Luận văn: Thiết kế hệ thống DCS cho dây chuyền sản xuất axit sunfuric tại DAP số 2

Luận văn trình bày chi tiết thiết kế hệ thống điều khiển phân tán (DCS) cho dây chuyền sản xuất axit sunfuric, áp dụng tại Công ty DAP số 2 Vinachem.

• Tác giả: Đặng Thị Hương
• Người hướng dẫn: TS. Đỗ Mạnh Cường
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Phân Tán Cho Dây Chuyền Sản Xuất Axit Sunfuric Tại Công Ty Cổ Phần DAP Số 2 - Vinachem
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Luận văn DCS Điều khiển Dây chuyền Sản xuất Axit Sunfuric

Luận văn DCS (Distributed Control System) là công trình nghiên cứu chuyên sâu về hệ thống điều khiển phân tán áp dụng trong ngành công nghiệp hóa chất. Đề tài này tập trung vào thiết kế và triển khai hệ thống DCS CENTUM VP của hãng Yokogawa cho dây chuyền sản xuất axit sunfuric tại Công ty Cổ phần ĐẠP số 2 - Vinachem. Công trình được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, chuyên ngành Điều khiển và Tự động hóa, dưới sự hướng dẫn của TS. Đỗ Mạnh Cường. Nghiên cứu này nhằm tối ưu hóa quy trình sản xuất, nâng cao hiệu suất hoạt động và đảm bảo an toàn cho dây chuyền sản xuất axit sunfuric hiện đại.

1.1. Tầm quan trọng của Điều khiển DCS trong Sản xuất Axit Sunfuric

Axit sunfuric là một sản phẩm hóa học quan trọng được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp. Hệ thống DCS (Distributed Control System) đóng vai trò then chốt trong việc quản lý các công đoạn sản xuất phức tạp. Các tính năng như kiểm soát nhiệt độ, quản lý áp suất, và tự động hóa quy trình giúp tăng hiệu suất sản xuất lên 30-40% và giảm thiểu sai sót con người, đảm bảo chất lượng sản phẩm ổn định và an toàn toàn bộ quy trình.

1.2. Mục tiêu Nghiên cứu của Luận văn

Mục tiêu chính của luận văn là thiết kế hệ thống điều khiển DCS hiện đại cho dây chuyền sản xuất axit sunfuric. Nghiên cứu phân tích chi tiết các yêu cầu kỹ thuật, lựa chọn công cụ phần mềm phù hợp, và xây dựng cấu trúc hệ thống tối ưu. Luận văn cung cấp giải pháp toàn diện từ phân tích quy trình, thiết kế kiến trúc DCS, đến lập trình điều khiển và xây dựng giao diện HMI cho các kỹ sư ngành công nghệ hóa chất.

II. Công nghệ Sản xuất Axit Sunfuric tại Vinachem

Dây chuyền sản xuất axit sunfuric tại Công ty Cổ phần ĐẠP số 2 - Vinachem sử dụng công nghệ tiên tiến gồm ba công đoạn chính. Công đoạn thứ nhất là nâu chảy lưu huỳnh (melting and burning sulfur), nơi lưu huỳnh được nung chảy và đốt cháy tạo ra khí lưu huỳnh dioxide (SO₂). Công đoạn thứ hai là đốt và tiếp xúc (oxidation and contact process), khí SO₂ được oxy hóa thành khí lưu huỳnh trioxide (SO₃). Cuối cùng, công đoạn thứ ba là sấy và hấp thụ (drying and absorption) chuyển đổi SO₃ thành axit sunfuric (H₂SO₄) hoàn chỉnh. Các công đoạn này yêu cầu kiểm soát nhiệt độ chính xác, quản lý áp suất và giám sát thành phần hóa học liên tục.

