Luận văn thạc sĩ về quy trình công nghệ và hệ thống SCADA trong ngành giấy

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích tự động hóa nghiên cứu và phát triển quy trình công nghệ và hệ thống scada cho nhà máy giấy, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải

• Tác giả: Trần Văn Trung
• Người hướng dẫn: TS. Trương Đình Châu
• Trường học: Đại học Quốc gia TP.Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Tự động hóa
• Đề tài: Nghiên Cứu Và Phát Triển Quy Trình Công Nghệ Và Hệ Thống SCADA Cho Nhà Máy Giấy
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Mục đích của luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Quy trình sản xuất bột giấy từ giấy carton
• 2.2. Quy trình sản xuất giấy trắng từ bột giấy UKP
• 2.3. Nguyên lý làm việc và đặc tính kỹ thuật của các thành phần trong nhà máy giấy
• 2.3.1. Bể nghiền thủy lực
• 2.3.2. Sàng tách rác nặng
• 2.3.3. Sàng tách rác nhẹ
• 2.3.4. Lọc cát nồng độ cao
• 2.3.5. Lọc cát nồng độ thấp
• 2.3.6. Sàng thô và sàng tinh
• 2.3.7. Hệ thống các bể chứa
• 2.3.8. Bộ phận tiếp cận
• 2.3.9. Bộ phận sấy
• 2.3.10. Hệ thống dịch tráng
• 2.3.11. Thùng xi lô
• 2.3.12. Xử lý khí không ngưng
• 2.4. Lập trình điều khiển hệ thống
• 2.4.1. Sơ lược về phương pháp lập trình
• 2.4.2. Các vấn đề khó khăn gặp phải khi lập trình hệ thống điều khiển nhà máy giấy
• 2.4.3. Hướng giải quyết
• 2.4.4. Các bộ điều khiển được sử dụng trong hệ thống
• 2.4.5. Cấu hình hệ thống SCADA
• 3. CHƯƠNG 3: THI CÔNG HỆ THỐNG SCADA CHO NHÀ MÁY GIẤY
• 3.1. Tiêu chuẩn kỹ thuật và thi công phần cứng
• 3.2. Lập trình PLC và SCADA cho nhà máy giấy
• 3.2.1. Dây chuyền sản xuất giấy carton
• 3.2.2. Dây chuyền sản xuất giấy trắng
• 3.3. Các thành phần hệ thống SCADA
• 3.3.1. Hệ thống cảnh báo Alarm
• 3.3.2. Biểu đồ thời gian thực Real time
• 3.3.3. Biểu đồ thời gian trong quá khứ
• 3.3.4. Phân quyền điều khiển
• 3.3.5. Điều khiển mẻ
• 4. CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về quy trình công nghệ

Quy trình công nghệ trong sản xuất giấy đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm. Quy trình này bao gồm nhiều bước từ thu gom nguyên liệu, xử lý, đến sản xuất giấy thành phẩm. Việc áp dụng công nghệ hiện đại giúp giảm thiểu lãng phí và tăng hiệu suất sản xuất. Đặc biệt, việc sử dụng công nghệ thông tin trong quy trình này giúp theo dõi và quản lý sản xuất một cách hiệu quả. Theo nghiên cứu, việc áp dụng tự động hóa trong quy trình sản xuất giấy có thể nâng cao năng suất lên đến 30%. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn đảm bảo chất lượng sản phẩm ổn định.

1.1. Quy trình sản xuất bột giấy

Quy trình sản xuất bột giấy từ giấy phế liệu là một trong những bước quan trọng nhất trong ngành công nghiệp giấy. Quy trình này bắt đầu từ việc thu gom giấy phế liệu, sau đó được nghiền và xử lý để tách các tạp chất. Các thiết bị như bể nghiền thủy lực và sàng tách rác được sử dụng để đảm bảo rằng bột giấy thu được đạt tiêu chuẩn chất lượng. Việc áp dụng cảm biến và hệ thống điều khiển giúp theo dõi và điều chỉnh quy trình một cách chính xác, từ đó nâng cao hiệu quả sản xuất.

II. Hệ thống SCADA trong nhà máy giấy

Hệ thống SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) là một phần không thể thiếu trong việc quản lý và điều khiển quy trình sản xuất giấy. Hệ thống này cho phép giám sát và điều khiển các thiết bị trong nhà máy từ xa, giúp tăng cường khả năng giám sát công nghiệp. SCADA cung cấp các tính năng như báo cáo sản xuất, phân tích dữ liệu, và quản lý chất lượng. Việc tích hợp SCADA vào quy trình sản xuất giúp giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động và tăng cường an toàn lao động. Theo một nghiên cứu, việc sử dụng SCADA có thể giảm thiểu 20% thời gian ngừng hoạt động trong sản xuất.

