Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Giám Sát Thu Bụi Tĩnh Điện Tại Nhà Máy Luyện Đồng Lào Cai

Tài liệu nghiên cứu Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát thu bụi tĩnh điện tại nhà máy luyện đồng lào cai, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về kỹ

• Tác giả: Lê Hải Anh
• Người hướng dẫn: TS. Vũ Vân Hà
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Giám Sát Thu Bụi Tĩnh Điện Tại Nhà Máy Luyện Đồng Lào Cai
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH SÁCH HÌNH VẼ
• DANH SÁCH BẢNG BIỂU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY LUYỆN ĐỒNG LÀO CAI
• 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG
• 1.2. CÔNG NGHỆ TẠI NHÀ MÁY LUYỆN ĐỒNG LÀO CAI
• 1.3. HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TẠI NHÀ MÁY
• 2. CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT CHO NHÀ MÁY LUYỆN ĐỒNG LÀO CAI
• 2.1. PHÂN TÍCH YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT
• 2.2. GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THU BỤI TĨNH ĐIỆN
• 2.3. ĐẶC TÍNH VOLT-AMPE CỦA HỆ THỐNG
• 2.4. PHÂN TÍCH YÊU CẦU ĐIỀU KHIỂN
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN VÀ LẬP TRÌNH CÁC CHƯƠNG TRÌNH
• 3.1. MẠCH ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN
• 3.2. LẬP TRÌNH CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
• 3.2.1. CHƯƠNG TRÌNH CHÍNH
• 3.2.2. ĐIỀU KHIỂN GIA NHIỆT
• 3.2.3. ĐIỀU KHIỂN ĐỌC THÔNG SỐ ĐIỆN TRỞ
• 3.3. THIẾT KẾ GIAO DIỆN HMI
• 4. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Hệ Thống Thu Bụi Tĩnh Điện Nhà Máy Lào Cai

Bài viết này tập trung vào thiết kế hệ thống điều khiển giám sát thu bụi tĩnh điện tại nhà máy luyện đồng Lào Cai. Hệ thống này đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường và đảm bảo tuân thủ tiêu chuẩn khí thải. Chúng ta sẽ đi sâu vào các vấn đề liên quan đến hiện trạng hệ thống, giải pháp nâng cấp và các ứng dụng thực tiễn. Nhà máy luyện đồng Lào Cai phải đối mặt với thách thức duy trì hiệu suất thu bụi tĩnh điện ổn định và hiệu quả trong điều kiện vận hành khắc nghiệt. Việc áp dụng công nghệ hiện đại, đặc biệt là các hệ thống SCADA và DCS, là yếu tố then chốt. Việc điều khiển giám sát hiệu quả không chỉ giúp giảm thiểu tác động môi trường mà còn tối ưu hóa chi phí vận hành hệ thống thu bụi.

1.1. Giới Thiệu Tổng Quan Nhà Máy Luyện Đồng Lào Cai

Chi nhánh Luyện đồng Lào Cai- Vimico, thuộc Tổng công ty khoáng sản- TKV, đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp luyện kim Việt Nam. Nhà máy được thành lập năm 2007 và đặt tại Khu Công nghiệp Tằng Loỏng, Lào Cai. Công suất thiết kế ấn tượng, sản xuất đồng 99,95%, vàng, bạc, và axit sunfuric. Nhà máy đi đầu trong chế biến sâu khoáng sản, cung cấp sản phẩm chất lượng cao cho thị trường trong và ngoài nước.

1.2. Vai Trò Của Hệ Thống Thu Bụi Tĩnh Điện Trong Luyện Đồng

Hệ thống thu bụi tĩnh điện đóng vai trò thiết yếu trong quy trình luyện đồng, giúp loại bỏ các hạt bụi và khí thải độc hại phát sinh trong quá trình nấu luyện. Khí lò chứa SO2 được làm sạch trước khi đưa vào sản xuất axit sunfuric. Bụi thu được, giàu đồng và kim loại quý, được tái chế, giảm lãng phí và bảo vệ môi trường.

II. Vấn Đề Và Thách Thức Hệ Thống Thu Bụi Tĩnh Điện

Hệ thống thu bụi tĩnh điện tại nhà máy luyện đồng Lào Cai đang đối mặt với nhiều thách thức. Hệ thống điều khiển hiện tại, được chuyển giao từ Trung Quốc, đã xuống cấp sau 10 năm vận hành trong môi trường ăn mòn. Việc thiếu thiết bị thay thế và khó khăn trong việc sửa chữa gây ảnh hưởng lớn đến hiệu suất. Giải pháp tạm thời là điều khiển bằng cấp điện áp, tuy đơn giản nhưng không tối ưu. Sự cố phóng điện thường xuyên xảy ra, làm gián đoạn quá trình sản xuất và tiềm ẩn rủi ro an toàn. Chi phí vận hành hệ thống thu bụi cũng là một vấn đề cần được xem xét.

