Tổng quan nghiên cứu

Thuốc nổ nhũ tương (TNNT) là loại thuốc nổ công nghiệp có cấu trúc nước trong dầu (N/D), được ứng dụng rộng rãi trong khai thác than, quặng và đá tại các mỏ lộ thiên nhờ tính năng công phá cao, an toàn và thân thiện với môi trường. Theo báo cáo của ngành, tỷ lệ sử dụng TNNT ngày càng tăng do đáp ứng tốt nhu cầu sản xuất và an toàn vận chuyển. Quá trình sản xuất TNNT bao gồm các công đoạn chuẩn bị pha nước, pha dầu, nhũ hóa, pha trộn và đóng gói, trong đó công đoạn pha dầu đóng vai trò quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm.

Hiện trạng dây chuyền sản xuất thuốc nổ nhũ tương tại Nhà máy Z113 cho thấy công đoạn cấp nguyên liệu pha dầu vẫn còn nhiều hạn chế như cân đo thủ công, sai số cao, không lưu trữ dữ liệu tự động và mỹ quan công nghiệp kém. Mục tiêu nghiên cứu là xây dựng giải pháp tích hợp hệ thống cân tự động pha dầu trong dây chuyền sản xuất TNNT nhằm nâng cao độ chính xác cân đo, đảm bảo an toàn trong môi trường cháy nổ, đồng thời lưu trữ và quản lý dữ liệu hiệu quả. Nghiên cứu được thực hiện tại Nhà máy Z113 trong năm 2022-2023, tập trung vào nguyên liệu pha dầu gồm sáp phức hợp, dầu LPE và dầu SPAN.

Việc phát triển hệ thống cân tự động không chỉ góp phần cải thiện chất lượng sản phẩm, giảm thiểu sai sót trong quá trình sản xuất mà còn nâng cao hiệu quả quản lý, giám sát và an toàn lao động, từ đó tăng năng suất và giảm chi phí vận hành cho dây chuyền sản xuất thuốc nổ nhũ tương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết cân điện tử và nguyên lý hoạt động của cảm biến lực Loadcell. Cân điện tử sử dụng Loadcell để chuyển đổi lực tác dụng thành tín hiệu điện, từ đó xác định khối lượng nguyên liệu với độ chính xác cao. Loadcell hoạt động dựa trên nguyên lý biến dạng điện trở của strain gauge khi chịu lực, tín hiệu điện áp đầu ra tỷ lệ thuận với trọng lượng đặt lên cảm biến.

Mô hình hệ thống cân tự động tích hợp Loadcell bao gồm các thành phần chính: Loadcell dạng thanh chịu nén, bộ chỉ thị tín hiệu (indicator), hộp nối (junction box), bộ điều khiển lập trình PLC S7-1200, màn hình cảm ứng HMI và các bơm cấp nguyên liệu có điều khiển biến tần. Các khái niệm chuyên ngành được sử dụng gồm: độ nhạy Loadcell (mV/V), sai số cấp II/III theo OIML, PID điều khiển, giao thức truyền thông PROFINET và Modbus RTU.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ thực tế dây chuyền sản xuất thuốc nổ nhũ tương tại Nhà máy Z113, bao gồm số liệu cân đo nguyên liệu pha dầu, đặc tính kỹ thuật Loadcell, và thông số vận hành hệ thống bơm. Cỡ mẫu thử nghiệm gồm các mẻ nguyên liệu pha dầu với khối lượng từ 50 đến 160 kg cho từng loại nguyên liệu SPAN và LPE.

Phương pháp phân tích sử dụng đo lường điện áp tín hiệu Loadcell, so sánh với khối lượng chuẩn bằng quả cân mẫu có sai số ±3g, đánh giá đặc tính đáp ứng và độ chính xác của hệ thống. Quá trình nghiên cứu được thực hiện theo timeline từ tháng 10/2022 đến tháng 4/2023, bao gồm thiết kế, lắp đặt, hiệu chỉnh và thử nghiệm hệ thống cân tự động.