2.1. Công đoạn Nâu chảy và Đốt cháy Lưu huỳnh

Trong công đoạn này, lưu huỳnh nguyên chất được nung chảy ở nhiệt độ cao rồi đốt cháy trong buồng đốt với nồng độ oxy kiểm soát. Phản ứng tạo ra khí SO₂ có nồng độ từ 7-14%. Hệ thống DCS phải giám sát lưu lượng lưu huỳnh, nhiệt độ buồng đốt (khoảng 1000-1200°C), và tỷ lệ không khí cấp vào để đảm bảo hiệu suất đốt cháy tối ưu, tránh thoát khí SO₂ độc hại.

2.2. Công đoạn Oxy hóa và Tiếp xúc Xúc tác

Khí SO₂ từ công đoạn trước được đưa vào bộ chuyển đổi xúc tác có nhiệt độ ≈450°C để oxy hóa thành SO₃. Phản ứng này có hiệu suất 98-99.5% với xúc tác vanadium pentoxide (V₂O₅). DCS điều khiển lưu lượng khí, nhiệt độ tháp tiếp xúc, và tỷ lệ hỗn hợp để tối ưu hóa quá trình chuyển đổi, giảm thiểu phát sinh khí thải độc hại SO₂.

III. Hệ thống DCS CENTUM VP của Yokogawa

Hệ thống DCS CENTUM VP là giải pháp điều khiển phân tán hiện đại của tập đoàn Yokogawa, được lựa chọn để thiết kế cho dây chuyền sản xuất axit sunfuric. Hệ thống này có kiến trúc phân tán với ba thành phần chính: Trạm vận hành (Operation Station) để giám sát và điều khiển thao tác, Trạm kỹ thuật (Engineering Workstation - EWS) để cấu hình và lập trình, và Trạm điều khiển hiện trường (Field Control Station) xử lý các tín hiệu vào/ra. CENTUM VP cung cấp công nghệ phần mềm tiên tiến, giao diện HMI trực quan, và khả năng mở rộng cao phù hợp với các quy trình công nghiệp phức tạp. Hệ thống này đã được triển khai thành công tại nhiều nhà máy hóa chất hàng đầu Việt Nam.

3.1. Cấu trúc và Các Thành phần Chính của CENTUM VP

Cấu trúc CENTUM VP gồm nhiều module điều khiển được kết nối qua hệ thống bus và mạng truyền thông Ethernet. Trạm vận hành (OS) cung cấp giao diện HMI hiển thị dữ liệu thời gian thực, cho phép kỹ sư giám sát và điều chỉnh thông số. EWS là nơi lập trình logic điều khiển, cấu hình các khối chức năng (Function Blocks) như PID, Switch, và Batch. Field Control Station xử lý các tín hiệu cảm biến và điều khiển các thiết bị chấp hành trên dây chuyền sản xuất.

3.2. Các Khối Chức năng Điều khiển Cơ bản

Hệ thống CENTUM VP cung cấp các khối điều khiển tiên tiến như PID (tỷ lệ-tích phân-đạo hàm) cho điều khiển vòng kín, PID Batch Switch (PID-BSW) cho quy trình batch, PID tự chỉnh (PID-STC) tự động cân chỉnh các tham số, và chức năng Kiểm tra ảo (Virtual Test) để mô phỏng và test trước khi triển khai thực tế. Các khối này cho phép điều khiển chính xác các biến quá trình như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, và nồng độ với độ chính xác cao.

IV. Ứng dụng Thiết kế DCS cho Dây chuyền Sản xuất Axit Sunfuric

Luận văn DCS thực hiện thiết kế toàn diện hệ thống điều khiển cho ba công đoạn chính của dây chuyền sản xuất axit sunfuric tại Vinachem. Quá trình thiết kế bắt đầu từ phân tích yêu cầu về độ chính xác điều khiển từng công đoạn, lựa chọn thiết bị đo lường (cảm biến nhiệt độ, áp suất, lưu lượng), chọn cơ cấu chấp hành (van điều khiển, motor), và xây dựng cấu trúc hệ thống DCS phân cấp. Tiếp theo, luận văn trình bày lập trình logic điều khiển cho từng công đoạn sử dụng các khối chức năng của CENTUM VP, thiết kế giao diện HMI hiển thị dữ liệu thời gian thực, và thực hiện kiểm tra ảo trước khi triển khai. Kết quả là một hệ thống DCS hoàn chỉnh nâng cao hiệu suất sản xuất, đảm bảo an toàn và chất lượng axit sunfuric.

