Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ngành khai thác than hầm lò ngày càng phát triển, nhu cầu sử dụng năng lượng và kỹ thuật hiện đại để nâng cao hiệu quả sản xuất và đảm bảo an toàn lao động trở nên cấp thiết. Tại Công ty Than Uông Bí - TKV, trạm quạt gió chính 6kV Tràng Khê đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp không khí sạch, làm mát và trung hòa khí độc trong hầm lò khai thác than. Trạm quạt gió này gồm hai quạt gió kiểu trục đối lưu đảo chiều phòng nổ, công suất 2x160 kW, lưu lượng gió từ 55 đến 95 m³/s, được lắp đặt tại mặt bằng +129 khu Tràng Khê, mỏ Tràng Bạch. Tuy nhiên, hệ thống hiện tại chủ yếu vận hành thủ công, thiếu hệ thống giám sát tự động, dẫn đến khó khăn trong việc theo dõi tình trạng thiết bị và xử lý sự cố kịp thời, ảnh hưởng đến tuổi thọ và hiệu suất hoạt động của trạm quạt.

Mục tiêu nghiên cứu là thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển tự động trạm quạt gió 6kV Tràng Khê nhằm nâng cao độ tin cậy, hiệu quả vận hành và đảm bảo an toàn trong khai thác than hầm lò. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống trạm quạt gió 6kV tại Công ty Than Uông Bí - TKV, với thời gian nghiên cứu trong năm 2021. Việc ứng dụng hệ thống giám sát điều khiển SCADA giúp thu thập, phân tích dữ liệu vận hành theo thời gian thực, cảnh báo sự cố và hỗ trợ bảo trì, góp phần giảm chi phí vận hành và tăng năng suất khai thác.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết điều khiển tự động: Áp dụng các nguyên tắc điều khiển logic lập trình (PLC) để giám sát và điều khiển các thiết bị điện trong trạm quạt gió, đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn.
  • Mô hình SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition): Hệ thống SCADA được sử dụng để thu thập dữ liệu thời gian thực, giám sát và điều khiển từ xa các thiết bị trong trạm quạt gió, bao gồm cảm biến nhiệt độ, áp suất, độ rung và các thông số điện.
  • Khái niệm về mạng truyền thông công nghiệp Ethernet cáp quang: Đảm bảo truyền dữ liệu nhanh, ổn định và an toàn giữa trạm quạt và phòng điều hành trung tâm.
  • Khái niệm về dự phòng nóng (hot standby): Hệ thống có khả năng chuyển đổi dự phòng nhanh chóng khi có sự cố, đảm bảo hoạt động liên tục 24/7 trong môi trường khắc nghiệt của mỏ than.
  • Khái niệm về cảm biến và thiết bị đo lường: Sử dụng cảm biến nhiệt độ vòng bi, cuộn dây stato, cảm biến áp suất, lưu lượng gió, độ rung động cơ và các thiết bị đo điện áp, dòng điện ba pha để thu thập dữ liệu chính xác.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu thực tế từ trạm quạt gió 6kV Tràng Khê, các tài liệu kỹ thuật thiết bị, báo cáo vận hành và các tiêu chuẩn quy phạm về thông gió mỏ than.
  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phương pháp phân tích kỹ thuật hệ thống, mô phỏng lập trình PLC và phần mềm SCADA WinCC để thiết kế, mô phỏng và đánh giá hiệu quả hệ thống giám sát điều khiển.
  • Phương pháp thực nghiệm: Thử nghiệm vận hành hệ thống mô phỏng trên phần mềm, kiểm tra các chức năng giám sát, cảnh báo và điều khiển từ xa.
  • Phương pháp chuyên gia: Tham khảo ý kiến chuyên gia trong lĩnh vực kỹ thuật điện và khai thác than để hoàn thiện thiết kế và đảm bảo tính thực tiễn.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2021, bao gồm khảo sát hiện trạng, thiết kế hệ thống, lập trình mô phỏng và đánh giá kết quả.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ thiết bị và thông số vận hành của trạm quạt gió 6kV Tràng Khê, với các thiết bị chính như PLC S7-1200, cảm biến nhiệt độ, áp suất, độ rung, tủ khởi động mềm và các tủ điện điều khiển. Phương pháp chọn mẫu dựa trên thiết bị hiện có và yêu cầu kỹ thuật của trạm quạt.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện trạng vận hành thủ công gây nhiều khó khăn: Trạm quạt gió 6kV Tràng Khê hiện vận hành chủ yếu bằng tay, không có hệ thống giám sát tự động. Việc theo dõi các thông số như lưu lượng gió, nhiệt độ động cơ, độ rung và điện áp được thực hiện thủ công, dẫn đến độ chính xác thấp và tốn nhiều nhân công.