Phân tích dữ liệu sử dụng phần mềm TIA Portal V14 và WINCC để lập trình PLC, giám sát và lưu trữ số liệu. Các kết quả được trình bày qua đồ thị đặc tính điện áp - khối lượng và bảng tổng hợp số liệu đo thử, nhằm đánh giá độ tin cậy và khả năng ứng dụng của hệ thống trong điều kiện thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Độ chính xác cân đo nguyên liệu pha dầu: Hệ thống cân tự động sử dụng 4 Loadcell đặt dưới phễu chứa nguyên liệu đạt sai số cân đo ≤ 0,3%, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật. Ví dụ, với nguyên liệu LPE, điện áp đầu ra tổng hợp từ 4 Loadcell tương ứng với khối lượng từ 50 đến 120 kg có sai số nhỏ so với lý thuyết, thể hiện qua bảng đo thử với điện áp đầu ra thực tế và lý thuyết chênh lệch không quá 0,1 mV.

  2. Đặc tính đáp ứng của Loadcell: Đường đặc tính điện áp - khối lượng của Loadcell trên phễu nguyên liệu LPE và SPAN thể hiện tuyến tính cao, độ phân giải đồ hồ đạt 0,1 mV, đảm bảo khả năng đo chính xác và ổn định trong phạm vi cân đo từ 50 đến 160 kg.

  3. Hiệu quả vận hành hệ thống bơm cấp nguyên liệu: Hệ thống điều khiển biến tần và PID giúp điều chỉnh tốc độ bơm phù hợp, khi gần đạt khối lượng yêu cầu giảm tốc độ để nâng cao độ chính xác cấp liệu. Nhiệt độ bảo ôn đường ống và bể chứa được duy trì ổn định ở mức tối đa 50°C, giảm độ nhớt nguyên liệu, đảm bảo lưu lượng và thời gian cấp liệu theo yêu cầu.

  4. Lưu trữ và quản lý dữ liệu tự động: Số liệu cân đo được truyền thông về máy tính quản lý, lưu trữ và hiển thị trực quan trên màn hình cảm ứng HMI, giúp giám sát quá trình sản xuất hiệu quả, giảm thiểu sai sót do ghi chép thủ công.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp hệ thống đạt được độ chính xác cao là việc sử dụng 4 Loadcell bố trí đều quanh phễu chứa, giúp phân bố lực cân đều, giảm sai số do lệch tải trọng. So với cân thủ công trước đây, hệ thống mới giảm thiểu sai sót do con người và tăng tính ổn định trong môi trường có nguy cơ cháy nổ cao nhờ thiết bị Loadcell đạt chuẩn phòng nổ ATEX II 1GD.

Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu trong ngành tự động hóa cân đo nguyên liệu trong môi trường công nghiệp, đồng thời cải tiến về lưu trữ dữ liệu và tích hợp điều khiển PLC giúp nâng cao hiệu quả vận hành dây chuyền. Việc duy trì nhiệt độ bảo ôn ổn định cũng góp phần giảm độ nhớt nguyên liệu, đảm bảo bơm cấp hoạt động trơn tru, tránh tắc nghẽn và sai lệch lưu lượng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường đặc tính điện áp - khối lượng, bảng tổng hợp kết quả đo thử với các mức cân khác nhau, giúp trực quan hóa hiệu suất và độ chính xác của hệ thống. Ngoài ra, phần mềm giám sát WINCC cung cấp báo cáo lịch sử và cảnh báo sự cố thời gian thực, tăng cường an toàn và kiểm soát chất lượng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống cân tự động trên toàn bộ dây chuyền pha dầu: Áp dụng hệ thống cân tự động tích hợp Loadcell cho tất cả các dây chuyền sản xuất thuốc nổ nhũ tương nhằm nâng cao độ chính xác cân đo, giảm thiểu sai sót thủ công. Thời gian thực hiện dự kiến trong 6 tháng, do phòng kỹ thuật và nhà máy phối hợp thực hiện.

  2. Bổ sung chức năng chống nhiễu và nâng cao độ bền Loadcell: Nghiên cứu và tích hợp các giải pháp chống nhiễu điện từ, cải thiện khả năng hoạt động ổn định trong môi trường có nguy cơ cháy nổ cao. Thời gian phát triển 3 tháng, do nhóm kỹ thuật điện và tự động hóa đảm nhiệm.