4.1. Phân tích Yêu cầu Điều khiển từng Công đoạn

Mỗi công đoạn sản xuất axit sunfuric có yêu cầu điều khiển khác nhau. Công đoạn nâu chảy và đốt cháy lưu huỳnh yêu cầu kiểm soát nhiệt độ chính xác (±5°C) và tỷ lệ lưu huỳnh/không khí chính xác. Công đoạn oxy hóa cần điều khiển nhiệt độ tháp xúc (±10°C) và lưu lượng khí SO₂ để tối ưu hóa hiệu suất chuyển hóa. Công đoạn sấy và hấp thụ yêu cầu kiểm soát nồng độ axit (±0.5%) và nhiệt độ hấp thụ. Hệ thống DCS được thiết kế đáp ứng tất cả các yêu cầu này thông qua mạch điều khiển tự động (PID loops) và giám sát thời gian thực.

4.2. Cấu trúc và Triển khai Hệ thống DCS Hoàn chỉnh

Cấu trúc DCS được chia thành cấp điều khiển địa phương với Field Control Stations tại từng công đoạn, cấp điều khiển giám sát với các trạm vận hành, và cấp kỹ thuật với EWS để lập trình. Mỗi công đoạn được gán các mô-đun I/O chuyên dụng để xử lý tín hiệu từ cảm biến và điều khiển thiết bị. Giao diện HMI hiển thị sơ đồ dây chuyền, biểu đồ dữ liệu thời gian thực, và cảnh báo khi có lỗi. Luận văn cung cấp sơ đồ P&ID chi tiết, cấu hình hệ thống, và code chương trình hoàn chỉnh để triển khai thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan hệ thống điều khiến phân tán.1 Tẳng quan về hệ thẳng diều khiẫn, giảm vái 111 Đặtvẫn để 1.2 Câu trúc và các thành phản cơ bản của hệ thẻng điều khiến, giám sát.3 Mô hình phân cấp chức năng của hệ thông diễu khiển, giám sát.4 _ Các cầu trúc điều khiến.2 Hệ thẳng điều khiển phan tin DCS.21 Khái niệm về hệ thống điều khiển phân tán.2 Các thành phần cơ bản của hệ théng điều khiển phân tán.L2 a) Trạm điểu khiến cục bộ - - - 12 b) Trạm vân hành - - 14 œ) Trạmkỹ thuật - - 15 4đ) Hệ thống bus truyền thông 16 1. Cc giải pháp cho hệ thống điều khiến phân tán. LÝ a) Các hệ DC§ truyền thông. 17 b) Các hệ DƠS trên tiển PLC - 18 v} Các hệ DCS trên nên PC.

Các vẫn để kỹ thuật. TH H221 xen eree 2 ML1 Chương 2 Giới thiệu công nghệ sẵn xuất axit sunfuric ¡ Công ty CP DATP số 2 - Vinachem.1 Tng quan về Công ty CP DAP sé 2 - Vinachem.2 Giới thiệu về công nghé sén xudt axit sunfaric. 221 Céng đoạn nâu chây lưu huỳnh.2 Công doan dốt và tiếp xúc.3 Công đoạn sấy và hấp thụ.4 Kho chứa axit simÑmie ~ ~ - 31 Chương 3: Hệ thống DCS CENTUM VP của hãng Yokogawa.1 Tổng quan về hệ thông DCS CENTUM YP. 311 Giới thiệu chúng - 32 3.2 Lịch sử phát triển của các hệ thống CENTUM.3 Các ưu điểm của hệ thống CENTUM VP.

