Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp giấy đóng vai trò thiết yếu trong đời sống hiện đại, phục vụ đa dạng nhu cầu từ in ấn, đóng gói đến các sản phẩm tiêu dùng như giấy ăn và giấy vệ sinh. Theo ước tính, một nhà máy giấy công suất 250.000 tấn/năm có vốn đầu tư lên tới khoảng 400 triệu USD, cho thấy tính chất vốn lớn và áp lực cạnh tranh cao trong ngành. Trong dây chuyền sản xuất giấy, khâu sấy giữ vai trò then chốt, quyết định chất lượng và hiệu quả sản xuất. Quá trình sấy giúp giảm độ ẩm giấy từ khoảng 50% xuống còn 5%, đảm bảo độ bền, độ dai và chất lượng giấy thành phẩm.

Tuy nhiên, tại nhà máy giấy Bãi Bằng, dây chuyền xeo giấy hiện đang vận hành với tốc độ thấp (650 m/phút) so với mức tối đa có thể đạt 2000 m/phút, dẫn đến công suất chỉ khoảng 240 tấn/ngày. Các vấn đề chính gồm hệ truyền động lô sấy cũ kỹ, công suất sấy không đủ và độ ổn định thấp khi tăng tốc độ, gây ra hiện tượng đứt giấy trung bình 1,5 ngày/lần. Ngoài ra, sự biến đổi của điều kiện thời tiết như độ ẩm không khí cũng ảnh hưởng đến công suất sấy và chất lượng giấy.

Mục tiêu nghiên cứu là phân tích, mô hình hóa và đề xuất giải pháp nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống buồng sấy dây chuyền xeo giấy tại nhà máy Bãi Bằng, nhằm tăng công suất, ổn định độ ẩm giấy và giảm thiểu sự cố đứt giấy. Nghiên cứu tập trung trong phạm vi dây chuyền xeo số 1 của nhà máy, dựa trên dữ liệu thực tế thu thập trong quá trình vận hành và các tài liệu chuyên ngành về công nghệ sấy giấy. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả sản xuất, tiết kiệm năng lượng và tăng lợi nhuận cho nhà máy giấy.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình điều khiển tự động trong công nghiệp, đặc biệt là:

  • Mô hình IPZ (Integrator-Pole-Zero): Mô hình động tuyến tính mô tả quá trình điều khiển áp suất hơi trong lô sấy, bao gồm thành phần tích phân, cực và điểm không, phản ánh đặc tính truyền nhiệt và cân bằng khối trong buồng sấy.
  • Lý thuyết điều khiển mô hình nội (IMC): Phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID dựa trên mô hình đối tượng, giúp cải thiện độ ổn định và khả năng loại bỏ nhiễu trong hệ thống điều khiển độ ẩm giấy.
  • Cấu trúc điều khiển mid-ranging: Kết hợp hai bộ điều khiển IMC để điều khiển đa biến, tối ưu hóa việc phối hợp giữa hệ thống hơi và buồng thông gió nhằm kiểm soát độ ẩm giấy hiệu quả hơn.
  • Khái niệm điểm sương (dew point): Được sử dụng để điều khiển độ ẩm không khí trong buồng sấy, ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ bay hơi nước trong giấy.

Các khái niệm chính bao gồm: áp suất hơi, độ ẩm giấy, nhiệt độ điểm sương, hệ truyền động lô sấy, và các biến điều khiển như lưu lượng hơi, áp suất hơi, nhiệt độ vỏ lô sấy.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa khảo sát thực tế, mô hình hóa lý thuyết và mô phỏng máy tính:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu vận hành thực tế tại nhà máy giấy Bãi Bằng, bao gồm tốc độ lô sấy, áp suất hơi, độ ẩm giấy, tần suất sự cố đứt giấy, cùng các thông số môi trường như độ ẩm không khí và nhiệt độ điểm sương.
  • Phương pháp phân tích: Xây dựng mô hình toán học dựa trên các phương trình cân bằng khối và năng lượng trong buồng sấy, tuyến tính hóa mô hình phi tuyến thành mô hình IPZ. Áp dụng phương pháp nhận dạng đối tượng từ đáp ứng bước thực nghiệm để xác định tham số mô hình.
  • Thiết kế bộ điều khiển: Sử dụng phương pháp IMC để thiết kế bộ điều khiển PID cho vòng điều khiển áp suất hơi và độ ẩm giấy. Áp dụng cấu trúc mid-ranging để phối hợp điều khiển giữa hệ thống hơi và buồng thông gió.
  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài khoảng 12 tháng, bao gồm 3 tháng khảo sát thực tế, 4 tháng xây dựng và nhận dạng mô hình, 3 tháng thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển, 2 tháng đánh giá và đề xuất giải pháp.