  3. Phát triển phần mềm quản lý dữ liệu tập trung: Xây dựng hệ thống phần mềm quản lý và phân tích dữ liệu cân đo tự động, hỗ trợ tra cứu, báo cáo và cảnh báo sự cố nhanh chóng. Thời gian triển khai 4 tháng, phối hợp giữa phòng CNTT và vận hành.

  4. Nghiên cứu cấp tự động nguyên liệu sáp phức hợp: Do nguyên liệu sáp hiện được cấp thủ công, cần phát triển hệ thống cấp liệu tự động phù hợp với đặc tính vật lý của sáp, đảm bảo độ chính xác và an toàn. Thời gian nghiên cứu và thử nghiệm 6 tháng, do phòng kỹ thuật cơ khí và tự động hóa phối hợp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và chuyên gia tự động hóa công nghiệp: Nghiên cứu cung cấp giải pháp tích hợp hệ thống cân tự động trong môi trường đặc thù, giúp cải tiến quy trình sản xuất và nâng cao hiệu quả vận hành.

  2. Nhà quản lý và vận hành dây chuyền sản xuất thuốc nổ: Tham khảo để áp dụng công nghệ cân tự động, giảm thiểu sai sót, tăng cường an toàn và quản lý dữ liệu sản xuất hiệu quả.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí, điện tử: Tài liệu chi tiết về thiết kế, lựa chọn thiết bị Loadcell, lập trình PLC và phần mềm giám sát, phục vụ nghiên cứu và phát triển ứng dụng thực tế.

  4. Cơ quan quản lý an toàn lao động và môi trường: Hiểu rõ các giải pháp kỹ thuật nhằm giảm thiểu rủi ro trong sản xuất thuốc nổ, đảm bảo an toàn và tuân thủ quy định pháp luật.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống cân tự động có thể áp dụng cho các loại thuốc nổ khác không?
    Có thể áp dụng cho nhiều loại thuốc nổ nhũ tương khác nhau với điều chỉnh tỷ lệ nguyên liệu và tham số cân đo phù hợp, nhờ tính linh hoạt của PLC và phần mềm điều khiển.

  2. Độ chính xác cân đo của hệ thống đạt được là bao nhiêu?
    Hệ thống đạt sai số cân đo ≤ 0,3%, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt trong sản xuất thuốc nổ, đảm bảo chất lượng sản phẩm ổn định.

  3. Làm thế nào để đảm bảo an toàn trong môi trường có nguy cơ cháy nổ?
    Loadcell và thiết bị điện được lựa chọn theo tiêu chuẩn phòng nổ ATEX II 1GD, kết hợp hệ thống bảo vệ quá tải, cảnh báo và dừng khẩn cấp tự động.

  4. Hệ thống có lưu trữ và quản lý dữ liệu cân đo không?
    Có, dữ liệu được truyền thông về máy tính chủ, lưu trữ và hiển thị trực quan trên màn hình cảm ứng, hỗ trợ tra cứu và báo cáo lịch sử.

  5. Quá trình cấp liệu có thể điều chỉnh tốc độ như thế nào?
    Sử dụng biến tần và điều khiển PID để điều chỉnh tốc độ bơm, cấp liệu nhanh khi bắt đầu và giảm tốc khi gần đạt khối lượng yêu cầu nhằm nâng cao độ chính xác.

Kết luận

  • Hệ thống cân tự động tích hợp Loadcell đã được thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công, đạt độ chính xác cân đo ≤ 0,3% trong điều kiện sản xuất thuốc nổ nhũ tương.
  • Việc áp dụng hệ thống giúp nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm sai sót do cân thủ công và cải thiện mỹ quan công nghiệp.
  • Hệ thống tích hợp phần mềm quản lý dữ liệu, giám sát và cảnh báo tự động, tăng cường an toàn và hiệu quả vận hành dây chuyền.
  • Nghiên cứu đề xuất các giải pháp nâng cấp như chống nhiễu, cấp liệu tự động nguyên liệu sáp và phát triển phần mềm quản lý tập trung.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai áp dụng rộng rãi, hoàn thiện hệ thống và đào tạo nhân sự vận hành, nhằm tối ưu hóa quy trình sản xuất thuốc nổ nhũ tương.

Quý độc giả và các đơn vị sản xuất được khuyến khích nghiên cứu, ứng dụng giải pháp để nâng cao hiệu quả và an toàn trong sản xuất công nghiệp thuốc nổ.