Đồ án Tốt nghiệp: Nghiên cứu Dây chuyền tự động hóa sản xuất bột giấy

Đồ án tốt nghiệp tự động hóa dây chuyền sản xuất bột giấy. Trình bày chi tiết quy trình công nghệ, thông số thiết kế và các thiết bị chính.

• Người hướng dẫn: Thầy Trần Trọng Minh
• Chuyên ngành: Tự động hóa
• Đề tài: Nghiên cứu dây truyền sản xuất bột giấy
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Tự động hóa Dây chuyền Sản xuất Bột Giấy

Tự động hóa dây chuyền sản xuất bột giấy là một giải pháp công nghệ hiện đại nhằm nâng cao hiệu suất sản xuất, giảm chi phí nhân công và cải thiện chất lượng sản phẩm. Quy trình sản xuất bột giấy truyền thống yêu cầu can thiệp thủ công tại nhiều khâu, dẫn đến lãng phí tài nguyên và tăng rủi ro lỗi. Việc áp dụng các hệ thống tự động hóa hiện đại giúp tối ưu hóa từng bước trong dây chuyền, từ xử lý nguyên liệu thô cho đến đóng gói sản phẩm cuối cùng. Đồ án này tập trung vào thiết kế và triển khai hệ thống điều khiển tự động toàn diện.

1.1. Khái niệm và Tầm quan trọng

Tự động hóa dây chuyền sản xuất bột giấy là việc sử dụng các hệ thống cơ khí và điện tử để kiểm soát và điều phối các quá trình sản xuất mà ít hoặc không cần can thiệp con người. Tầm quan trọng của nó nằm ở việc tăng năng suất lên 40-60%, giảm chi phí vận hành, đảm bảo độ nhất quán về chất lượng, và bảo vệ an toàn lao động cho công nhân.

1.2. Hiện trạng và Thách thức

Hiện nay, nhiều nhà máy sản xuất bột giấy tại Việt Nam vẫn sử dụng phương pháp thủ công hoặc bán tự động. Thách thức chính bao gồm: chi phí đầu tư ban đầu cao, yêu cầu nâng cấp kỹ thuật nhân viên, và khó khăn trong tích hợp hệ thống với cơ sở hạ tầng hiện có.

II. Các Công nghệ Tự động hóa Chính trong Sản xuất Bột Giấy

Để tự động hóa hiệu quả dây chuyền sản xuất bột giấy, cần áp dụng nhiều công nghệ tiên tiến. Các hệ thống PLC (Programmable Logic Controller) đóng vai trò điều phối chính, điều khiển các thiết bị như máy xay, máy sấy, và máy đóng gói. Cảm biến thông minh theo dõi các thông số như nhiệt độ, độ ẩm, và chất lượng bột. Hệ thống SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) cho phép giám sát toàn bộ quá trình từ xa. Ngoài ra, robot công nghiệp xử lý các công việc nặng và lặp đi lặp lại. Các công nghệ này hoạt động tổng hợp để tối ưu hóa từng khâu sản xuất.

2.1. Hệ thống PLC và SCADA

PLC là bộ điều khiển logic có thể lập trình, quản lý các thiết bị ngoại vi thông qua các cảm biến và bộ chuyên đổi. SCADA cung cấp giao diện người dùng trực quan, cho phép nhân viên giám sát toàn bộ dây chuyền. Kết hợp PLC và SCADA tạo nên một hệ thống điều khiển toàn diện, có khả năng phát hiện và xử lý sự cố tự động.

2.2. Cảm biến và Thiết bị Đo lường

Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, và áp suất được lắp đặt tại các điểm quan trọng trong dây chuyền. Các thiết bị này liên tục thu thập dữ liệu và gửi cho hệ thống điều khiển. Nhờ vậy, quá trình sản xuất có thể điều chỉnh tự động để duy trì các thông số tối ưu.

2.3. Robot và Thiết bị Tự động Chuyên dụng

Robot công nghiệp thực hiện các công việc như vận chuyển nguyên liệu, xếp chồng sản phẩm, và đóng gói. Các thiết bị chuyên dụng như máy sấy lùng khí, máy xay siêu mịn tích hợp các công nghệ tự động điều chỉnh tốc độ và công suất.

