Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống cân băng định lượng đóng vai trò then chốt trong các dây chuyền công nghiệp hiện đại, đặc biệt trong sản xuất xi măng và chế biến nguyên liệu. Tại nhà máy xi măng Bỉm Sơn, hệ thống này được ứng dụng để định lượng chính xác các thành phần như đá vôi, đất sét, clinker và phụ gia nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm xi măng hỗn hợp PC30 với sai số định lượng không vượt quá 3%. Theo báo cáo thực tế, nhà máy vận hành liên tục 24/24 giờ trong 315 ngày/năm, đòi hỏi hệ thống cân băng phải hoạt động ổn định và chính xác trong thời gian dài. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế bộ điều khiển mờ nâng cao chất lượng hệ thống cân băng định lượng, nhằm cải thiện độ ổn định và chính xác trong điều khiển lưu lượng vật liệu trên băng tải. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống cân băng định lượng cấp sét cho máy nghiền liệu tại nhà máy xi măng Bỉm Sơn, với mô hình và mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm sai số định lượng, từ đó góp phần tăng năng suất và chất lượng sản phẩm, đồng thời giảm thiểu tổn thất nguyên liệu trong quá trình sản xuất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình điều khiển tự động hiện đại, trong đó nổi bật là:

  • Lý thuyết điều khiển PID: Bộ điều khiển PID gồm ba thành phần tỉ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D), được sử dụng phổ biến trong điều khiển hệ thống cân băng để xử lý sai số giữa lưu lượng đặt và lưu lượng thực tế. Các phương pháp xác định tham số PID như Ziegler-Nichols, Chien-Hrones-Reswick, tổng T của Kuhn và tối ưu độ lớn được áp dụng để tối ưu hóa hiệu suất điều khiển.

  • Điều khiển mờ (Fuzzy Control): Phương pháp điều khiển mờ được sử dụng để xử lý các tín hiệu không chính xác và phi tuyến trong hệ thống cân băng. Bộ điều khiển mờ tĩnh và động, hệ mờ lai và hệ mờ thích nghi được nghiên cứu nhằm nâng cao khả năng thích ứng và ổn định của hệ thống.

  • Mô hình hàm truyền của hệ thống: Xây dựng hàm truyền của từng khối trong hệ thống như biến tần, động cơ không đồng bộ, băng tải, cảm biến tốc độ và loadcell để mô phỏng và phân tích hệ thống điều khiển.

Các khái niệm chính bao gồm: lưu lượng băng tải, trượt băng tải, trừ bì trọng lượng, hàm truyền khối điều khiển, và nguyên lý điều khiển phân cấp.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp phương pháp lý thuyết và thực nghiệm:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập dữ liệu từ hệ thống cân băng định lượng tại nhà máy xi măng Bỉm Sơn và Tập đoàn SSG trong khai thác khoáng sản, cùng với tài liệu khoa học từ các trung tâm học liệu và mạng internet.

  • Phương pháp phân tích: Xây dựng mô hình toán học và hàm truyền của hệ thống cân băng, thiết kế bộ điều khiển PID và bộ điều khiển mờ theo phương pháp Zhao-Tomizuka-Isaka. Mô phỏng hệ thống trên Matlab/Simulink để đánh giá hiệu quả điều khiển.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Nghiên cứu tập trung vào hệ thống cân băng định lượng cấp sét trong nhà máy xi măng Bỉm Sơn, đại diện cho các cân băng tương tự trong dây chuyền sản xuất.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong năm 2021, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, thiết kế bộ điều khiển, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Mô hình hàm truyền chính xác: Hàm truyền của biến tần, động cơ không đồng bộ, băng tải và cảm biến được xây dựng với các hệ số khuếch đại và hằng số thời gian cụ thể, ví dụ biến tần có hệ số khuếch đại KB = 20 và hằng số thời gian TB = 2 giây, động cơ có hằng số thời gian điện cơ T2 được xác định phù hợp với đặc tính thực tế.

  2. Hiệu quả điều khiển PID: Bộ điều khiển PID được thiết kế theo phương pháp tổng T của Kuhn và Ziegler-Nichols cho thấy khả năng ổn định lưu lượng băng tải với sai số dưới 3%, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của nhà máy. Mô phỏng trên Matlab/Simulink cho thấy đáp ứng lưu lượng Q và vận tốc băng tải v đạt ổn định nhanh chóng trong vòng vài giây.

  3. Ưu điểm của điều khiển mờ: Bộ điều khiển mờ theo phương pháp Zhao-Tomizuka-Isaka cải thiện đáng kể độ ổn định và giảm dao động lưu lượng so với bộ điều khiển PID kinh điển. Kết quả mô phỏng cho thấy lưu lượng Q và vận tốc v có độ biến động thấp hơn khoảng 15-20% so với PID, đặc biệt trong điều kiện có nhiễu và thay đổi tải trọng.

  4. Phát hiện trượt băng tải: Độ trượt băng tải trên tang quay bị động được xác định qua so sánh số xung lý thuyết và thực tế, giúp phát hiện và điều chỉnh kịp thời để tránh sai số trong định lượng. Độ trượt băng tải được kiểm soát dưới 5% trong điều kiện vận hành bình thường.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện chất lượng điều khiển khi sử dụng bộ điều khiển mờ là khả năng xử lý phi tuyến và thích nghi với các biến đổi môi trường và tải trọng không ổn định. So với các nghiên cứu trước đây chỉ sử dụng PID truyền thống, việc áp dụng điều khiển mờ giúp giảm thiểu sai số và tăng độ ổn định của hệ thống cân băng định lượng. Dữ liệu mô phỏng có thể được trình bày qua biểu đồ đáp ứng lưu lượng và vận tốc băng tải, minh họa sự khác biệt rõ rệt giữa các phương pháp điều khiển. Ngoài ra, việc phát hiện và xử lý trượt băng tải giúp duy trì độ chính xác định lượng trong suốt quá trình vận hành dài hạn. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm tổn thất nguyên liệu trong các nhà máy xi măng và công nghiệp chế biến.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai bộ điều khiển mờ trong hệ thống cân băng: Áp dụng bộ điều khiển mờ theo phương pháp Zhao-Tomizuka-Isaka để nâng cao độ ổn định và chính xác của hệ thống cân băng định lượng. Thời gian thực hiện trong vòng 6 tháng, do phòng kỹ thuật tự động hóa nhà máy chủ trì.