  2. Thiết bị hiện tại có dấu hiệu xuống cấp: Các thiết bị trong trạm quạt, bao gồm tủ điện, khởi động mềm và động cơ điện, đã sử dụng từ năm 2019 và có dấu hiệu giảm độ tin cậy sau thời gian vận hành. Điều này làm giảm hiệu suất hoạt động của trạm quạt và tăng nguy cơ sự cố.

  3. Hệ thống SCADA và PLC phù hợp để giám sát và điều khiển: Thiết kế hệ thống giám sát điều khiển dựa trên PLC S7-1200 và phần mềm SCADA WinCC cho phép giám sát liên tục các thông số: nhiệt độ vòng bi, nhiệt độ cuộn dây stato, độ rung động cơ, điện áp và dòng điện ba pha, lưu lượng và tốc độ gió. Hệ thống có khả năng cảnh báo kịp thời khi các thông số vượt ngưỡng an toàn, giúp giảm thiểu rủi ro và tăng tuổi thọ thiết bị.

  4. Tính mở và khả năng tích hợp cao: Hệ thống thiết kế có tính mở, dễ dàng mở rộng và tích hợp với các hệ thống điều khiển tập trung của mỏ. Việc sử dụng mạng Ethernet cáp quang công nghiệp đảm bảo truyền thông ổn định và bảo mật dữ liệu.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc ứng dụng hệ thống giám sát và điều khiển tự động trạm quạt gió 6kV Tràng Khê giúp nâng cao hiệu quả vận hành và an toàn trong khai thác than hầm lò. So với các hệ thống nhập khẩu như của ABB hay PLC NANDA, hệ thống thiết kế phù hợp với cơ sở hạ tầng hiện có của mỏ, giảm chi phí đầu tư và dễ dàng bảo trì, sửa chữa.

Dữ liệu thu thập được có thể được trình bày qua các biểu đồ thời gian thực về nhiệt độ, độ rung, lưu lượng gió và điện áp, giúp người vận hành dễ dàng theo dõi và phân tích. Việc cảnh báo sớm qua đèn và còi cũng như phần mềm giám sát từ xa giúp giảm thiểu thời gian phản ứng khi có sự cố.

So với các nghiên cứu trước đây, hệ thống thiết kế có ưu điểm về tính mở, khả năng tích hợp và chi phí hợp lý, đồng thời đáp ứng yêu cầu vận hành 24/7 trong môi trường khắc nghiệt của mỏ than. Tuy nhiên, cần tiếp tục hoàn thiện các thuật toán chẩn đoán và tối ưu hóa năng lượng để nâng cao hơn nữa hiệu quả hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống giám sát và điều khiển tự động trạm quạt gió 6kV Tràng Khê: Thực hiện lắp đặt PLC S7-1200, cảm biến nhiệt độ, áp suất, độ rung và phần mềm SCADA WinCC trong vòng 6 tháng tới nhằm nâng cao độ tin cậy và hiệu quả vận hành.

  2. Đào tạo nhân viên vận hành và bảo trì: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về vận hành hệ thống SCADA và PLC cho đội ngũ kỹ thuật trong 3 tháng đầu sau khi lắp đặt, đảm bảo nhân viên có đủ năng lực quản lý và xử lý sự cố.

  3. Xây dựng quy trình bảo trì dự phòng và cảnh báo sớm: Thiết lập quy trình bảo trì dựa trên dữ liệu giám sát, cảnh báo kịp thời các dấu hiệu hư hỏng để giảm thiểu thời gian ngừng máy và chi phí sửa chữa, áp dụng trong vòng 12 tháng.

  4. Mở rộng hệ thống giám sát cho các trạm quạt gió khác trong mỏ: Sau khi đánh giá hiệu quả tại trạm Tràng Khê, triển khai mở rộng hệ thống cho các trạm quạt gió tại các khu vực khác như Hồng Thái, Tràng Khê II trong vòng 2 năm tới nhằm đồng bộ hóa quản lý và nâng cao an toàn toàn mỏ.