2.1. Thiết kế và triển khai hệ thống SCADA

Thiết kế hệ thống SCADA cho nhà máy giấy bao gồm việc xác định các thiết bị cần giám sát, lập trình các module điều khiển và xây dựng giao diện người dùng. Các cảm biến và thiết bị điều khiển được kết nối với hệ thống SCADA để thu thập dữ liệu thời gian thực. Việc lập trình hệ thống SCADA cần đảm bảo tính linh hoạt và khả năng mở rộng để đáp ứng nhu cầu sản xuất trong tương lai. Hệ thống cũng cần được kiểm tra và bảo trì định kỳ để đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả.

III. Tối ưu hóa quy trình sản xuất

Tối ưu hóa quy trình sản xuất giấy là một trong những mục tiêu chính của nghiên cứu này. Việc áp dụng các công nghệ mới như công nghiệp 4.0 và tích hợp hệ thống giúp nâng cao hiệu quả sản xuất. Các giải pháp như quản lý sản xuất thông minh và phân tích dữ liệu lớn được đề xuất để cải thiện quy trình. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa quy trình có thể giúp giảm chi phí sản xuất lên đến 15% và nâng cao chất lượng sản phẩm. Điều này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

3.1. Ứng dụng công nghệ mới

Việc ứng dụng công nghệ mới trong sản xuất giấy không chỉ giúp nâng cao năng suất mà còn cải thiện chất lượng sản phẩm. Các công nghệ như cảm biến thông minh và hệ thống điều khiển tự động được sử dụng để theo dõi và điều chỉnh quy trình sản xuất. Điều này giúp phát hiện sớm các vấn đề và giảm thiểu lãng phí. Hơn nữa, việc áp dụng công nghệ thông tin trong quản lý sản xuất giúp tối ưu hóa quy trình và nâng cao khả năng cạnh tranh của nhà máy giấy.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp sản xuất giấy và bột giấy tại Việt Nam đóng vai trò then chốt trong việc cung cấp vật tư thiết yếu cho nền kinh tế, văn hóa và giáo dục. Tuy nhiên, mức độ tự động hóa tại nhiều nhà máy trong nước thời điểm nghiên cứu vẫn còn hạn chế với tỷ lệ nội địa hóa quy trình điều khiển thấp dưới 40%, dẫn đến tình trạng tiêu hao năng lượng lớn và tỷ lệ giấy đứt hỏng trong giai đoạn xeo sấy lên tới 10% đến 15%. Sự thiếu hụt các hệ thống điều khiển tự động giám sát tập trung khiến việc kiểm soát nồng độ huyền phù bột giấy (thường dao động từ 0,4% đến 5%) và áp suất dòng chảy gặp nhiều sai số, làm giảm chất lượng thành phẩm và gia tăng phụ thuộc vào nguồn giấy nhập khẩu.

Trước thực trạng đó, đề tài tập trung nghiên cứu, hoàn thiện quy trình công nghệ và thiết kế thi công hệ thống SCADA cho hai dây chuyền sản xuất chính: dây chuyền tái chế giấy carton sóng cũ (OCC) và dây chuyền sản xuất giấy trắng từ bột giấy sunfat chưa tẩy (UKP). Nghiên cứu được triển khai trong giai đoạn từ tháng 01/2012 đến tháng 06/2012 tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM phối hợp cùng Công ty Cổ phần Mỹ Việt. Ý nghĩa trọng tâm của công trình là xây dựng thành công giải pháp điều khiển quá trình liên tục (Process Control), ứng dụng cấu trúc phân tán trên nền tảng PLC Modicon Quantum của Schneider Electric và phần mềm Wonderware InTouch. Hệ thống giúp chuẩn hóa chất lượng bột giấy đạt độ nghiền 12 đến 20 độ Schopper-Riegler (°SR), kiểm soát chính xác độ khô băng giấy từ 40% sau ép lên trên 91% sau sấy, đồng thời rút ngắn thời gian cập nhật dữ liệu toàn mạng xuống dưới 1 giây.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết điều khiển quá trình công nghiệp liên tục và lý thuyết điều khiển hồi tiếp vòng kín PID (Proportional-Integral-Derivative) đa biến. Hệ thống ứng dụng cấu trúc thuật toán PID dạng song song và hỗn hợp tích hợp khâu chống bão hòa tích phân (Anti-windup) nhằm triệt tiêu hiện tượng vọt lố khi điều khiển các cơ cấu chấp hành van tuyến tính. Bên cạnh đó, đề tài vận dụng kiến trúc điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA kết hợp tiêu chuẩn lập trình IEC 61131-3, cho phép kết hợp linh hoạt các ngôn ngữ lập trình khối chức năng (FBD), lưu đồ tiến trình tuần tự (SFC) và sơ đồ bậc thang (LD).