Phương pháp nghiên cứu đảm bảo tính khoa học, dựa trên số liệu thực tế và mô hình hóa chính xác, phù hợp với đặc thù công nghệ sản xuất giấy tại Việt Nam.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Mô hình IPZ mô tả chính xác quá trình điều khiển áp suất hơi trong lô sấy: Thông số mô hình nhận dạng từ thực nghiệm gồm hệ số khuếch đại kv = 0.0533, hằng số thời gian T1 = 58 giây, T2 = 3 giây và thời gian trễ L = 2 giây. Mô hình này phản ánh đúng đặc tính truyền nhiệt và cân bằng khối trong buồng sấy, giúp thiết kế bộ điều khiển hiệu quả.

  2. Hiện trạng hệ truyền động và điều khiển áp suất hơi lạc hậu: Hệ thống sử dụng bộ điều khiển khí nén từ những năm 80, hoạt động đơn vòng, không linh hoạt và dễ gây nhiễu do tín hiệu hơi thứ từ nhóm sấy sau sang nhóm trước. Tần suất đứt giấy trung bình 1,5 ngày/lần chủ yếu do độ ẩm giấy không đều và sự cố truyền động.

  3. Ảnh hưởng của điều kiện môi trường đến công suất sấy: Độ ẩm không khí và nhiệt độ điểm sương thay đổi theo mùa làm công suất sấy biến động, gây khó khăn trong việc duy trì độ ẩm giấy ổn định. Ví dụ, vào mùa thu, điểm sương thấp giúp tăng tốc độ bay hơi, trong khi mùa hè độ ẩm cao làm giảm hiệu quả sấy.

  4. Cấu trúc điều khiển mid-ranging nâng cao hiệu quả điều khiển độ ẩm: Kết hợp bộ điều khiển IMC cho vòng điều khiển áp suất hơi và điều khiển điểm sương trong buồng thông gió giúp giảm tiêu hao năng lượng hơi, tăng độ ổn định độ ẩm giấy và giảm sự cố đứt giấy. Mô phỏng cho thấy cấu trúc này cải thiện đáp ứng hệ thống, giảm thời gian quá độ và dao động đầu ra.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô hình hóa và nhận dạng mô hình IPZ phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về điều khiển quá trình sấy giấy, đồng thời phản ánh đặc thù công nghệ và điều kiện vận hành tại nhà máy Bãi Bằng. Việc sử dụng bộ điều khiển IMC giúp cải thiện khả năng bù trừ thời gian trễ và nhiễu, nâng cao độ chính xác điều khiển áp suất hơi.

Hiện trạng hệ truyền động và điều khiển áp suất hơi cũ kỹ là nguyên nhân chính gây ra sự cố đứt giấy và hạn chế tốc độ vận hành dây chuyền. So với các nhà máy giấy hiện đại có tốc độ lên tới 2000 m/phút, nhà máy Bãi Bằng chỉ đạt 650 m/phút, cho thấy tiềm năng nâng cấp lớn.

Việc đưa biến điều khiển điểm sương vào cấu trúc điều khiển giúp kiểm soát độ ẩm không khí trong buồng sấy, từ đó điều chỉnh hiệu quả quá trình bay hơi nước trong giấy. Điều này không chỉ nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn tiết kiệm năng lượng hơi, giảm chi phí sản xuất.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đáp ứng bước của mô hình IPZ, biểu đồ so sánh tần suất đứt giấy trước và sau khi áp dụng cấu trúc điều khiển mới, cũng như bảng thống kê công suất sấy theo mùa.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Nâng cấp hệ truyền động lô sấy: Thay thế hệ truyền động điện một chiều cũ bằng hệ truyền động AC hiện đại, tăng tốc độ quay lô sấy lên tối đa 1200 m/phút trong vòng 12 tháng. Chủ thể thực hiện: Ban kỹ thuật nhà máy phối hợp với nhà cung cấp thiết bị.

  2. Triển khai cấu trúc điều khiển mid-ranging: Áp dụng bộ điều khiển IMC kết hợp điều khiển áp suất hơi và điểm sương trong buồng thông gió để ổn định độ ẩm giấy, giảm tiêu hao năng lượng hơi trong 6 tháng tiếp theo. Chủ thể thực hiện: Phòng tự động hóa và nhóm vận hành.

  3. Lắp đặt hệ thống cảm biến đo độ ẩm và điểm sương chính xác: Cải thiện hệ thống đo lường online để phản hồi chính xác biến quá trình, hỗ trợ điều khiển hiệu quả. Thời gian thực hiện: 3 tháng. Chủ thể thực hiện: Ban kỹ thuật và nhà cung cấp cảm biến.