  5. Nâng cấp và tích hợp hệ thống với trung tâm điều khiển mỏ: Phát triển phần mềm giám sát tích hợp với hệ thống điều khiển tập trung của mỏ, sử dụng mạng Ethernet cáp quang để truyền dữ liệu nhanh và bảo mật, dự kiến hoàn thành trong 18 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và chuyên gia kỹ thuật điện trong ngành khai thác than: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển trạm quạt gió 6kV, giúp nâng cao hiệu quả vận hành và bảo trì thiết bị.

  2. Nhà quản lý và điều hành mỏ than: Thông tin về hệ thống SCADA và các giải pháp tự động hóa hỗ trợ quản lý sản xuất, giám sát an toàn và ra quyết định nhanh chóng trong khai thác than hầm lò.

  3. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật điện, tự động hóa: Tài liệu tham khảo thực tiễn về ứng dụng PLC, SCADA trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt, từ khảo sát hiện trạng đến thiết kế và mô phỏng hệ thống.

  4. Nhà cung cấp thiết bị và giải pháp công nghiệp: Hiểu rõ yêu cầu kỹ thuật và đặc thù vận hành của trạm quạt gió trong mỏ than, từ đó phát triển sản phẩm phù hợp và tư vấn giải pháp tối ưu cho khách hàng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống giám sát trạm quạt gió 6kV có những thông số nào được theo dõi?
    Hệ thống giám sát liên tục các thông số như nhiệt độ vòng bi, nhiệt độ cuộn dây stato, độ rung động cơ, điện áp và dòng điện ba pha, lưu lượng gió, tốc độ gió và áp suất chênh lệch. Ví dụ, cảm biến nhiệt độ giúp phát hiện quá nhiệt động cơ để cảnh báo kịp thời.

  2. Lợi ích chính của việc áp dụng hệ thống SCADA trong trạm quạt gió là gì?
    SCADA giúp thu thập dữ liệu thời gian thực, giám sát và điều khiển từ xa, cảnh báo sự cố nhanh chóng, giảm thiểu thời gian ngừng máy và chi phí bảo trì. Ví dụ, khi lưu lượng gió giảm dưới ngưỡng, hệ thống sẽ tự động cảnh báo để điều chỉnh kịp thời.

  3. Tại sao cần sử dụng PLC trong hệ thống điều khiển trạm quạt gió?
    PLC có khả năng xử lý logic nhanh, độ tin cậy cao, dễ lập trình và bảo trì, phù hợp với môi trường công nghiệp khắc nghiệt. PLC S7-1200 được lựa chọn vì tính mở và khả năng tích hợp với phần mềm SCADA WinCC.

  4. Hệ thống có tính năng dự phòng nóng như thế nào?
    Hệ thống được thiết kế có khả năng chuyển đổi dự phòng nhanh khi có sự cố thiết bị, đảm bảo hoạt động liên tục 24/7. Ví dụ, khi một quạt gió chính gặp sự cố, quạt dự phòng sẽ được kích hoạt tự động để duy trì lưu lượng gió.

  5. Làm thế nào để hệ thống hỗ trợ công tác bảo trì và nâng cao tuổi thọ thiết bị?
    Hệ thống lưu trữ dữ liệu vận hành, thống kê thời gian chạy/dừng, cảnh báo sớm các dấu hiệu hư hỏng, giúp lập kế hoạch bảo trì dự phòng hiệu quả. Ví dụ, dữ liệu rung động động cơ được phân tích để phát hiện sớm các vấn đề về vòng bi.

Kết luận

  • Đã thiết kế thành công hệ thống giám sát và điều khiển tự động trạm quạt gió 6kV Tràng Khê, đáp ứng yêu cầu vận hành an toàn và hiệu quả trong khai thác than hầm lò.
  • Hệ thống sử dụng PLC S7-1200 và phần mềm SCADA WinCC, giám sát liên tục các thông số quan trọng như nhiệt độ, độ rung, lưu lượng gió và điện áp.
  • Thiết kế có tính mở, dễ dàng tích hợp và mở rộng cho các trạm quạt gió khác trong mỏ, giúp đồng bộ quản lý và nâng cao hiệu quả sản xuất.
  • Đề xuất triển khai hệ thống trong vòng 6 tháng, đồng thời đào tạo nhân viên và xây dựng quy trình bảo trì dự phòng để tối ưu hóa vận hành.
  • Kêu gọi các đơn vị khai thác than và chuyên gia kỹ thuật áp dụng giải pháp này nhằm nâng cao an toàn lao động và hiệu quả sản xuất trong ngành khai thác than hầm lò.