Khung lý thuyết tập trung phân tích 4 khái niệm và cơ chế cốt lõi trong công nghệ sản xuất giấy:

1. Cơ chế chổi hóa xơ sợi (Fibrillation) trong máy nghiền đĩa nhằm gia tăng diện tích tiếp xúc bề mặt và lực liên kết xenluloza.
2. Kiểm soát nồng độ huyền phù bột giấy từ nồng độ cao (3% đến 5%) xuống nồng độ siêu loãng (0,5% đến 0,6%) tại thùng đầu.
3. Cơ chế khóa liên động an toàn (Interlock System) giữa các cụm thiết bị công suất lớn.
4. Động học quá trình truyền nhiệt và thoát nước nhiều giai đoạn trong tổ sấy đa vùng nhiệt độ từ 85°C đến 150°C.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thực nghiệm thu thập từ toàn bộ các cụm thiết bị trường trên 2 dây chuyền sản xuất thực tế. Cỡ mẫu phân tích bao gồm hơn 100 biến số đo lường động (Dynamic I/O Tags) thời gian thực, đại diện cho 5 phân xưởng chính của dây chuyền OCC (bể nghiền thủy lực, lọc cát nồng độ cao, sàng thô, lọc cát nồng độ thấp, sàng tinh) và 5 phân đoạn của dây chuyền giấy trắng UKP (nghiền đĩa, xử lý nước trắng, thùng đầu, ép quang và sấy). Phương pháp chọn mẫu chỉ tiêu kỹ thuật được tiến hành theo dòng công nghệ khép kín, phân tích các điểm đo áp suất (từ 1 đến 5 bar), lưu lượng (600 đến 1300 lít/phút) và nồng độ sợi tại từng đầu vào và đầu ra của thiết bị.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích mô hình hóa phân tán trên phần mềm Schneider Unity Pro V5.0 là nhằm tối ưu hóa khả năng xử lý đa tác vụ với cấu trúc phân chia Master Task, Fast Task và ngắt sự kiện phần cứng (Event Processing). Cấu hình này cho phép mô phỏng chính xác đáp ứng động học của các vòng điều khiển mức (LIC), áp suất (PIC), nồng độ (QIC) và lưu lượng (FIC), đảm bảo thời gian quét chu kỳ luôn dưới 50 ms và độ tải mạng điều khiển duy trì ổn định dưới mức 50% trong suốt thời gian vận hành thực nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Hệ thống điều khiển tự động hóa và SCADA được thi công hoàn chỉnh đã mang lại những kết quả đo lường cụ thể trên dây chuyền sản xuất:

1. Tối ưu hóa hiệu suất làm sạch bột giấy qua hệ thống lọc cát và sàng áp lực nhiều cấp. Tại cụm lọc cát giai đoạn I, lưu lượng cấp đạt 360,4 tấn/ngày ở nồng độ 0,6%, sản lượng bột hợp cách thu hồi đạt 316,6 tấn/ngày (tương đương hiệu suất tách lọc 87,8%), lượng cặn thải nặng được kiểm soát chính xác ở mức 43,8 tấn/ngày (chiếm 12,2%). Dây chuyền phân loại xơ sợi dài và ngắn qua sàng khe 0,2 mm và 1,4 mm giúp thu hồi triệt để trên 90% lượng sợi đạt chuẩn.
2. Kiểm soát ổn định nồng độ bột tại bể chứa đầu máy xeo trong khoảng 3,7% đến 5% và pha loãng chính xác về mức 0,5% đến 0,6% tại thùng đầu (Headbox). Tỷ lệ đồng tốc giữa tốc độ phun tia bột và tốc độ lưới xeo được duy trì xấp xỉ 1,0, triệt tiêu hiện tượng dồn bột hoặc giãn đứt băng giấy, tăng độ đồng đều định lượng giấy lên 95%.
3. Nâng cao hiệu quả tách nước và sấy nhiệt qua các tổ sấy độc lập. Băng giấy ẩm sau khi qua bộ phận lưới đạt độ khô 18% đến 22%, qua bộ phận ép đạt 40% đến 50%, và sau khi qua các tổ sấy gia nhiệt đạt độ ẩm thương phẩm tiêu chuẩn 9%, giúp tiết kiệm hơn 15% lượng hơi nóng tiêu hao nhờ hệ thống tuần hoàn khí không ngưng và thu hồi nước sạch.
4. Mạng truyền thông công nghiệp Ethernet Ring đạt tốc độ truyền dẫn 100 Mbps giữa các PLC và 1 Gbps giữa các trạm máy chủ SCADA Server/Client, duy trì độ trễ cập nhật tín hiệu dưới 1 giây và tải mạng chỉ ở mức 45% trong điều kiện toàn bộ 100 biến dữ liệu động thay đổi đồng thời.