III. Thiết kế Hệ thống Tự động hóa Chi tiết

Thiết kế hệ thống tự động hóa dây chuyền sản xuất bột giấy cần tuân thủ quy trình hệ thống từng bước. Giai đoạn đầu là phân tích nhu cầu sản xuất hiện tại, xác định các khâu cần tự động hóa ưu tiên. Tiếp theo, lựa chọn các thiết bị, cảm biến, và bộ điều khiển phù hợp với năng lực sản xuất. Bước thứ ba là thiết kế sơ đồ điều khiển logic, xác định các quy tắc điều khiển cho từng quá trình. Sau đó, lập trình PLC và giao diện SCADA, kết nối tất cả các thiết bị. Cuối cùng, tiến hành thử nghiệm, hiệu chuẩn, và đưa vào vận hành chính thức. Quy trình này đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả.

3.1. Quy trình Thiết kế và Phân tích

Bước đầu tiên là khảo sát hiện trạng dây chuyền sản xuất, xác định điểm yếu và cơ hội cải thiện. Phân tích chi phí lợi nhuận để xác định thứ tự ưu tiên tự động hóa. Lập kế hoạch chi tiết bao gồm thời gian triển khai, nguồn lực cần thiết, và mục tiêu hiệu suất.

3.2. Lựa chọn Thiết bị và Thành phần

Chọn PLC, cảm biến, biến tần, và bộ nguồn có chất lượng cao từ các nhà cung cấp uy tín. Đảm bảo tương thích giữa các thành phần và khả năng mở rộng trong tương lai. Yêu cầu bảo hành và hỗ trợ kỹ thuật từ nhà cung cấp.

3.3. Lập trình và Cấu hình Hệ thống

Viết chương trình PLC sử dụng ngôn ngữ lập trình chuẩn (ST, LD, FBD). Thiết kế giao diện SCADA thân thiện với người dùng. Cấu hình các cánh báo, thống kê sản xuất, và báo cáo tự động cho bộ phận quản lý.

IV. Kết quả dự kiến và Lợi ích Thực tiễn

Sau khi triển khai hệ thống tự động hóa, dây chuyền sản xuất bột giấy dự kiến đạt được nhiều lợi ích đáng kể. Năng suất sản xuất tăng từ 40 đến 60% nhờ giảm thời gian ngừng máy và tối ưu hóa quy trình. Chi phí nhân công giảm 50% do giảm số lượng công nhân cần thiết trong dây chuyền. Chất lượng sản phẩm cải thiện nhờ kiểm soát chặt chẽ các thông số sản xuất, tăng độ nhất quán. Độ an toàn lao động nâng cao vì giảm công nhân tiếp xúc với môi trường nguy hiểm. Ngoài ra, hệ thống thu thập dữ liệu chi tiết hỗ trợ ra quyết định quản lý. Chi phí năng lượng giảm 20-30% do tối ưu hóa hoạt động thiết bị. Thời gian ROI (hoàn vốn) thường là 2-3 năm tùy theo quy mô nhà máy.

4.1. Cải thiện Năng suất và Hiệu quả

Hệ thống tự động hóa cho phép dây chuyền hoạt động liên tục với tỷ lệ lỗi thấp. Thời gian sản xuất mỗi lô bột giấy giảm đáng kể. Khả năng sản xuất 24/7 mà không cần giám sát liên tục tăng tổng sản lượng hàng năm.

4.2. Tiết kiệm Chi phí và Tối ưu Tài nguyên

Giảm nhân công dẫn đến tiết kiệm tiền lương, bảo hiểm xã hội. Tối ưu hóa sử dụng nguyên liệu và năng lượng giảm chi phí vận hành. Giảm lãng phí và sản phẩm lỗi cải thiện lợi nhuận ròng.

4.3. Nâng cao Chất lượng Sản phẩm

Kiểm soát chặt chẽ các thông số sản xuất đảm bảo sản phẩm đạt chuẩn. Giảm sai lệch giữa các lô sản xuất tăng độ hài lòng khách hàng. Truy xuất nguồn gốc sản phẩm dễ dàng hỗ trợ quản lý chất lượng toàn diện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I CÔNG ĐOẠN NẤU BỘT GIẤY Nội dung: 1. Các số liệu thiết kế cơ bản. Quá trình công nghệ.1 Mô tả quá trình công nghệ.2 Đặc điểm kỹ thuật các thiết bị.3 Liệt kê các thiết bị đo lường. Các số liệu thiết kế cơ bản: - Công suất công đoạn nấu: 230T bột KTĐ/ngày.