  4. Đào tạo nhân viên vận hành và bảo trì: Tổ chức các khóa đào tạo về công nghệ điều khiển mới và vận hành hệ thống nâng cấp, đảm bảo vận hành ổn định và xử lý sự cố nhanh chóng. Thời gian: liên tục trong 6 tháng. Chủ thể thực hiện: Phòng nhân sự và chuyên gia tư vấn.

  5. Xây dựng hệ thống giám sát và phân tích dữ liệu: Áp dụng phần mềm giám sát quá trình sản xuất để theo dõi hiệu suất, phát hiện sớm các bất thường và tối ưu hóa vận hành. Thời gian: 9 tháng. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý và phòng CNTT.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư tự động hóa trong ngành giấy: Nghiên cứu cung cấp mô hình và giải pháp điều khiển hiện đại, giúp cải thiện hiệu suất và chất lượng sản phẩm.

  2. Quản lý nhà máy giấy: Hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến công suất và chất lượng, từ đó đưa ra quyết định đầu tư nâng cấp thiết bị và công nghệ phù hợp.

  3. Chuyên gia nghiên cứu công nghệ sản xuất giấy: Tài liệu chi tiết về mô hình hóa quá trình sấy và ứng dụng điều khiển mô hình nội, hỗ trợ phát triển các nghiên cứu tiếp theo.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành tự động hóa và công nghệ giấy: Cung cấp kiến thức thực tiễn về ứng dụng điều khiển tự động trong dây chuyền sản xuất giấy, từ lý thuyết đến thực hành.

Mỗi nhóm đối tượng có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả công việc, từ thiết kế hệ thống điều khiển, vận hành đến quản lý sản xuất và nghiên cứu phát triển.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao khâu sấy lại quan trọng trong sản xuất giấy?
    Khâu sấy giúp giảm độ ẩm giấy từ khoảng 50% xuống còn 5%, đảm bảo độ bền, độ dai và chất lượng giấy thành phẩm. Độ ẩm không ổn định có thể gây đứt giấy và ảnh hưởng đến các công đoạn sau như cán, in ấn.

  2. Mô hình IPZ có vai trò gì trong điều khiển hệ thống sấy?
    Mô hình IPZ mô tả đặc tính động của quá trình truyền nhiệt và cân bằng khối trong lô sấy, giúp thiết kế bộ điều khiển phù hợp để duy trì áp suất hơi ổn định, từ đó kiểm soát độ ẩm giấy hiệu quả.

  3. Cấu trúc điều khiển mid-ranging là gì và lợi ích ra sao?
    Mid-ranging là cấu trúc kết hợp hai bộ điều khiển IMC để điều khiển đa biến, phối hợp giữa hệ thống hơi và buồng thông gió. Giúp nâng cao độ ổn định, giảm tiêu hao năng lượng và cải thiện chất lượng giấy.

  4. Nguyên nhân chính gây đứt giấy trong dây chuyền là gì?
    Chủ yếu do độ ẩm giấy không đều, sự cố hệ truyền động lô sấy và chất lượng bột giấy không đồng đều. Đặc biệt, điều khiển áp suất hơi kém ổn định làm tăng nguy cơ đứt giấy.

  5. Làm thế nào để giảm tiêu hao năng lượng trong quá trình sấy giấy?
    Bằng cách điều khiển đồng bộ áp suất hơi và độ ẩm không khí trong buồng sấy, sử dụng bộ điều khiển IMC và cấu trúc mid-ranging để tối ưu hóa công suất sấy, tránh lãng phí hơi và duy trì hiệu quả bay hơi nước.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xây dựng và nhận dạng thành công mô hình IPZ cho quá trình điều khiển áp suất hơi trong buồng sấy dây chuyền xeo giấy.
  • Phân tích thực trạng cho thấy hệ truyền động và điều khiển hiện tại lạc hậu, gây hạn chế công suất và sự cố đứt giấy thường xuyên.
  • Đề xuất cấu trúc điều khiển mid-ranging kết hợp bộ điều khiển IMC giúp nâng cao độ ổn định, tiết kiệm năng lượng và cải thiện chất lượng giấy.
  • Giải pháp nâng cấp hệ truyền động, hệ thống đo lường và đào tạo nhân viên là cần thiết để hiện thực hóa hiệu quả nghiên cứu.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thử nghiệm thực tế, đánh giá hiệu quả và mở rộng áp dụng cho các dây chuyền khác trong nhà máy.

Kêu gọi hành động: Các nhà quản lý và kỹ sư trong ngành giấy nên xem xét áp dụng các giải pháp điều khiển hiện đại được đề xuất để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, đồng thời giảm chi phí sản xuất và tăng lợi nhuận bền vững.