2.1. Hiện Trạng Hệ Thống Điều Khiển Giám Sát Cũ Ưu Nhược Điểm

Hệ thống DCS SUPMAX 800 (Trung Quốc) không còn đáp ứng yêu cầu. Điều khiển bằng cấp điện áp đơn giản nhưng không tối ưu khả năng thu bụi, dễ xảy ra phóng điện. Hệ thống phụ thuộc vào người vận hành, thiếu khả năng tự động điều chỉnh. Hiệu suất thu bụi thấp do điện áp thường xuyên bị giảm để đảm bảo ổn định.

2.2. Các Sự Cố Thường Gặp Và Ảnh Hưởng Đến Hiệu Suất Thu Bụi

Phóng điện là sự cố phổ biến, đặc biệt khi có biến động về thông số vận hành. Ăn mòn bản cực do môi trường SO2 gây ra chạm chập, giảm hiệu quả thu bụi. Việc bảo trì và thay thế thiết bị gặp khó khăn do thiếu nguồn cung và chi phí cao. Tất cả những yếu tố này ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

2.3. Đánh Giá Yêu Cầu Điều Khiển Giám Sát Và Truyền Thông

Cần một hệ thống điều khiển tự động, có khả năng điều chỉnh điện áp để tối ưu hiệu suất thu bụi. Giám sát các thông số quan trọng như nhiệt độ, dòng điện, điện áp là rất quan trọng. Khả năng truyền thông dữ liệu về trung tâm điều khiển giúp giám sát và điều khiển từ xa, phản ứng nhanh chóng với các sự cố.

III. Giải Pháp Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Giám Sát Thu Bụi Mới

Để giải quyết các vấn đề trên, cần một giải pháp thiết kế hệ thống thu bụi tĩnh điện mới, tích hợp tự động hóa và khả năng điều khiển giám sát tiên tiến. Giải pháp này cần đảm bảo hiệu suất thu bụi cao, hoạt động ổn định và dễ dàng bảo trì. Việc lựa chọn thiết bị phù hợp, xây dựng lưu đồ thuật toán và lập trình chương trình điều khiển là những bước quan trọng. Hệ thống mới cần có khả năng tự động điều chỉnh điện áp, giám sát nhiệt độ và điều khiển động cơ rung rũ bụi.

3.1. Lựa Chọn Giải Pháp Điều Khiển PLC DCS Hay SCADA

PLC là lựa chọn phù hợp cho bài toán điều khiển cục bộ, có tính linh hoạt cao và dễ dàng lập trình. DCS phù hợp cho các hệ thống lớn và phức tạp hơn. SCADA giúp giám sát toàn bộ quá trình từ xa. Trong trường hợp này, PLC kết hợp với HMI có thể là giải pháp tối ưu về chi phí và hiệu quả.

3.2. Lựa Chọn Thiết Bị Cảm Biến Bộ Điều Khiển HMI

Cảm biến nhiệt độ Pt100, module đầu vào 6RTD, đồng hồ số Grado 918, module mở rộng EM235, máy biến áp cao thế GGAJ02- 400mA/72kV, động cơ rung rũ bụi, bộ lọc cao tần, HMI Weintek – Easyview MT8000i. Bộ điều khiển PLC (Siemens S7-200) là những lựa chọn cần xem xét. Việc lựa chọn cần dựa trên yêu cầu kỹ thuật và chi phí vận hành hệ thống thu bụi.

3.3. Xây Dựng Lưu Đồ Thuật Toán Điều Khiển Và Giám Sát

Lưu đồ thuật toán cần mô tả chi tiết quá trình điều khiển gia nhiệt sứ, điều khiển đọc thông số điện trở. Các bài toán điều khiển và giám sát cần được định nghĩa rõ ràng. Quá trình truyền thông các thông số nhiệt độ về máy tính và PLC cần được thiết kế kỹ lưỡng.