32 Cấu trúc phân cứng của hệ thẳng CENTUM UP.21 Trạm vận hành (Operation Statiom).2 Trạm kỹ thuật (Bngineering Workstalion — EWS), 38 3.23 Trạm điều khiển hiện trường (1ield Control Siation).5 Hé théng bus, mạng truyền thông, - - 40 3.3 Công cụ phan mém của hệ thống CENTUM Ví 3. Công nghệ phân mềm trong hệ thống CENTUM VP 46 a) Công nghệ phân mềm trong vận hành, giao diện HI8 46 bì Công nghệ phản mềm trong thiết kế. Các khối chức năng điêu khiến cơ bản. aT a) Khdi diéu khién PID.

b) Bộ điểu khiển PL lây mẫu (PL 1L) "¬ e)_ Bộ điều khiến PID Batch Switch (PID-BSW). 49 ML2 Chương 2 Giới thiệu công nghệ sẵn xuất axit sunfuric ¡ Công ty CP DATP số 2 - Vinachem.1 Tng quan về Công ty CP DAP sé 2 - Vinachem.2 Giới thiệu về công nghé sén xudt axit sunfaric. 221 Céng đoạn nâu chây lưu huỳnh.2 Công doan dốt và tiếp xúc.3 Công đoạn sấy và hấp thụ.4 Kho chứa axit simÑmie ~ ~ - 31 Chương 3: Hệ thống DCS CENTUM VP của hãng Yokogawa.1 Tổng quan về hệ thông DCS CENTUM YP. 311 Giới thiệu chúng - 32 3.2 Lịch sử phát triển của các hệ thống CENTUM.3 Các ưu điểm của hệ thống CENTUM VP.

32 Cấu trúc phân cứng của hệ thẳng CENTUM UP.21 Trạm vận hành (Operation Statiom).2 Trạm kỹ thuật (Bngineering Workstalion — EWS), 38 3.23 Trạm điều khiển hiện trường (1ield Control Siation).5 Hé théng bus, mạng truyền thông, - - 40 3.3 Công cụ phan mém của hệ thống CENTUM Ví 3. Công nghệ phân mềm trong hệ thống CENTUM VP 46 a) Công nghệ phân mềm trong vận hành, giao diện HI8 46 bì Công nghệ phản mềm trong thiết kế. Các khối chức năng điêu khiến cơ bản. aT a) Khdi diéu khién PID.

b) Bộ điểu khiển PL lây mẫu (PL 1L) "¬ e)_ Bộ điều khiến PID Batch Switch (PID-BSW). 49 ML2 DANH MUC CAC KY HIEU, CHU VIET TAT DCS Distribution Control System Hệ thông diễu khiển phân tản BTS. Enterprise ‘Technology Solutions Giải pháp công nghệ kinh doanh BCV Bus Converter Bộ chuyển đội Bus hw FCS Field Control Station 'Trạm điều khiển hiện rường Fou Field Control Unit Tộ điều khiến hiện trường Aw OWS Operation Workstation Trạm vận hành EWS Fugincoring Workstation Trạm kỹ thuậi - HIS Human Interface Station Tram vận hành với giao diện người mấy OLU Object Linking and limbedding Nhúng và liên kết đổi tượng OPC OLE for Process Control OLE cho diéu khiển quá trình CGW Communication Gateway Công truyều thông SI05 System Integration OPC Station Tram OPC tích hợp hệ (hồng MỤC LỤC Trang phụ bìa Trang Lời cam đoan TDanh mục các ký hiệu, chữ viết tắt _Danh mục các bảng Danh mục các hình vẽ, đỗ thị Lời nói đầu Chương 1: Tổng quan hệ thống điều khiến phân tán.1 Tẳng quan về hệ thẳng diều khiẫn, giảm vái 111 Đặtvẫn để 1.2 Câu trúc và các thành phản cơ bản của hệ thẻng điều khiến, giám sát.3 Mô hình phân cấp chức năng của hệ thông diễu khiển, giám sát.4 _ Các cầu trúc điều khiến.2 Hệ thẳng điều khiển phan tin DCS.21 Khái niệm về hệ thống điều khiển phân tán.2 Các thành phần cơ bản của hệ théng điều khiển phân tán.L2 a) Trạm điểu khiến cục bộ - - - 12 b) Trạm vân hành - - 14 œ) Trạmkỹ thuật - - 15 4đ) Hệ thống bus truyền thông 16 1. Cc giải pháp cho hệ thống điều khiến phân tán.

