Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa hiện đại, việc bảo trì và kiểm tra các thiết bị trong nhà máy đóng vai trò quan trọng nhằm đảm bảo hiệu suất và tuổi thọ của hệ thống. Đặc biệt, lò Reformer trong Nhà máy Đạm Cà Mau là thiết bị then chốt trong quá trình sản xuất khí tổng hợp, với hơn 180 ống xúc tác dài 13 mét và đường kính 152 mm, được bố trí thẳng đứng và cách nhau 100 mm. Việc kiểm tra ngoại quan và đánh giá tình trạng các ống xúc tác này hiện nay chủ yếu dựa vào phương pháp thủ công, sử dụng giàn giáo và thiết bị cầm tay, gây tốn kém thời gian và chi phí, đồng thời tiềm ẩn nhiều rủi ro an toàn lao động.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế và phát triển hệ thống điều khiển cho robot leo bên ngoài ống xúc tác lò Reformer, nhằm tự động hóa quá trình kiểm tra, thu thập dữ liệu hình ảnh bề mặt ống và thành lò, giúp các chuyên gia đánh giá chất lượng đường ống một cách chính xác và nhanh chóng. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế hệ thống dẫn động, hệ thống điều khiển, các giải thuật điều khiển robot di chuyển lên xuống và dừng tại vị trí mong muốn, cùng với thiết kế giao diện người dùng thân thiện. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 01 đến tháng 08 năm 2021, với thử nghiệm ban đầu trên mô hình sa bàn tương tự điều kiện thực tế tại Nhà máy Đạm Cà Mau.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc rút ngắn thời gian kiểm tra từ 3,5 ngày xuống còn khoảng 2 ngày cho 150 ống, giảm thiểu rủi ro lao động trên cao, đồng thời nâng cao độ chính xác và hiệu quả trong công tác bảo trì, góp phần tăng tuổi thọ và độ an toàn của hệ thống lò Reformer.

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 PID (Proportional-Integral-Derivative): Giải thuật điều khiển PID được áp dụng để điều chỉnh tốc độ và vị trí của robot một cách chính xác, đảm bảo robot di chuyển ổn định và dừng đúng vị trí trên đường ống.

  • Mô hình động học robot leo ống: Phân tích lực tác động, mô men xoắn và cơ cấu dẫn động để thiết kế hệ thống bánh xe và cơ cấu bám chắc chắn trên ống xúc tác.

  • Hệ thống cảm biến và camera giám sát (Vision System): Sử dụng camera công nghiệp và các cảm biến đo tốc độ, góc nghiêng, độ dày ống để thu thập dữ liệu hình ảnh và trạng thái vận hành robot.

  • Bộ lọc Kalman rời rạc: Áp dụng để xử lý tín hiệu cảm biến, giảm nhiễu và nâng cao độ chính xác trong đo lường tốc độ và góc nghiêng của robot.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu khảo sát thực tế tại Nhà máy Đạm Cà Mau về cấu trúc đường ống, điều kiện vận hành, cùng với dữ liệu thu thập từ các cảm biến và camera lắp trên robot thử nghiệm.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phương pháp tính toán động học, lựa chọn động cơ BLDC phù hợp dựa trên công suất và moment xoắn cần thiết. Giải thuật điều khiển PID được lập trình trên vi điều khiển Arduino, kết hợp với bộ lọc Kalman để xử lý tín hiệu.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu bắt đầu từ tháng 01/2021 với khảo sát thực tế và thiết kế lý thuyết, tiếp tục phát triển hệ thống điều khiển và phần mềm giao diện trong các tháng tiếp theo, hoàn thiện và thử nghiệm trên mô hình sa bàn vào tháng 07/2021, kết thúc luận văn vào tháng 08/2021.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Thử nghiệm được thực hiện trên mô hình sa bàn với kích thước và cấu trúc tương tự đường ống thực tế, đảm bảo tính đại diện cho điều kiện vận hành thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tốc độ di chuyển robot: Robot đạt vận tốc leo lên 6 mét/phút và leo xuống 12 mét/phút, phù hợp với yêu cầu kiểm tra ống trong thời gian tối thiểu 6 phút/ống. Tốc độ này được điều khiển ổn định nhờ giải thuật PID với sai số tốc độ dưới 5%.

  2. Khả năng dừng chính xác: Robot có thể dừng tại vị trí mong muốn trên đường ống với sai số vị trí dưới 2 cm, đảm bảo thu thập dữ liệu hình ảnh chính xác tại các điểm cần kiểm tra.

  3. Chất lượng hình ảnh thu thập: Hệ thống camera KBVision KX-A2011TN3 lắp trên robot cung cấp hình ảnh có độ phân giải cao, cho phép phát hiện các vết nứt và phồng trên bề mặt ống với kích thước nhỏ hơn 1 mm.

  4. Độ tin cậy của hệ thống cảm biến: Bộ lọc Kalman giúp giảm nhiễu tín hiệu từ cảm biến gia tốc và góc nghiêng MPU-9250, nâng cao độ chính xác đo lường tốc độ và vị trí robot, với sai số giảm khoảng 30% so với tín hiệu gốc.

Thảo luận kết quả

Kết quả vận hành robot trên mô hình sa bàn cho thấy hệ thống điều khiển PID kết hợp bộ lọc Kalman hoạt động hiệu quả, giúp robot di chuyển ổn định và chính xác trên đường ống xúc tác. So với các nghiên cứu trước đây về robot leo trụ và robot kiểm tra đường ống, nghiên cứu này đã tối ưu hóa được tốc độ di chuyển và khả năng dừng chính xác trong môi trường giới hạn không gian của lò Reformer.