IV. Thiết Kế Mạch Điện Và Lập Trình Chương Trình Điều Khiển PLC

Việc thiết kế mạch điện điều khiển và lập trình chương trình điều khiển PLC là bước quan trọng để hệ thống hoạt động chính xác và hiệu quả. Chương trình chính cần có khả năng điều khiển gia nhiệt, đọc thông số điện trở và điều khiển các thiết bị chấp hành. Giao diện HMI cần được thiết kế trực quan, dễ sử dụng để người vận hành có thể theo dõi và điều khiển hệ thống một cách dễ dàng. Cần đảm bảo an toàn và bảo vệ cho hệ thống xử lý khí thải.

4.1. Thiết Kế Mạch Điện Điều Khiển Cho Hệ Thống Thu Bụi

Mạch điện điều khiển cần đảm bảo an toàn, ổn định và dễ dàng bảo trì. Cần lựa chọn các linh kiện chất lượng cao và tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn điện. Sơ đồ đấu dây cho CPU 226, EM235, EM 223 cần được thiết kế chi tiết.

4.2. Lập Trình Chương Trình Điều Khiển PLC Các Module Chính

Chương trình chính cần có các module điều khiển gia nhiệt, điều khiển đọc thông số điện trở, điều khiển búa gõ rung rũ bụi. Các thông số cần được hiển thị trên HMI. Cần sử dụng ngôn ngữ lập trình phù hợp và dễ dàng bảo trì.

4.3. Thiết Kế Giao Diện HMI Trực Quan Dễ Sử Dụng

Giao diện HMI cần hiển thị đầy đủ các thông số quan trọng như nhiệt độ, dòng điện, điện áp. Cần có các nút điều khiển cho phép người vận hành điều chỉnh các thông số vận hành. Giao diện cần trực quan, dễ sử dụng để giảm thiểu sai sót trong quá trình vận hành.

V. Kết Quả Nghiên Cứu Và Ứng Dụng Thực Tế Tại Lào Cai

Chương này trình bày kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tế của hệ thống điều khiển giám sát thu bụi tĩnh điện tại nhà máy luyện đồng Lào Cai. Các kết quả đo lường và đánh giá hiệu suất thu bụi sẽ được trình bày chi tiết. So sánh với hệ thống cũ, hệ thống mới mang lại những cải tiến đáng kể về hiệu suất, độ tin cậy và chi phí vận hành. Kết quả cần chứng minh hiệu quả của việc sử dụng công nghệ thu bụi tĩnh điện tiên tiến.

5.1. Đánh Giá Hiệu Quả Thu Bụi Của Hệ Thống Mới

Cần đo lường và so sánh hiệu quả thu bụi của hệ thống mới so với hệ thống cũ. Các thông số cần đo bao gồm nồng độ bụi đầu vào, nồng độ bụi đầu ra, hiệu suất thu bụi. Cần đánh giá khả năng đáp ứng tiêu chuẩn khí thải của hệ thống mới.

5.2. Phân Tích Chi Phí Vận Hành Và Bảo Trì Hệ Thống

Cần phân tích chi tiết chi phí vận hành hệ thống thu bụi mới, bao gồm chi phí điện năng, chi phí bảo trì, chi phí thay thế thiết bị. So sánh với hệ thống cũ, cần chứng minh hệ thống mới tiết kiệm chi phí hơn.

5.3. Bài Học Kinh Nghiệm Và Khả Năng Nhân Rộng Mô Hình

Cần rút ra các bài học kinh nghiệm trong quá trình thiết kế, thi công và vận hành hệ thống. Đánh giá khả năng nhân rộng mô hình cho các nhà máy khác có yêu cầu tương tự.

VI. Kết Luận Và Hướng Phát Triển Hệ Thống Thu Bụi Tĩnh Điện

Bài viết này đã trình bày chi tiết về thiết kế hệ thống điều khiển giám sát thu bụi tĩnh điện tại nhà máy luyện đồng Lào Cai. Hệ thống mới mang lại nhiều lợi ích về hiệu suất, độ tin cậy và chi phí vận hành. Hướng phát triển trong tương lai là tích hợp các công nghệ tiên tiến như trí tuệ nhân tạo (AI) và Internet of Things (IoT) để tối ưu hóa quá trình điều khiển giám sát và dự đoán các sự cố.

6.1. Tóm Tắt Các Kết Quả Nghiên Cứu Chính

Nhắc lại các kết quả chính về hiệu suất thu bụi, chi phí vận hành và độ tin cậy của hệ thống mới.

6.2. Hướng Phát Triển Trong Tương Lai AI IoT

Tích hợp AI để tự động điều chỉnh các thông số vận hành, dự đoán các sự cố. Sử dụng IoT để giám sát từ xa và thu thập dữ liệu thời gian thực.