LÝ a) Các hệ DC§ truyền thông. 17 b) Các hệ DƠS trên tiển PLC - 18 v} Các hệ DCS trên nên PC. Các vẫn để kỹ thuật. TH H221 xen eree 2 ML1 TỒI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những nỗi dung trong luận văn cao học này là sản phẩm do chính tôi viết ra, đưới sự hướng dẫn của thảy giáo TS Đỗ Mạnh Cường.

Để hoàn thành luận vẫn này, tôi chỉ sử đụng những tải liệu để được ghủ trong bảng những, tải liệu tham kháo mã không sử dụng, bất cứ một tải liệu nảo khác. Néu phat hiện có sự sao chép, tối xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Học viên D§ng Thị Hương TỒI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những nỗi dung trong luận văn cao học này là sản phẩm do chính tôi viết ra, đưới sự hướng dẫn của thảy giáo TS Đỗ Mạnh Cường. Để hoàn thành luận vẫn này, tôi chỉ sử đụng những tải liệu để được ghủ trong bảng những, tải liệu tham kháo mã không sử dụng, bất cứ một tải liệu nảo khác.

Néu phat hiện có sự sao chép, tối xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Học viên D§ng Thị Hương TỒI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những nỗi dung trong luận văn cao học này là sản phẩm do chính tôi viết ra, đưới sự hướng dẫn của thảy giáo TS Đỗ Mạnh Cường. Để hoàn thành luận vẫn này, tôi chỉ sử đụng những tải liệu để được ghủ trong bảng những, tải liệu tham kháo mã không sử dụng, bất cứ một tải liệu nảo khác. Néu phat hiện có sự sao chép, tối xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Học viên D§ng Thị Hương MỤC LỤC Trang phụ bìa Trang Lời cam đoan TDanh mục các ký hiệu, chữ viết tắt _Danh mục các bảng Danh mục các hình vẽ, đỗ thị Lời nói đầu Chương 1: Tổng quan hệ thống điều khiến phân tán.1 Tẳng quan về hệ thẳng diều khiẫn, giảm vái 111 Đặtvẫn để 1.2 Câu trúc và các thành phản cơ bản của hệ thẻng điều khiến, giám sát.3 Mô hình phân cấp chức năng của hệ thông diễu khiển, giám sát.4 _ Các cầu trúc điều khiến.2 Hệ thẳng điều khiển phan tin DCS.21 Khái niệm về hệ thống điều khiển phân tán.2 Các thành phần cơ bản của hệ théng điều khiển phân tán.L2 a) Trạm điểu khiến cục bộ - - - 12 b) Trạm vân hành - - 14 œ) Trạmkỹ thuật - - 15 4đ) Hệ thống bus truyền thông 16 1. Cc giải pháp cho hệ thống điều khiến phân tán. LÝ a) Các hệ DC§ truyền thông. 17 b) Các hệ DƠS trên tiển PLC - 18 v} Các hệ DCS trên nên PC.