- Trị số Kappa: 1721 - Hiệu suất nấu: 46% - Số nồi nấu: 3 nồi - Thể tích nồi nấu: 140 m3. Thể tích hữu hiệu: 136,5 m3/nồi. - Hơi áp suất thấp (Hơi bão hòa), áp suất vận hành: 0,35 Mpa - Hơi áp suất cao (Hơi bão hòa), áp suất vận hành: 1,1 Mpa - Mức dùng kiềm: 2023% (Kiềm hoạt tính, tính theo đ.v NaOH) - Độ Sunphua: 2225% - Nồng độ dịch trắng: 110120 g/l - Nhiệt độ dịch trắng: 70C - Tàn kiềm dịch đen sau nấu: 510 g/l. - Năng suất nạp mảnh: 600 m3/h - Hệ số chất chặt: 1,1 - Độ hợp cách của mảnh > 85%.

Mảnh + bụi lọt qua sàng 5 : lớn nhất 5% - Modun nấu: 3 3. Quá trình công nghệ: Nội dung: 3.1 Mô tả quá trình công nghệ.2 Đặc điểm kỹ thuật các thiết bị.3 Liệt kê các thiết bị đo lường.1 Mô tả quá trình công nghệ: 3.1 Khái quát: Quá trình sản xuất bột được tiến hành theo phương pháp nấu bột sunphát thông dụng, gồm 3 nồi nấu gián đoạn Di 01  03 mỗi nồi nấu có thể tích 140 m 3 và được trang bị hệ thống gia nhiệt nấu gián tiếp. Dịch nấu được hút qua các vòng lưới hút dịch Di 22  24 ở bên trong phía dưới phần vỏ hình trụ của nồi nấu tới các bơm tuần hoàn Pu 508  510 và được gia nhiệt trong các bộ trao đổi nhiệt He 34  36. Sau khi được gia nhiệt, dịch quay trở về nồi nấu bằng hai hệ thống ống tuần hoàn đỉnh và đáy nồi LKO 001-003.

Ống tuần hoàn đỉnh dẫn dịch tới các vòi phân phối dịch bên trong đỉnh nồi nấu Di 13  15. Tại đáy nồi, dịch được cấp qua ống lưới lọc đặt sau khuỷu phóng Di 25  27 rồi tới phần côn đáy của nồi. Lưu lượng dịch tuần hoàn lên đỉnh nồi được điều chỉnh vào khoảng 2/3, còn lưu lượng tuần hoàn về đáy vào khoảng 1/3 tổng lượng dịch nấu. Các nồi nấu được trang bị nắp nồi kiểu van cầu đóng mở nhanh tự động Mv 260  262 và được lắp thiết bị cấp hơi chất chặt mảnh Di 10  12, chúng còn được trang bị các lưới lọc khí thải Di 16  18 ở đỉnh nồi để thải khí giả trong quá trình nấu.2 Nạp mảnh: 4 Công đoạn nấu được thiết kế để sử dụng được cả hai loại nguyên liệu tre nứa và gỗ cứng hỗn hợp.

Nấu tre nứa và gỗ cứng cần được tiến hành theo định kỳ và theo yêu cầu sản xuất, hai loại bột cần được giữ riêng biệt càng về cuối càng tốt trong dây chuyền. Tại sân nguyên liệu (bộ phận 525) hai loại mảnh tre nứa và gỗ cứng được chứa thành hai đống riêng biệt và có các thiết bị cấp mảnh riêng. Tuy nhiên, sau này toàn bộ hệ thống được trang bị thiết bị cấp mảnh cùng một lúc từ cả hai đống mảnh. Từ các đống mảnh, mảnh được vận chuyển tới các nồi nấu bằng hệ thống băng tải và vít tải.

Công việc điều khiển hệ thống cấp mảnh từ đống mảnh tới các nồi nấu được thực hiện tại bảng điều khiển ở công đoạn nấu bột và trên hệ thống điều khiển DCS. Toàn bộ công việc như khởi động máy, chọn loại mảnh, chọn nồi nấu nào để nạp mảnh, cũng như việc dừng toàn bộ hệ thống sẽ được thực hiện bởi công nhân vận hành ở công đoạn nấu bột. Để đạt được hiệu quả nạp mảnh tối ưu, các nồi nấu đều được trang bị thiết bị chất chặt mảnh bằng hơi lắp tại cổ nồi nấu. Hơi phun ra từ các vòi phun của thiết bị chất chặt mảnh sẽ làm cho mảnh xoáy tròn rơi xuống phân bổ đều khắp trong nồi.