6.3. Đề Xuất Các Giải Pháp Nâng Cấp Hệ Thống Thu Bụi

Đề xuất các giải pháp nâng cấp hệ thống, chẳng hạn như sử dụng vật liệu mới cho bản cực, cải thiện hệ thống rung rũ bụi.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhà máy Luyện đồng Lào Cai, với công suất thiết kế 10.000 tấn đồng tinh luyện mỗi năm, là nhà máy luyện đồng đầu tiên trong nước và khu vực, đóng vai trò quan trọng trong chuỗi chế biến sâu khoáng sản. Trong quá trình sản xuất, khí thải chứa SO2 và bụi kim loại được phát sinh với nồng độ bụi có thể lên đến 50g/m³, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và sức khỏe con người. Hệ thống thu bụi tĩnh điện được sử dụng để xử lý khí thải, với hiệu suất lọc bụi trên 95%, tuy nhiên hệ thống điều khiển giám sát hiện tại đã hoạt động hơn 10 năm và gặp nhiều sự cố hư hỏng, không còn thiết bị thay thế, ảnh hưởng đến hiệu quả vận hành.

Mục tiêu nghiên cứu là thiết kế một hệ thống điều khiển và giám sát tự động cho hệ thống thu bụi tĩnh điện tại nhà máy, nhằm ổn định dòng điện đầu ra, duy trì nhiệt độ buồng sấy trong khoảng 160-185°C, và điều khiển búa rung rũ bụi theo thời gian định sẵn. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống thu bụi tĩnh điện tại nhà máy Luyện đồng Lào Cai, với dữ liệu thu thập và phân tích trong năm 2017-2018. Việc hoàn thiện hệ thống này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả xử lý bụi, giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn giúp nhà máy tự chủ trong vận hành, giảm phụ thuộc vào các đơn vị bên ngoài, góp phần phát triển bền vững ngành luyện kim.

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:

• Nguyên lý thu bụi tĩnh điện: Dựa trên hiệu ứng ion hóa corona, các hạt bụi mang điện tích âm được hút về phía điện cực dương, tách khỏi dòng khí thải. Hiệu suất thu bụi phụ thuộc vào điện áp, dòng điện, nhiệt độ và tính chất bụi (khô hoặc ướt).
• Đặc tính Volt-Ampe của hệ thống thu bụi: Hệ thống có ba vùng hoạt động gồm vùng tuyến tính, vùng bão hòa và vùng phóng điện hồ quang, trong đó điều khiển ổn định dòng điện trong vùng tuyến tính là tối ưu để tránh phóng điện gây gián đoạn.
• Lý thuyết điều khiển PID: Sử dụng phương pháp Ziegler-Nichols để xác định tham số điều khiển PID nhằm ổn định dòng điện đầu ra, hạn chế tốc độ tăng điện áp dV/dt trong quá trình quá độ, đảm bảo hệ thống vận hành ổn định và hiệu quả.
• Mô hình truyền thông Modbus RTU: Ứng dụng giao thức truyền thông RS485 để thu thập và giám sát các thông số nhiệt độ, dòng điện, điện áp từ các cảm biến và module đo lường, đảm bảo truyền dữ liệu chính xác và liên tục.

Các khái niệm chính bao gồm: hiệu ứng corona, dòng điện bão hòa, phóng điện hồ quang, điều khiển PID, truyền thông Modbus RTU, cảm biến nhiệt điện trở RTD.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa khảo sát thực tế, phân tích kỹ thuật và mô phỏng vận hành:

• Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu thực tế từ hệ thống thu bụi tĩnh điện tại nhà máy Luyện đồng Lào Cai, bao gồm các thông số điện áp, dòng điện, nhiệt độ buồng sấy, thời gian vận hành búa rung rũ bụi.
• Phương pháp chọn mẫu: Lấy mẫu dữ liệu liên tục trong các ca vận hành để đánh giá hiệu suất và ổn định hệ thống.
• Phân tích kỹ thuật: Xây dựng mô hình điều khiển PID dựa trên đặc tính Volt-Ampe, xác định tham số điều khiển bằng phương pháp Ziegler-Nichols, lập trình điều khiển trên PLC Siemens S7-200 CPU 226.
• Thiết kế hệ thống: Lựa chọn thiết bị cảm biến Pt100, module mở rộng EM235, đồng hồ số Grado 918, màn hình HMI Weintek MT8000i, và thiết kế sơ đồ mạch điện điều khiển.
• Timeline nghiên cứu: Từ khảo sát hiện trạng, thiết kế giải pháp, lập trình, lắp đặt đến thử nghiệm và hiệu chỉnh trong khoảng 12 tháng.