Các vẫn để kỹ thuật. TH H221 xen eree 2 ML1 4. Chức năng “Kiểm tra ảo” - 85 Kết luận Tải liệu tham khão Phụ lục À: Sư đỗ P&ID của dây chuyền sản xuất axit sunfuric tại Công ty C6 phim DAP sé 2 - Vinachem Phu luc B: Cầu hình hệ thống điều khiển ML4 DANH MUC CAC KY HIEU, CHU VIET TAT DCS Distribution Control System Hệ thông diễu khiển phân tản BTS. Enterprise ‘Technology Solutions Giải pháp công nghệ kinh doanh BCV Bus Converter Bộ chuyển đội Bus hw FCS Field Control Station 'Trạm điều khiển hiện rường Fou Field Control Unit Tộ điều khiến hiện trường Aw OWS Operation Workstation Trạm vận hành EWS Fugincoring Workstation Trạm kỹ thuậi - HIS Human Interface Station Tram vận hành với giao diện người mấy OLU Object Linking and limbedding Nhúng và liên kết đổi tượng OPC OLE for Process Control OLE cho diéu khiển quá trình CGW Communication Gateway Công truyều thông SI05 System Integration OPC Station Tram OPC tích hợp hệ (hồng TỒI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những nỗi dung trong luận văn cao học này là sản phẩm do chính tôi viết ra, đưới sự hướng dẫn của thảy giáo TS Đỗ Mạnh Cường.

Để hoàn thành luận vẫn này, tôi chỉ sử đụng những tải liệu để được ghủ trong bảng những, tải liệu tham kháo mã không sử dụng, bất cứ một tải liệu nảo khác. Néu phat hiện có sự sao chép, tối xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Học viên D§ng Thị Hương MỤC LỤC Trang phụ bìa Trang Lời cam đoan TDanh mục các ký hiệu, chữ viết tắt _Danh mục các bảng Danh mục các hình vẽ, đỗ thị Lời nói đầu Chương 1: Tổng quan hệ thống điều khiến phân tán.1 Tẳng quan về hệ thẳng diều khiẫn, giảm vái 111 Đặtvẫn để 1.2 Câu trúc và các thành phản cơ bản của hệ thẻng điều khiến, giám sát.3 Mô hình phân cấp chức năng của hệ thông diễu khiển, giám sát.4 _ Các cầu trúc điều khiến.2 Hệ thẳng điều khiển phan tin DCS.21 Khái niệm về hệ thống điều khiển phân tán.2 Các thành phần cơ bản của hệ théng điều khiển phân tán.L2 a) Trạm điểu khiến cục bộ - - - 12 b) Trạm vân hành - - 14 œ) Trạmkỹ thuật - - 15 4đ) Hệ thống bus truyền thông 16 1. Cc giải pháp cho hệ thống điều khiến phân tán.

LÝ a) Các hệ DC§ truyền thông. 17 b) Các hệ DƠS trên tiển PLC - 18 v} Các hệ DCS trên nên PC. Các vẫn để kỹ thuật. TH H221 xen eree 2 ML1 TỒI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những nỗi dung trong luận văn cao học này là sản phẩm do chính tôi viết ra, đưới sự hướng dẫn của thảy giáo TS Đỗ Mạnh Cường.

Để hoàn thành luận vẫn này, tôi chỉ sử đụng những tải liệu để được ghủ trong bảng những, tải liệu tham kháo mã không sử dụng, bất cứ một tải liệu nảo khác. Néu phat hiện có sự sao chép, tối xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Học viên D§ng Thị Hương 4® Bộ điều khiển PID voi chức răng thiết lập lại bằng tay (PID-MR),. 50 e) Bộ điểu khiển PLD tự chính PID-STC.

Câu hình phần mềm hệ thông 51 "h. - 53 €)_ Chức năng kiểm tra do (Virtual Test). 54 Chương 4: Ứng dụng thiết kế hệ thống điều khiển DCS cho dây chuyền sản xuất axit sunfurie tại Công ty CP ĐẠP số 2 - Vinachem.1 Yêu cầu về mức độ điều khiễn.1 Công đoạn nâu chây hưu huỳnh.