Thảo luận kết quả

Sự cải thiện vượt bậc về chất lượng xơ sợi và độ bền cơ lý của tờ giấy xuất phát từ việc hiệu chỉnh chính xác thuật toán PID cho các van tuyến tính và cơ chế phối trộn phụ gia (tinh bột oxy hóa, keo nhũ tương AKD và chất trợ phân tán). Khi nhiệt độ vùng phân tán nóng được giữ ổn định ở mức 85°C đến 150°C, các hạt tạp chất siêu mịn và mực in bị nghiền nhỏ xuống dưới kích thước 40 µm, giúp bề mặt giấy thành phẩm không còn vết cặn bẩn.

Dữ liệu vận hành thực tế được trực quan hóa rõ nét thông qua bảng cân bằng vật chất phân tích dòng bột - nước và các biểu đồ xu hướng thời gian thực (Real-time Trend), biểu đồ lịch sử (Historical Trend) trên giao diện Wonderware InTouch. Biểu đồ theo dõi độ chênh áp suất trước và sau sàng lọc (với ngưỡng cảnh báo cài đặt ở mức chênh lệch 0,5 bar) là công cụ quan trọng giúp người vận hành phát hiện sớm hiện tượng nghẽn sàng do nồng độ bột quá đặc, từ đó giảm tới 80% thời gian dừng máy đột ngột so với cách vận hành tủ nút bấm cơ khí truyền thống. So với các hệ thống điều khiển đơn lẻ, kiến trúc SCADA phân tán 2 CPU Quantum đã chứng minh khả năng chia tải vượt trội và đảm bảo độ tin cậy tuyệt đối cho nhà máy sản xuất liên tục 24/7.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu và thực tế triển khai công nghệ, tác giả đưa ra 4 nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể:

1. Chuẩn hóa lắp đặt hệ thống cảm biến đo nồng độ trực tuyến: Ban Quản lý Kỹ thuật nhà máy cần trang bị bổ sung các cảm biến đo nồng độ bột dạng quang học hoặc dao động cơ học tại 100% các bể điều tiết (Stuff Box) và bể máy, nhằm duy trì sai số nồng độ dưới 0,05% trong khung thời gian 6 tháng triển khai.
2. Tối ưu hóa chu trình thu hồi nhiệt và nước ngưng: Đội ngũ Kỹ sư Năng lượng cần cải tạo hệ thống bẫy hơi và bộ trao đổi nhiệt khí không ngưng tại các tổ sấy, duy trì áp lực hơi ổn định từ 4 đến 7 kg/cm², hướng tới mục tiêu giảm 15% định mức tiêu hao hơi nước bão hòa trên mỗi tấn giấy thành phẩm trong vòng 12 tháng.
3. Nâng cấp hạ tầng mạng truyền thông công nghiệp vòng Ring dự phòng: Bộ phận Tự động hóa cần chuyển đổi toàn bộ cáp truyền thông sang đường truyền cáp quang công nghiệp tốc độ 1 Gbps, tích hợp chuẩn giao tiếp Profibus/Modbus TCP/IP mở cho các thiết bị trường, đảm bảo thời gian chuyển mạch khi đứt tuyến cáp dưới 20 ms và độ tải mạng duy trì dưới 40% trong lộ trình 3 tháng.
4. Đổi mới thiết bị tiền xử lý bằng công nghệ tang trống tích hợp: Ban Giám đốc doanh nghiệp nên lập kế hoạch đầu tư thay thế cụm ba thiết bị truyền thống (bể thủy lực, sàng tách rác nặng, sàng tách rác nhẹ) bằng hệ thống tang trống (Drum Pulper) chuyên dụng nhằm nâng công suất tái chế giấy carton thêm 25% và tiết kiệm 20% điện năng tiêu thụ trong kế hoạch trung hạn 24 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cao cho 4 nhóm đối tượng sau:

1. Kỹ sư Tự động hóa và Kỹ sư Điều khiển Quá trình: Nắm vững phương pháp thiết kế cấu trúc hệ thống SCADA/DCS hoàn chỉnh, kỹ thuật phân bổ chương trình PLC theo task, phương pháp xử lý khóa liên động bảo vệ thiết bị công suất lớn và cách lập trình các khối hàm điều khiển PID, FBD, SFC trên Schneider Unity Pro.
2. Cán bộ Quản lý Kỹ thuật và Vận hành Nhà máy Giấy: Ứng dụng trực tiếp quy trình công nghệ chuẩn hóa cho hai dây chuyền carton (OCC) và giấy trắng (UKP), lưu đồ cân bằng vật chất phân tách xơ sợi dài - ngắn và giải pháp kiểm soát nồng độ huyền phù bột để nâng cao sản lượng và giảm phế phẩm.
3. Học viên Cao học và Giảng viên ngành Điện - Tự động hóa: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chi tiết về phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, kỹ thuật thiết kế giao diện HMI chuẩn công nghiệp trên Wonderware InTouch, và các giải pháp chống bão hòa tích phân cho van điều khiển tuyến tính.
4. Các Doanh nghiệp Tích hợp Hệ thống Công nghiệp (System Integrators): Khai thác các sơ đồ kết nối phần cứng tủ điều khiển, bảng ánh xạ biến truyền thông Ethernet tốc độ cao và giải pháp bảo mật phân quyền trạm vận hành để triển khai cho các dự án tự động hóa nhà máy quy mô lớn.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao cần phân tách riêng dòng xơ sợi dài và xơ sợi ngắn trong dây chuyền tái chế carton? Việc phân tách giúp tối ưu hóa cơ tính của từng lớp giấy. Xơ sợi dài được đưa qua máy nghiền đĩa đôi công suất 250 kW và xông hơi nóng từ 85°C đến 150°C để làm lớp mặt, giúp tăng độ bền kéo và độ láng bóng. Xơ sợi ngắn được làm sạch qua lọc nồng độ thấp 0,4% để làm lớp giữa, giúp tiết kiệm đáng kể năng lượng nghiền.

Khối điều khiển PID trong phần mềm Unity Pro được cấu hình như thế nào để tối ưu góc mở van tuyến tính? Khối PID được cấu hình theo dạng thuật toán song song kết hợp khâu chống bão hòa tích phân (Anti-windup) và bộ lọc dải chết (Deadband) ở sai số đầu vào. Cấu hình này giúp triệt tiêu hiện tượng tích lũy sai số khi van điều khiển nồng độ hoặc lưu lượng bị mở kịch trần, bảo vệ cơ cấu chấp hành và duy trì đáp ứng nhanh dưới 2 giây.

Nguyên nhân chính gây tắc sàng áp lực trong quá trình xeo giấy và cách xử lý trên hệ thống SCADA là gì? Hiện tượng nghẽn sàng xảy ra khi áp suất chênh lệch giữa đầu vào và đầu ra vượt quá ngưỡng an toàn 0,5 bar, thường do nồng độ bột vượt mức 4,5% hoặc áp lực nước làm kín tụt giảm. Hệ thống SCADA sẽ kích hoạt cảnh báo Alarm tự động, đồng thời can thiệp điều khiển giảm tốc bơm cấp hoặc tăng góc mở van nước rửa làm loãng dòng bột.

Giải pháp thu hồi và tái sử dụng nước trắng trên máy xeo mang lại lợi ích kinh tế như thế nào? Nước trắng giàu xơ sợi mịn (nồng độ 0,01% đến 0,02%) thu hồi từ phần đầu lưới xeo được đưa về bồn xilo để pha loãng huyền phù bột từ 3,7% xuống 0,6% trước khi vào bơm quạt. Nước trắng loãng từ hòm hút chân không được tuần hoàn để rửa chăn và bồn nghiền, giúp tiết kiệm hơn 30% lượng nước sạch tiêu thụ.

Cấu trúc phân tán 2 bộ điều khiển PLC Quantum mang lại ưu thế gì so với mô hình điều khiển tập trung? Mô hình phân tán tách biệt độc lập 1 PLC cho dây chuyền giấy carton OCC và 1 PLC cho dây chuyền giấy trắng ONP/UKP, liên kết qua mạng Ethernet tốc độ 100 Mbps. Cấu trúc này giúp cô lập hoàn toàn sự cố giữa hai dây chuyền, giảm tải chu kỳ quét của CPU và đảm bảo hệ thống vận hành liên tục không bị gián đoạn.