Phương pháp nghiên cứu đảm bảo tính thực tiễn, khả năng ứng dụng cao và phù hợp với điều kiện vận hành thực tế của nhà máy.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả điều khiển dòng điện ổn định: Hệ thống điều khiển PID với tham số kp=0,132, Ti=2,99, Td=0,7475 đã giúp duy trì dòng điện đầu ra ổn định trong vùng tuyến tính, giảm thiểu hiện tượng phóng điện. Dòng điện được điều chỉnh chính xác theo giá trị đặt, sai số nhỏ hơn 3%, nâng cao hiệu suất thu bụi trên 95%.

2. Kiểm soát nhiệt độ buồng sấy hiệu quả: Hệ thống cảm biến nhiệt điện trở Pt100 đo nhiệt độ tại 23 điểm trong 5 buồng sứ và 4 trục sứ, duy trì nhiệt độ trong khoảng 160-185°C, tránh hiện tượng tạo axit gây giảm cách điện. Nhiệt độ được điều khiển tự động qua PLC và hiển thị trên màn hình HMI, giúp giảm thiểu sự cố phóng điện do ẩm ướt.

3. Tự động hóa búa rung rũ bụi: Thời gian chạy và dừng búa rung được cài đặt và điều khiển tự động qua giao diện HMI, đảm bảo bụi không bám dày trên bản cực, giảm hiện tượng Back Corona. Việc này góp phần duy trì hiệu suất thu bụi ổn định và kéo dài tuổi thọ thiết bị.

4. Truyền thông dữ liệu ổn định và chính xác: Giao thức Modbus RTU qua RS485 đảm bảo truyền thông liên tục các thông số dòng điện, điện áp, nhiệt độ về PLC và máy tính giám sát. Tỷ lệ lỗi truyền dữ liệu dưới 1%, giúp người vận hành theo dõi và điều chỉnh kịp thời.

Thảo luận kết quả

Việc áp dụng điều khiển PID với tham số được xác định bằng phương pháp Ziegler-Nichols đã khắc phục được nhược điểm của hệ thống điều khiển cũ, vốn phụ thuộc nhiều vào thao tác thủ công và dễ gây phóng điện. So với các nghiên cứu trong ngành luyện kim, hệ thống mới cho thấy khả năng tự động hóa cao hơn, giảm thiểu sự cố và tăng hiệu quả xử lý bụi.

Kiểm soát nhiệt độ buồng sấy là yếu tố then chốt để duy trì cách điện và tránh phóng điện, phù hợp với đặc điểm khí thải SO2 có tính ăn mòn cao. Việc sử dụng nhiều điểm đo nhiệt độ và điều khiển gia nhiệt tự động giúp ổn định nhiệt độ trong phạm vi an toàn, giảm thiểu hư hỏng thiết bị.

Tự động hóa búa rung rũ bụi giúp giảm thiểu hiện tượng Back Corona, một vấn đề phổ biến trong thu bụi tĩnh điện, từ đó nâng cao hiệu suất lọc bụi. Truyền thông dữ liệu qua Modbus RTU đảm bảo giám sát liên tục, hỗ trợ vận hành chính xác và kịp thời.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ dòng điện theo thời gian, biểu đồ nhiệt độ buồng sấy, và bảng thống kê hiệu suất thu bụi trước và sau khi áp dụng hệ thống mới, minh họa rõ ràng hiệu quả cải tiến.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai hệ thống điều khiển PID tự động trên toàn bộ các buồng thu bụi nhằm duy trì dòng điện ổn định, giảm thiểu phóng điện, nâng cao hiệu suất thu bụi trên 95%. Thời gian thực hiện: 6 tháng. Chủ thể thực hiện: Ban kỹ thuật nhà máy.

2. Lắp đặt và bảo trì định kỳ hệ thống cảm biến nhiệt điện trở Pt100 tại các buồng sứ và trục sứ để kiểm soát nhiệt độ trong khoảng 160-185°C, tránh tạo axit gây hư hỏng cách điện. Thời gian thực hiện: liên tục, bảo trì 3 tháng/lần. Chủ thể: Đội bảo trì thiết bị.

3. Tự động hóa điều khiển búa rung rũ bụi với thời gian chạy dừng được cài đặt qua HMI, đảm bảo bụi không bám dày trên bản cực, giảm hiện tượng Back Corona. Thời gian thực hiện: 3 tháng. Chủ thể: Ban vận hành.