Do tác động của hệ thống này, mảnh nguyên liệu được xếp chặt hơn ở trong nồi nấu. Ngoài ra, hơi còn đẩy một phần lớn không khí chứa trong các mao dẫn của mảnh ra ngoài, do vậy dịch nấu sẽ được thẩm thấu vào mảnh tốt hơn. Trước khi bắt đầu cấp mảnh, không khí trong nồi nấu phải được rút ra ngoài bằng quạt Fa 370, quạt hút được nối với lưới hút dịch của hệ thống tuần hoàn và ống lưới lọc đặt sau khuỷu phóng ở đáy nồi nấu. Khi áp suất trong nồi nấu giảm xuống tới áp suất chân không yếu (-0,05MPa) thì nắp nồi (Mv 260-262) được mở ra và công việc nạp mảnh bắt đầu.

Sau khi nạp được vài mét khối mảnh vào nồi nấu thì mới mở van cấp hơi vào thiết bị chất chặt mảnh. Hệ thống cấp mảnh sẽ tự động ngừng khi nồi nấu được nạp đầy mảnh, nhiệm vụ này do thiết bị đo mức bằng tia gama lắp trên đỉnh mỗi nồi nấu thực hiện.3 Xông hơi: Mục đích cơ bản của quá trình xông hơi là đuổi hết không khí chứa trong mao dẫn của mảnh nguyên liệu ra ngoài, ổn định hàm lượng ẩm của mảnh, tạo điều kiện cho mảnh nguyên liệu thẩm thấu dịch nấu tốt hơn. Điều này được thực hiện suốt trong quá trình xông hơi. Sau khi đóng nắp nồi và hệ thống thoát khí bằng quạt Fa 370, việc cấp hơi qua thiết bị chất chặt mảnh vẫn được tiếp tục cho xông hơi, cùng lúc đó cũng bắt đầu tháo nước ngưng của hơi ở côn đáy nồi nấu ra ngoài.

Giai đoạn xông hơi được xem như hoàn chỉnh khi tất cả nước ngưng được tháo ra và hơi bắt đầu thoát ra từ ống lưới lọc. Một rơle nhiệt được lắp ở ống xả để tự động đóng van cấp hơi cũng như van xả nước ngưng khi nhiệt độ tăng quá 1000C. Vì hàm lượng ẩm của mảnh biến đổi trong phạm vi rộng (phụ thuộc vào sự thay đổi thời tiết, vận chuyển nguyên liệu bằng đường bộ hay đường sông, thời gian lưu bãi v.) nên thời gian cần thiết cho giai đoạn xông hơi không thể định trước được. Bằng kinh nghiệm thực tế sau khi chạy máy sẽ giúp chúng ta lựa chọn được kết luận cuối cùng cho giai đoạn xông hơi vì nó liên quan đến sản lượng, tiêu thụ hơi, chất lượng bột v.4 Tính toán độ ẩm của mảnh: Sau khi hoàn chỉnh công việc nạp mảnh và xông hơi thì phải tiến hành tính toán về tổng hàm lượng ẩm của mảnh.

Một trong ba chân đỡ của nồi nấu có lắp một thiết bị đo trọng lượng để ghi nhận trọng lượng tịnh của nồi nấu. Giá trị đọc được từ bộ ghi và chỉ thị trọng lượng trên bảng điều khiển có thể sử dụng để tính hàm lượng ẩm của mảnh, trên cơ sở đó để tính toán lượng dịch đen bổ sung cho nồi nấu.5 Tính toán nạp dịch: 6 Lượng dịch trắng và dịch đen nạp nồi phải được tính riêng cho từng mẻ nấu (xem mục 2 - các số liệu thiết kế) và được nạp bằng hệ thống nạp dịch tự động. Mức dùng kiềm từ 20  23% (kiềm hoạt tính) so với nguyên liệu khô tuyệt đối, tuỳ thuộc vào từng loại nguyên liệu và độ sunphua mà chọn mức dùng kiềm cho thích hợp. Tỷ lệ rắn/lỏng: 1/3,5.6 Hệ thống nạp dịch: Lượng dịch trắng và dịch đen nạp vào nồi được đo bằng các đồng hồ đo thể tích kiểu điện từ đặt sau các bơm tương ứng (Pu 506, Pu 507), người vận hành lập chương trình cho mỗi đồng hồ với lượng dịch đã tính toán và bắt đầu nạp dịch bằng việc mở van nạp dịch và khởi động các bơm.