Kết luận

• Luận văn đã chuẩn hóa thành công quy trình công nghệ sản xuất bột giấy từ nguyên liệu carton tái chế (OCC) và bột giấy sạch (UKP), đáp ứng yêu cầu kỹ thuật khắt khe của ngành công nghiệp giấy.
• Xây dựng hoàn chỉnh hệ thống tự động hóa SCADA tích hợp 2 bộ điều khiển PLC Modicon Quantum và phần mềm Wonderware InTouch, đảm bảo tốc độ phản hồi dữ liệu dưới 1 giây và duy trì tải mạng dưới 50%.
• Làm chủ phương pháp lập trình điều khiển quá trình (Process Control), ứng dụng linh hoạt các thuật toán PID, module khóa liên động bảo vệ thiết bị và cơ chế điều khiển bám vết cho các van tuyến tính.
• Nâng cao hiệu suất thu hồi xơ sợi hợp cách đạt trên 87,8%, kiểm soát độ ẩm giấy cuộn thành phẩm ổn định ở mức tiêu chuẩn 9% và tiết kiệm năng lượng hơi nhiệt trong khâu sấy.
• Định hướng trong 12 đến 24 tháng tới là tiếp tục mở rộng tích hợp hệ thống quản trị sản xuất MES và nghiên cứu ứng dụng công nghệ tang trống tiền xử lý tự động hóa hoàn toàn.

Quý độc giả, kỹ sư và doanh nghiệp quan tâm đến giải pháp tự động hóa nhà máy giấy có thể tham khảo toàn văn công trình nghiên cứu để áp dụng trực tiếp các sơ đồ công nghệ, thuật toán điều khiển và cấu hình SCADA vào thực tiễn sản xuất!

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Ngành công nghiệp giấy và bột giấy của Việt Nam là một ngành quan trọng trong lĩnh vực sản xuất hàng tiêu dùng. Mặc dù không phải là ngành đóng góp lớn cho thu nhập quốc dân nhưng lại cung cấp sản phẩm thiết yếu phục vụ phát triển giáo dục, văn hoá xã hội và nhiều ngành công nghiệp khác. Mặt khác công nghiệp giấy và bột giấy được coi là một trong những ngành mũi nhọn góp phần xoá đói giảm nghèo, chuyển dịch cơ cấu kinh tế, phát triển kinh tế xã hội vùng sâu vùng xa.

Hiện nay công nghệ sản xuất giấy của Việt Nam còn hạn chế, sản lượng giấy của các nhà máy sản xuất được chưa tương xứng với nguồn tài nguyên của nhà máy vì tính tự động trong nhiều nhà máy còn chưa cao. Thêm vào đó, chất lượng giấy của Việt Nam còn kém vì thiếu sự kiểm tra chất lượng một cách kịp thời. Ở Việt Nam còn có rất nhiều loại giấy chưa thể sản xuất, do vậy phải nhập từ nước ngoài. Để có thể giúp ích một phần nào đó cho ngành công nghệ giấy ở Việt Nam nên em chọn đề tài Nghiên cứu và phát triển quy trình công nghệ và hệ thống SCADA cho nhà máy giấy.

Trong đề tài của mình, em nghiên cứu và phát triển quy trình công nghệ sản xuất giấy, xây dựng các giái pháp điều khiển hệ thống tự động cho nhà máy giấy, nhằm giúp cho ngành sản xuất giấy của Việt Nam phát triển tạo ra sản lượng giấy nhiều và chất lượng tốt hơn. TRẦN VĂN TRUNG Page 1 LUẬN VĂN THAC SĨ 1. MỤC ĐÍCH CỦA LUẬN VĂN Nghiên cứu và xây dựng các giải pháp tự động cho ngành công nghệ sản xuất giấy ở Việt Nam. Có thể xây dựng được một hệ thống, dây chuyền sản xuất giấy hoàn chỉnh đưa vào sản xuất theo các quy trình công nghệ khác nhau.

Xây dựng khả năng giải quyết một bài toán công nghệ giấy thực tế. Củng cố khả năng lập trình Process hệ thống có yêu cầu nghiêm ngặt và vấn đề an toàn, khóa lẫn để bảo vệ con người và thiết bị. Xây dựng các khối điều khiển PID, độ rộng xung. để điều khiển hệ thống.

Tìm hiểu các đặc tính của thiết bị điều khiển, các cảm biến, đối tượng điều khiển,…từ đó hiểu và xử lý những lỗi thường gặp cũng như để căn chỉnh sao cho phù hợp với việc điều khiển. Lập trình hệ thống SCADA và PLC để điều khiển hệ thống sản xuất giấy, từ đây có thể có một kiến thức tổng quát để xây dựng các hệ thống SCADA cho các hệ thống khác. Hiểu rõ thêm về những phần mêm điều khiển công nghiệp, từ đó có thể làm chủ phần mềm, dùng phần mêm như một công cụ hữu ích để phục vụ sản xuất ví dụ như: Unity Pro của Schneider, Intouch của Wonderware… Sau khi hoàn thành luận văn, sẽ có một cái nhìn tổng quát về một đề tài khoa học, từ đó sẽ có hướng để phát triển, nghiên cứu các đề tài khác. Đồng thời hình thành cho một khả năng xây dựng, giải quyết một vấn đề lớn.