4. Nâng cấp hệ thống truyền thông Modbus RTU và giám sát trực tuyến để đảm bảo dữ liệu đo lường chính xác, liên tục, hỗ trợ vận hành và bảo trì kịp thời. Thời gian thực hiện: 4 tháng. Chủ thể: Phòng công nghệ thông tin và tự động hóa.

5. Đào tạo nhân viên vận hành và bảo trì về hệ thống điều khiển mới, kỹ thuật giám sát và xử lý sự cố để nâng cao năng lực vận hành, giảm thiểu thời gian dừng máy. Thời gian: 2 tháng. Chủ thể: Ban đào tạo và phát triển nguồn nhân lực.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư tự động hóa và điều khiển công nghiệp: Nắm bắt kiến thức về thiết kế hệ thống điều khiển PID, truyền thông Modbus RTU, ứng dụng trong môi trường công nghiệp luyện kim.

2. Quản lý nhà máy luyện kim và môi trường: Hiểu rõ giải pháp xử lý bụi và khí thải hiệu quả, nâng cao hiệu suất sản xuất và tuân thủ quy định môi trường.

3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Tham khảo mô hình thực tiễn, phương pháp xác định tham số điều khiển, kỹ thuật lập trình PLC và thiết kế hệ thống giám sát.

4. Đơn vị cung cấp thiết bị và giải pháp tự động hóa công nghiệp: Tham khảo yêu cầu kỹ thuật, lựa chọn thiết bị và giải pháp tích hợp phù hợp với hệ thống thu bụi tĩnh điện trong ngành luyện kim.

Mỗi nhóm đối tượng có thể áp dụng kiến thức và giải pháp trong luận văn để cải tiến hệ thống điều khiển, nâng cao hiệu quả vận hành và bảo vệ môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao phải điều khiển dòng điện thay vì điện áp trong hệ thống thu bụi tĩnh điện?
   Điều khiển dòng điện ổn định giúp tránh hiện tượng phóng điện gây gián đoạn, vì dòng điện phản ánh chính xác hơn trạng thái hoạt động của hệ thống trong vùng tuyến tính, trong khi điện áp dễ biến động do bụi và điều kiện môi trường.

2. Phương pháp Ziegler-Nichols được áp dụng như thế nào trong xác định tham số PID?
   Phương pháp này tăng dần hệ số khuếch đại đến điểm dao động điều hòa, xác định chu kỳ dao động và hệ số tới hạn, từ đó tính toán các tham số kp, Ti, Td để điều khiển ổn định và đáp ứng nhanh.

3. Làm thế nào để duy trì nhiệt độ buồng sấy trong khoảng an toàn?
   Sử dụng cảm biến nhiệt điện trở Pt100 đo nhiệt độ tại nhiều điểm, dữ liệu được truyền về PLC để điều khiển bộ gia nhiệt tự động bật/tắt, giữ nhiệt độ trong khoảng 160-185°C, tránh tạo axit và hư hỏng cách điện.

4. Giao thức Modbus RTU có ưu điểm gì trong hệ thống giám sát?
   Modbus RTU có hiệu suất truyền thông cao, khả năng truyền dữ liệu liên tục, dễ tích hợp với PLC và các module đo lường, giúp giám sát chính xác và kịp thời các thông số quan trọng.

5. Hệ thống mới có thể giảm thiểu sự cố phóng điện như thế nào?
   Bằng cách điều khiển dòng điện ổn định, hạn chế tốc độ tăng điện áp dV/dt trong quá trình quá độ, duy trì nhiệt độ buồng sấy phù hợp và tự động hóa búa rung rũ bụi, hệ thống giảm thiểu các điều kiện gây phóng điện, nâng cao độ tin cậy vận hành.

Kết luận

• Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát thu bụi tĩnh điện tại nhà máy Luyện đồng Lào Cai đã nâng cao hiệu quả xử lý bụi với hiệu suất trên 95%.
• Ứng dụng điều khiển PID với tham số xác định bằng phương pháp Ziegler-Nichols giúp duy trì dòng điện ổn định, giảm thiểu phóng điện và sự cố vận hành.
• Hệ thống cảm biến nhiệt điện trở Pt100 và điều khiển gia nhiệt tự động giữ nhiệt độ buồng sấy trong phạm vi an toàn, bảo vệ cách điện và thiết bị.
• Truyền thông Modbus RTU qua RS485 đảm bảo giám sát liên tục, chính xác các thông số kỹ thuật, hỗ trợ vận hành hiệu quả.
• Đề xuất triển khai toàn diện hệ thống trong 6-12 tháng, đồng thời đào tạo nhân viên để đảm bảo vận hành và bảo trì hiệu quả.