Dịch trắng và dịch đen được cấp đồng thời tới ống hút của bơm tuần hoàn và chảy ngược theo đường ống tuần hoàn vào nồi nấu. Khi khoảng 80% tổng lượng dịch đã được bổ sung vào nồi nấu, các chỗ trống của mảnh trong nồi nấu đã được dịch nấu chiếm chỗ, như vậy lượng dịch đủ để có thể tuần hoàn thì khởi động bơm tuần hoàn và dịch được phun ra từ các vòi phân phối dịch bên trong trên đỉnh nồi nấu xối lên mảnh nguyên liệu. Việc nạp dịch sẽ tự động ngừng khi lượng dịch nạp vào nồi nấu đã đủ theo tính toán. Cả hai hệ thống cấp dịch phải được điều chỉnh sao cho việc cấp dịch trắng phải xong trước khi ngừng cấp dịch đen.7 Nấu: Như đã nêu trong số liệu thiết kế (mục 3), tre nứa và gỗ cứng có chu kỳ nấu khác nhau, vì chu kỳ nấu được xác định bằng tốc độ phân huỷ lignin khác nhau của các loại nguyên liệu thô.

Nhiệm vụ chính của công đoạn nấu là cung cấp bột có chất lượng đồng đều, có trị số kappa ổn định ở mức càng tiêu thụ ít hoá chất tẩy càng tốt và các đặc tính bền của sản phẩm cuối cùng có thể chấp nhận được. Có 3 phương pháp thay đổi trị số kappa: 7 - Thay đổi thời gian nấu. - Thay đổi nhiệt độ nấu tối đa. - Thay đổi mức dùng kiềm.

Khi thay đổi mức dùng kiềm , phải chú ý đảm bảo nồng độ kiềm dư có trong dịch đen sau nấu. Tàn kiềm phải được duy trì ở mức 5  10 g/l để đảm bảo độ nhớt nhất định tránh sự đóng cặn ở công đoạn chưng bốc dịch đen. Việc chọn lựa chu kỳ nấu cũng như mức dùng kiềm phải được quyết định theo từng loại nguyên liệu nấu (xem mục 3. Giai đoạn tăng nhiệt (nấu vá) bắt đầu từ khi tăng nhiệt độ cho đến khi nhiệt độ trong nồi nấu đạt 170 0C.

Đây là nhiệt độ nấu lớn nhất theo yêu cầu. Tổng lưu lượng hơi áp suất cao (1,1 MPa) cung cấp cho công đoạn nấu được hạn chế ở mức 24 tấn/giờ, lượng hơi này là khả năng tối đa của nhà máy điện có thể cung cấp được. Lượng hơi tiêu thụ rất cao ở lúc bắt đầu tăng nhiệt, khi nhiệt độ còn ở khoảng 1000C. Cho nên nếu một nồi nào đó bắt đầu đưa vào nấu trong lúc hai nồi kia đang nấu thì lượng hơi tiêu thụ cần thiết sẽ vượt quá khả năng sẵn có.

Để tránh ảnh hưởng tới chu kỳ nấu của nồi đang nấu thì người vận hành phải cân đối thời gian vào nấu giữa 3 nồi và đảm bảo lưu lượng hơi tối đa trên FRCQ F 14 là 24 tấn/giờ. Trong thời gian tăng nhiệt cần thiết phải xả khí giả ra khỏi nồi nấu. Lượng khí giả thoát ra phải được quyết định bằng kinh nghiệm thực tế vận hành. Việc thải khí giả có thể được giảm dần với sự tăng dần nhiệt độ trong nồi nấu.

Công việc nấu hoàn chỉnh khi giai đoạn bảo ôn kết thúc.8 Hạ áp - Phóng đỉnh: Sau khi kết thúc giai đoạn bảo ôn thì áp suất trong nồi nấu phải được giảm đi càng nhanh càng tốt.