thành phần chính như: máy biến áp hạ áp (2 máy biến áp, một 2000 kVA hạ từ 3.3kV xuống 0.38kV cấp cho tủ TR-HF và một 1000 kVA hạ từ 3.3kV xuống 0.22kV cấp cho tủ TR-UT), các tủ điện (HF, UT, LVD-HF1, LVD-HF2, LVD-PM220, LVD-GA), aptomat (MCCB14 500A cấp cho máy nắn thẳng và máy doa đầu ống, MCCB15 125A cấp cho tổ điện và Boiler, MCCB2 và MCCB3), máy cắt (MC2, ACB1, ACB2), và các thiết bị đo lường, bảo vệ. Nguồn điện 3.3kV được cấp vào các tủ điện, sau đó được hạ áp và phân phối đến các thiết bị trong dây chuyền tạo ống FM1 và FM2, cũng như các thiết bị khác trong công đoạn doa đầu ống. Hệ thống này phức tạp và bao gồm nhiều thiết bị điện, điện tử khác nhau, đảm bảo cung cấp năng lượng và điều khiển chính xác cho toàn bộ quá trình.

Công đoạn doa đầu ống được điều khiển thông qua một hệ thống phức tạp bao gồm nhiều động cơ, xylanh thủy lực, xylanh khí nén, cảm biến và các công tắc hành trình. Ví dụ, động cơ quay lưỡi dao được điều khiển bằng các nút nhấn 5PB5LE (chiều thuận) và 5PB5LF (chiều ngược), thông qua rơle và công tắc tơ. Động cơ xe con chuyển phôi cũng được điều khiển tương tự bằng các nút nhấn 5PBL4A (chiều thuận) và 5PBL4B (chiều ngược). Hệ thống sử dụng các rơle thời gian (ví dụ T37) để điều chỉnh thời gian khởi động và chuyển đổi chế độ hoạt động của động cơ. Các nguồn thủy lực được điều khiển bằng các nút nhấn và van (ví dụ 4PBL2A, 4PB28, SV4A, SV3A) và công tắc hành trình (LS6, LS8) để nâng hạ con lăn và thân tang phôi. Sự phức tạp của hệ thống điều khiển đòi hỏi một giải pháp hiện đại và hiệu quả để đảm bảo sự hoạt động ổn định và chính xác của công đoạn doa đầu ống.

Đề tài nghiên cứu tập trung vào việc cải hoán hệ thống điều khiển công đoạn doa đầu ống bằng PLC Siemens S7-200. Việc sử dụng PLC cho phép tự động hóa và tối ưu hóa quá trình, tăng năng suất và độ chính xác. PLC sẽ thực hiện các chức năng điều khiển logic phức tạp, thay thế cho hệ thống rơle và dây nối truyền thống. Chương trình điều khiển được viết cho PLC nhằm đảm bảo vận hành trơn tru và chính xác của công đoạn, bao gồm việc điều khiển các động cơ, van, và phản hồi từ các cảm biến. Việc sử dụng PLC cũng giúp dễ dàng hơn trong việc giám sát, bảo trì và nâng cấp hệ thống trong tương lai. S7-200 với bộ nhớ 512 từ (1KB) và các chế độ ngắt khác nhau đáp ứng nhu cầu điều khiển của công đoạn này.

Bản đồ án sử dụng PLC (Programmable Logic Controller) Siemens S7-200 để thiết kế hệ thống điều khiển tự động cho công đoạn doa đầu ống. PLC S7-200 là một thiết bị điều khiển lập trình được, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua ngôn ngữ lập trình. Người dùng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện được kích hoạt bởi các tín hiệu vào (ngõ vào) hoặc các hoạt động có trễ thời gian. PLC liên tục lặp lại chương trình, chờ tín hiệu vào và xuất tín hiệu ra theo lập trình. Ban đầu, PLC được thiết kế để thay thế các hệ thống rơle và dây nối phức tạp, nhưng ngày nay, với sự phát triển của công nghệ, PLC có dung lượng nhớ lớn hơn, tốc độ xử lý nhanh hơn và nhiều đầu vào/ra hơn, được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Việc sử dụng PLC S7-200 cho phép dễ dàng thay đổi hoặc mở rộng chức năng của quy trình công nghệ chỉ bằng cách thay đổi chương trình, mà không cần can thiệp vật lý. CPU 212 của S7-200 có 512 từ (1KB) bộ nhớ để lưu chương trình, có khả năng xử lý các tín hiệu ngắt khác nhau (truyền thông, theo sườn, theo thời gian, từ bộ đếm tốc độ cao 2kHz) và giữ dữ liệu trong 50 giờ khi mất nguồn. Nguyên lý hoạt động của PLC dựa trên chu kỳ lặp gọi là vòng quét (Scan), bao gồm các giai đoạn: đọc dữ liệu vào, thực hiện chương trình, truyền thông nội bộ, kiểm tra lỗi và xuất dữ liệu ra.

Đồ án đã thiết kế chương trình điều khiển tự động hóa cho công đoạn doa đầu ống sử dụng PLC Siemens S7-200. Chương trình điều khiển này nhằm mục đích cải thiện hiệu quả và độ chính xác của quá trình. Tuy nhiên, do giới hạn của đồ án tốt nghiệp, một số phần như đấu nối và nạp chương trình vào PLC thực tế để quan sát trực quan hoạt động chưa được thực hiện. Mặc dù vậy, bản thiết kế đã thể hiện khả năng ứng dụng PLC trong việc tự động hóa công đoạn này. Các phần của hệ thống điều khiển, như các động cơ, van, cảm biến được điều khiển và giám sát bởi PLC. Bản thiết kế cũng bao gồm các logic điều khiển để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình hoạt động, ví dụ như các cơ chế dừng khẩn cấp và các chu trình hoạt động có kiểm soát. Thông tin chi tiết về lập trình PLC và cấu trúc của hệ thống điều khiển không được trình bày đầy đủ trong phần tóm tắt này.