Tiếp theo, nhà máy nên tiến hành lắp đặt, thử nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống theo đề xuất, đồng thời mở rộng ứng dụng giải pháp cho các khu vực khác. Để biết thêm chi tiết kỹ thuật và hỗ trợ triển khai, liên hệ ngay với nhóm nghiên cứu để được tư vấn chuyên sâu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY LUYỆN ĐỒNG LÀO CAI 10 Luận văn tốt nghiệp 1. GIỚI THIỆU CHUNG Chi nhánh Luyện đồng Lào Cai- Vimico là đơn vị thuộc Tổng công ty khoáng sản- TKV, trước là Công ty Luyện đồng Lào Cai thành lập ngày 01/08/2007 Địa chỉ: Khu Công nghiệp Tằng Loỏng, Thị trấn Tằng Loỏng, Bảo Thắng, Lào Cai. Công suất thiết kế: đồng 99,95%: 10000 tấn/năm; Vàng 99,9%: 340 kg /năm, Bạc thỏi 98%: 150 kg /năm, axít sunfuric 96-98%: 40000 tấn /năm. Thực hiện chủ trương chế biến sâu khoáng sản của Đảng và nhà nước, Nhà máy Luyện đồng Lào Cai là Nhà máy luyện đồng đầu tiên trong cả nước và khu vực.

Nhà máy có nhiệm vụ chế biến sâu khoáng sản tạo ra các sản phẩm đảm bảo chất lượng cung cấp cho thị trường nội địa và quốc tế; luyện và chế biến kim loại đồng, vàng, bạc và các khoáng sản đi kèm; sản xuất axít Sunfuric, đất hiếm từ tinh quặng đồng; thiết kế, gia công, chế tạo, sửa chữa thiết bị luyện kim, vận tải, cơ điện. CÔNG NGHỆ TẠI NHÀ MÁY LUYỆN ĐỒNG LÀO CAI Quy trình công nghệ sản xuất đồng của công ty luyện đồng Lào Cai được trình bày trên sơ đồ hình 1.1 Quặng đồng 25% Cu được nấu luyện qua 3 giai đoạn lò, đúc thành đồng tấm dương cực 98% sau đó chuyển sang điện phân thành đồng tấm sản phẩm 99,95%. Khói lò chủ yếu là khí SO2 đi qua hệ thống thu bụi tĩnh điện làm sạch khí sau đó được đưa vào để sản xuất axit Sunfuric H2SO4. Phần bụi thu được vẫn còn hàm lượng đồng cao, ngoài ra còn có các kim loại quý như vàng, selen… được thu hồi và được đưa quay lại lò nấu luyện.

Do vậy hệ thống thu bụi tĩnh điện có vai trò rất quan trọng đối với việc xử lí khí thải của nhà máy. 11 Luận văn tốt nghiệp Hình 1. Sơ đồ quy trình công nghệ tại Nhà máy Luyện đồng Lào Cai 12 Luận văn tốt nghiệp 1. HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TẠI NHÀ MÁY Hệ thống giám sát và điều khiển tại nhà máy sử dụng hệ thống DCS SUPMAX 800 của Trung Quốc, trong đó phần hệ thống thu bụi là một trạm tách rời, không kế nối với các trạm khác trong hệ thống.

Tuy vậy hiện nay tại nhà máy, do hoạt động lâu ngày trong môi trường có tính ăn mòn, hệ thống điều khiển giám sát thu bụi tại trạm điều khiển đã bị hư hỏng. Nhà máy đã thuê các đơn vị ngoài khôi phục hệ thống bằng phương pháp điều khiển theo cấp điện áp. Theo phương pháp này hệ thống sẽ gồm 7 cấp điện áp, người vận hành tăng hay giảm cấp điện áp bằng cách điều khiển thông qua màn hình HMI. Màn hình HMI điều khiển điện áp tại nhà máy 13 Luận văn tốt nghiệp Hình 1.

Tủ điều khiển điều khiển điện áp tại nhà máy 14 Luận văn tốt nghiệp Hình 1. Mạch lực điều khiển điều khiển điện áp tại nhà máy 15 Luận văn tốt nghiệp Ưu điểm: - Hệ thống vận hành đơn giản, dễ thay thế sửa chữa. Nhược điểm: - Hệ thống không tối ưu khả năng thu bụi. - Thường xảy ra hiện tượng phóng điện làm dừng hệ thống khi có sự biến động về các thông số làm ảnh hưởng đến cách điện của hệ thống.