  2. Tăng cường giám sát và phát hiện trượt băng tải: Lắp đặt thêm cảm biến vị trí và máy phát tốc xung để theo dõi liên tục độ trượt băng tải, từ đó điều chỉnh kịp thời nhằm giảm sai số định lượng. Thời gian triển khai 3 tháng, do bộ phận bảo trì và vận hành phối hợp thực hiện.

  3. Đào tạo nhân viên vận hành và bảo trì: Tổ chức các khóa đào tạo về nguyên lý điều khiển mờ và kỹ thuật giám sát hệ thống cân băng cho kỹ sư và công nhân vận hành nhằm nâng cao năng lực quản lý và xử lý sự cố. Thời gian đào tạo 2 tháng, do phòng đào tạo và tư vấn kỹ thuật đảm nhiệm.

  4. Nâng cấp phần mềm quản lý và giám sát: Phát triển phần mềm quản lý dữ liệu và mô phỏng trạng thái hệ thống cân băng trên máy tính để hỗ trợ theo dõi năng suất, tỷ lệ thành phần và cảnh báo sự cố. Thời gian thực hiện 4 tháng, do phòng công nghệ thông tin phối hợp với đơn vị tư vấn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư tự động hóa và điều khiển: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết kế bộ điều khiển mờ và PID cho hệ thống cân băng, giúp cải thiện kỹ năng thiết kế và vận hành hệ thống tự động.

  2. Nhà quản lý sản xuất trong ngành xi măng và chế biến nguyên liệu: Hiểu rõ về vai trò và cách thức nâng cao chất lượng hệ thống cân băng định lượng, từ đó đưa ra các quyết định đầu tư và cải tiến công nghệ phù hợp.

  3. Sinh viên và nghiên cứu sinh chuyên ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng thực tế của các phương pháp điều khiển hiện đại trong công nghiệp, đồng thời cung cấp mô hình và phương pháp mô phỏng trên Matlab/Simulink.

  4. Các nhà cung cấp thiết bị và giải pháp công nghiệp: Tham khảo để phát triển và tối ưu hóa sản phẩm bộ điều khiển, cảm biến và phần mềm quản lý phù hợp với yêu cầu thực tế của các nhà máy sản xuất xi măng và công nghiệp nặng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bộ điều khiển mờ có ưu điểm gì so với PID truyền thống?
    Bộ điều khiển mờ xử lý tốt các tín hiệu không chính xác và phi tuyến, giúp hệ thống cân băng ổn định hơn và giảm dao động lưu lượng khoảng 15-20% so với PID kinh điển, đặc biệt trong điều kiện tải biến đổi.

  2. Làm thế nào để phát hiện trượt băng tải trong hệ thống?
    Trượt băng tải được phát hiện bằng cách so sánh số xung lý thuyết và thực tế từ máy phát tốc và cảm biến vị trí, giúp phát hiện sai lệch và điều chỉnh kịp thời để duy trì độ chính xác định lượng.

  3. Phương pháp nào được sử dụng để xác định tham số bộ điều khiển PID?
    Các phương pháp phổ biến gồm Ziegler-Nichols, Chien-Hrones-Reswick, tổng T của Kuhn và tối ưu độ lớn, giúp chọn tham số kp, TI, TD phù hợp với đặc tính hệ thống để đạt hiệu quả điều khiển tối ưu.

  4. Tại sao cần trừ bì trọng lượng trong cân băng?
    Trọng lượng đo được bao gồm cả trọng lượng băng tải và vật liệu, nên phải trừ bì để chỉ tính trọng lượng vật liệu, đảm bảo độ chính xác trong định lượng với sai số dưới 3%.

  5. Phần mềm nào được sử dụng để mô phỏng hệ thống?
    Matlab/Simulink được sử dụng để xây dựng mô hình hàm truyền và mô phỏng bộ điều khiển PID và mờ, giúp đánh giá hiệu quả và tối ưu thiết kế trước khi triển khai thực tế.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công mô hình hàm truyền chi tiết của hệ thống cân băng định lượng tại nhà máy xi măng Bỉm Sơn, bao gồm biến tần, động cơ, băng tải và cảm biến.
  • Thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển PID theo các phương pháp kinh điển cho thấy khả năng ổn định lưu lượng với sai số dưới 3%.
  • Bộ điều khiển mờ nâng cao theo phương pháp Zhao-Tomizuka-Isaka cải thiện đáng kể độ ổn định và giảm dao động lưu lượng so với PID truyền thống.
  • Phát hiện và kiểm soát trượt băng tải giúp duy trì độ chính xác định lượng trong vận hành dài hạn.
  • Đề xuất triển khai bộ điều khiển mờ, nâng cấp hệ thống giám sát và đào tạo nhân sự nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất trong vòng 6 tháng tới.

Luận văn mở ra hướng nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ trong các hệ thống cân băng công nghiệp, góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất. Các nhà quản lý và kỹ sư được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến hệ thống hiện tại, đồng thời tiếp tục phát triển các giải pháp điều khiển thông minh trong tương lai.