Thắt chặt thêm khoảng cách giữa thực tế và lý thuyết đã được học trong nhà trường. TRẦN VĂN TRUNG Page 2 LUẬN VĂN THAC SĨ CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Quy trình sản xuất bột giấy từ giấy loại Carton Trình tự công nghệ Hình 2. Sơ đồ công nghệ nhà máy tái chế giấy Dây chuyền tái chế OCC là dây chuyền sử dụng nguyên liệu đầu vào là các giấy phế liệu Carton.

Giấy phế liệu sau khi được thu gom từ các nơi về sẽ đóng từng kiện, trong từng kiện chúng ta sẽ kiểm tra khối lượng, độ ẩm. Các kiện được đóng gói bằng các dây kẽm kim loại. Sau đó các kiện này sẽ được đưa lên băng tải để chuyển đến bể nghiền thủ lực. Lượng nạp liệu đặc biệt cao nhờ dòng xoáy nước tối ưu được tạo ra bởi thiết kế hoàn hảo của cánh khuấy và thành bể.

Máy được thiết kế đặc biệt kiểu D hoặc Sigma, nâng cao đáng kể hiệu quả nghiền vụn đồng thời giảm tiêu hao năng lượng và tiêu hao nước. Tại đây, sẽ đánh tan các loại bao bì, thùng carton cũ trong dung dịch nước từ trạng thái ban đầu trở thành dung dịch huyền phù bột có nồng độ và độ nghiền 0SR theo yêu cầu kỹ thuật. TRẦN VĂN TRUNG Page 3 LUẬN VĂN THAC SĨ Hình 2. Hình ảnh băng tải và bể thủy lực Bên dưới bồn thủy lực có một lớp sàng đường kính khoảng 10mm, dòng bột tốt tức là dòng bột lọt qua mặt sàng sẽ được bơm đến sàng lọc cát nồng độ cao.

Những rác thải cùng với bột giấy sẽ được chuyển sang sàng tách rác. Sàng tách rác này có nhiệm vụ tách rác sơ bộ dòng bột từ bể thủy lực đưa ra, đường kính mặt sàng khoảng 12 mm, áp suất làm việc lớn nhất của sàng khoảng 2,5 bar, tại đây các rác nặng sẽ được thải ra ngoài, tuy nhiên các rác nhẹ vẫn còn và sẽ được chuyển lên một sàng tách rác nhẹ khác để tách rác nhẹ sau đó đổ ngược lại về thủy lực. Tại sàng tách nước nhẹ này, sẽ có một van nước bơm vào để rửa vào áp suất 5bar, lỗ sàng có đường kính khoảng 16mm, tốc độ quay 12 vòng/phút. TRẦN VĂN TRUNG Page 4 LUẬN VĂN THAC SĨ Hình 2.

Cánh khuấy của thủy lực đang hoạt động Sau khi qua thiết bị lọc thô nồng độ cao, bột tái sinh qua thiết bị sàng để loại bỏ khỏi dòng bột những đám bột chưa bị đánh tan hết sau quá trình nghiền thủy lực. Ở đây dùng sàng áp lực 4 giai đoạn nên thu hồi gần triệt để lượng bột tốt còn lẫn trong dòng bột thải. Nồng độ bột là 2 - 4,5%. Sau đó dòng bột đi tới thiết bị lọc nồng độ trung bình để loại bỏ những tạp chất kích thước nhỏ.

Nồng độ bột ở thiết bị khoảng từ 2 – 4%. Qua thiết bị này, một lần nữa các tạp chất bị loại bỏ khỏi dòng bột (nhựa, keo, cát…). Tiếp theo dòng bột được đưa vào thiết bị phân tách riêng xơ sợi dài và xơ sợi ngắn. Trong sản xuất giấy làm hòm hộp các tông từ OCC, để tận dụng hiệu quả xơ sợi cần tách riêng bột sợi dài (dùng làm lớp mặt, vì nó làm tăng độ bền cơ lý và tính mỹ quan của giấy) và bột sợi ngắn (dùng làm lớp giữa) từ dòng bột tái sinh.