Việc sử dụng động cơ BLDC Dunkermotoren BG42x15 với hộp số PLG42S giúp đảm bảo công suất và moment xoắn cần thiết, đồng thời giảm khối lượng robot xuống dưới 15 kg, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật. Hệ thống camera và cảm biến được tích hợp hiệu quả, cung cấp dữ liệu hình ảnh và trạng thái vận hành đầy đủ cho người điều khiển.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ vận tốc robot theo thời gian, biểu đồ sai số vị trí dừng, cùng bảng so sánh chất lượng hình ảnh trước và sau xử lý, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của hệ thống điều khiển và thu thập dữ liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường tích hợp cảm biến đa dạng: Phát triển thêm các cảm biến đo độ dày, độ dão và phát hiện vết nứt bằng dòng điện xoáy hoặc siêu âm để nâng cao khả năng đánh giá tình trạng ống xúc tác.

  2. Nâng cấp hệ thống truyền dữ liệu không dây: Áp dụng công nghệ truyền dữ liệu không dây tốc độ cao như Wi-Fi hoặc 5G để truyền hình ảnh và dữ liệu cảm biến về trung tâm điều khiển, giảm thiểu dây cáp và tăng tính linh hoạt vận hành.

  3. Phát triển giải thuật điều khiển thông minh: Áp dụng các thuật toán điều khiển thích nghi hoặc học máy để tối ưu hóa quá trình di chuyển và xử lý sự cố, nâng cao độ an toàn và hiệu quả vận hành robot.

  4. Thương mại hóa và mở rộng ứng dụng: Đẩy mạnh thử nghiệm thực tế tại Nhà máy Đạm Cà Mau và các nhà máy khác, đồng thời phát triển các phiên bản robot phù hợp với các loại lò và đường ống khác nhau, mở rộng phạm vi ứng dụng trong công nghiệp.

Các giải pháp trên nên được thực hiện trong vòng 1-2 năm tới, phối hợp giữa các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất thiết bị công nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và nhà quản lý bảo trì công nghiệp: Giúp hiểu rõ về công nghệ robot kiểm tra tự động, từ đó áp dụng vào quy trình bảo trì, giảm thiểu thời gian và chi phí vận hành.

  2. Nhà nghiên cứu và phát triển robot công nghiệp: Cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về thiết kế hệ thống điều khiển robot leo ống, làm nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị tự động hóa: Tham khảo để phát triển sản phẩm robot kiểm tra đường ống, nâng cao năng lực cạnh tranh và đáp ứng nhu cầu thị trường.

  4. Sinh viên và giảng viên ngành kỹ thuật cơ điện tử: Là tài liệu học tập và tham khảo về ứng dụng thực tiễn của các giải thuật điều khiển PID, hệ thống cảm biến và robot di động trong môi trường công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Robot có thể hoạt động trong môi trường nhiệt độ cao của lò Reformer không?
    Robot được thiết kế với vật liệu chịu nhiệt và hệ thống làm mát phù hợp, đảm bảo hoạt động ổn định trong môi trường nhiệt độ cao của lò Reformer.

  2. Thời gian kiểm tra một ống xúc tác là bao lâu?
    Thời gian tối thiểu để kiểm tra một ống là khoảng 6 phút, bao gồm thời gian di chuyển lên, xuống và thu thập dữ liệu hình ảnh.

  3. Hệ thống điều khiển có thể dừng robot chính xác tại vị trí mong muốn không?
    Giải thuật PID kết hợp cảm biến encoder và bộ lọc Kalman giúp robot dừng với sai số vị trí dưới 2 cm, đáp ứng yêu cầu kiểm tra chi tiết.

  4. Robot có thể mang thêm thiết bị đo khác không?
    Robot có khả năng mang tải trọng trên 6 kg, đủ để lắp đặt thêm các cảm biến đo độ dày, độ dão hoặc thiết bị vệ sinh bề mặt.

  5. Dữ liệu hình ảnh được truyền về trung tâm điều khiển như thế nào?
    Hiện tại dữ liệu được truyền qua dây cáp, tuy nhiên nghiên cứu đề xuất nâng cấp hệ thống truyền dữ liệu không dây để tăng tính linh hoạt và giảm rối dây.

Kết luận

  • Đã thiết kế thành công hệ thống điều khiển robot leo bên ngoài ống xúc tác lò Reformer, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật về tốc độ, vị trí và an toàn vận hành.
  • Hệ thống camera và cảm biến tích hợp giúp thu thập dữ liệu hình ảnh chất lượng cao, hỗ trợ đánh giá tình trạng đường ống chính xác.
  • Giải thuật PID và bộ lọc Kalman được áp dụng hiệu quả trong điều khiển và xử lý tín hiệu, nâng cao độ ổn định và chính xác của robot.
  • Kết quả thử nghiệm trên mô hình sa bàn cho thấy tính khả thi và hiệu quả của giải pháp, làm cơ sở cho các bước phát triển tiếp theo.
  • Đề xuất các hướng phát triển mở rộng về cảm biến, truyền dữ liệu và giải thuật điều khiển thông minh nhằm nâng cao hiệu quả và ứng dụng thực tế.

Hành động tiếp theo: Triển khai thử nghiệm thực tế tại Nhà máy Đạm Cà Mau, hoàn thiện thiết kế và chuẩn bị cho thương mại hóa sản phẩm robot kiểm tra đường ống xúc tác. Các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích hợp tác để phát triển và ứng dụng công nghệ này rộng rãi hơn trong ngành công nghiệp hóa chất và lọc dầu.