Thiết bị này có cấu tạo giống như sàng áp lực dạng lỗ, nhưng lỗ sàng ở đây thường nhỏ khoảng 1,4 mm, nồng độ bột khoảng 3,5 - 4%. TRẦN VĂN TRUNG Page 5 LUẬN VĂN THAC SĨ Đầu tiên dòng bột được đưa vào thiết bị phân tách sợi lần thứ nhất. Dòng bột ra được chia làm hai nhánh: Ở nhánh thứ nhất, dòng bột chứa xơ sợi ngắn tiếp tục qua thiết bị lọc nồng độ thấp 3 giai đoạn để loại bỏ những tạp chất nhẹ (mảnh vụn nhựa, sáp nến, băng keo, chất kết dính, …). Nồng độ dòng bột vào nhỏ hơn 1% (0,4% là tối ưu).

Đến đây có thể nói bột không còn tạp chất làm ảnh hưởng tới chất lượng giấy sản xuất ra. Tiếp theo dòng bột được tách nước ở thiết bị cô đặc dạng đĩa chân không hiệu suất cao. Ở đây nồng độ của dòng bột ra được nâng lên đến 25 – 30%. Ngoài tác dụng cô đặc bột, thiết bị cô đặc còn có tác dụng rửa bột vì dòng bột được làm sạch khỏi dung dịch bẩn có trong dòng bột ban đầu.

Chân không được ống tụt nước tạo ra. Dòng bột được bơm vào hộp nhập liệu qua vùng cấp liệu. Dòng bột chảy tràn qua vùng chảy tràn ngược theo chiều đĩa quay. Mức dòng bột được điều chỉnh thông qua tốc độ quay của đĩa.

Sau khi qua tất cả các khâu sàng, lọc thô và tinh… thì trong dòng bột vẫn còn sót lại một số những hạt mực in có kích thước mắt thường có thể không nhìn thấy. Mục đích của quá trình phân tán là làm giảm kích thước của những hạt tạp chất này xuống tới mức mà mắt thường không còn có thể thấy được nữa (<40μm) và phân tán đều chúng trong bột hoặc rửa trôi chúng đi, kết quả là không để lại vết tích của những hạt tạp chất trên sản phẩm giấy làm từ bột tái sinh. Sau khi được cô đặc, bột được làm nóng lên đến nhiệt dộ khoảng 85 – 150 0C bằng cách xông hơi áp lực cao để làm mềm các hạt tạp chất để quá trình làm giảm kích thước của chúng dễ dàng hơn. Để làm giảm kích thước của các hạt tạp chất này xuống tới mức mà mắt thường không thể nhìn thấy được bằng cách dùng đĩa nghiền có kết cấu răng đặc biệt.

Các hạt tạp chất sẽ giảm kích thước khi được nhào trộn và chà sát mạnh giữa các răng của rotor và stator trong thiết bị. Sau đó bột được đưa vào bể chứa và được dùng làm lớp giữa tờ giấy. Ở nhánh thứ hai, dòng bột xơ sợi dài được phân tách ra sẽ tiếp tục được phân tách lần thứ hai, phân tách xơ sợi dài làm hai loại (loại xơ sợi dài thứ nhất - xơ sợi tốt và loại xơ sợi dài thứ hai - xơ sợi kém hơn) được xử lý riêng biệt để tăng hiệu suất bột và giảm năng lượng. TRẦN VĂN TRUNG Page 6 LUẬN VĂN THAC SĨ Loại xơ sợi dài thứ nhất quy trình xử lý tiếp theo tương tự như đối với dòng bột xơ sợi ngắn, điểm khác biệt là có thêm công đoạn lọc nghịch dòng tách loại tạp chất nhẹ trước khi cô đặc bột để lọc triệt để tạp chất.

Khi ra khỏi thiết bị phân tán nóng, phần tốt nhất của dòng bột này được đưa vào hoà trộn với dòng bột được chuẩn bị từ bột nguyên thủy để dùng làm bột cho sản xuất lớp mặt tờ giấy, phần kém hơn được hoà nhập vào dòng bột từ dòng loại xơ sợi dài thứ hai xử lý tiếp và dùng làm bột cho lớp lưng tờ giấy. Dòng bột xơ sợi dài thứ hai cũng được xử lý qua các bước như đối với dòng bột xơ sợi ngắn, nhưng ở công đoạn lọc nồng độ thấp sử dụng thiết bị lọc 4 giai đoạn (thay vì ba giai đoạn) và có thêm công đoạn sàng tinh ba giai đoạn kiểu sàng gợn sóng tiên tiến với lỗ sàng có kích thước 0,2mm để loại bỏ những xơ sợi ngắn sót lại trước khi cô đặc bột. Sau khi phân tán nóng, dòng bột xơ sợi dài thứ nhất còn lại (phần tốt đã được đưa vào hoà trộn với dòng bột được chuẩn bị từ bột nguyên thủy) và dòng bột xơ sợi dài thứ hai được hoà nhập làm một và được đưa vào máy nghiền hai đĩa quay.