- Điều khiển hệ thống phụ thuộc nhiều vào người vận hành. Khi tăng điện áp lên cao có thể xảy ra phóng điện làm dừng hệ thống, phải khởi động lại từ đầu. Do vậy thông thường để hệ thống hoạt động ổn định, người vận hành thường đặt điện áp thứ cấp ở mức thấp, làm giảm hiệu suất thu bụi của nhà máy. Do các nhược điểm kể trên, việc thiết kế hệ thống thu bụi mới có khả năng tự điều chỉnh được điện áp nhằm tối đa hóa hiệu suất thu bụi của nhà máy là yêu cầu cấp thiết.

16 Luận văn tốt nghiệp Chương 2: XÂY DỰNG GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT CHO NHÀ MÁY LUYỆN ĐỒNG LÀO CAI 17 Luận văn tốt nghiệp 2. PHÂN TÍCH YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT Để đưa ra được phương án thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát hệ thống thu bụi tĩnh điện, chúng ta cần phải hiểu rõ các yêu cầu điều khiển và giám sát từ đó phân tích và đánh giá, sau đó đưa ra phương án thiết kế, thi công. Giới thiệu hệ thống thu bụi tĩnh điện Thu bụi tĩnh điện là hệ thống lọc bỏ các hạt bụi có kích thước nhỏ khỏi dòng không khí chảy qua buồng thu, trên nguyên lý ion hoá và tách bụi ra khỏi không khí khi chúng đi qua vùng có trường điện lớn. Thiết bị thu bụi tĩnh điện được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp hóa chất, luyện kim, nhiệt điện… Thu bụi tĩnh điện có những ưu điểm vượt trội so với những thiết bị lọc bụi khác: - Hiệu suất thu bụi cao, trên 95%, chi phí năng lượng thấp: 0,3-1,8MJ/ 100m3 khí thải.

- Nhiệt độ khí có thể đạt được tới 500OC. - Có thể thu được các hạt bụi với kích thước nhỏ tới 0,1 µm và nồng độ bụi từ vào gam cho đến 50g/m3. - Có thể làm việc với dòng điện cao. Tuy nhiên thu bụi tĩnh điện cũng có những nhược điểm sau: - Độ nhạy cao: Khi có sự sai khác nhỏ giữa giá trị thực tế của các thông số công nghệ và các giá trị tính toán thiết kế thì hiệu quả giảm nhiều.

- Những sự cố cơ học nhỏ cũng ảnh hưởng lớn tới hiệu quả thu bụi. Thực tế khi làm việc trong môi trường khí có tính ăn mòn như SO 2 tại nhà máy Luyện đồng Lào Cai, các tấm bản cực thường bị ăn mòn, đứt dẫn đến chạm chập. - Không sử dụng được cho những chất khí dễ nổ, do thường xuất hiện các tia lửa điện. 18 Luận văn tốt nghiệp Cấu tạo của hệ thống thu bụi tĩnh điện Buồng thu bụi tĩnh điện được cấu tạo hình hộp chữ nhật, bên trong có đặt các tấm bản cực rộng làm cực lắng và các dây thép gai làm cực phóng.

Trên điện cực phóng được cung cấp dòng điện một chiều có điện thế cao từ 40kV đến 72kV. Do điện thế cao nên cường độ điện trường xung quanh có giá trị lớn và gây ra hiện tượng va đập ion mãnh liệt ( hiệu ứng corona), biểu hiện là nhìn thấy một quầng sáng bao phủ xung quanh điện cực này. Cực phóng điện quầng sáng không lan rộng ra toàn bộ không gian giữa hai điện cực mà yếu đi và tắt dân theo phương từ cực phóng đến cực lắng. Điện trường giữa hai điện cực là điện trường không đều.

Các ion chủ yếu được tạo ra trong vùng quầng sáng quanh điện cực âm. Điện cực phóng có thể có điện thế âm hoặc dương. Tại nhà máy Luyện đồng Lào Cai, khí lò chủ yếu là SO2, mang điện tích âm trong tự nhiên, có khả năng hấp thụ electron tự do tốt nên chọn điện cực phóng là cực âm. Ngoài ra tia lửa điện trong điện cực âm cao hơn so với khi điện cực phóng là dương, do vậy đạt điện trường lớn hơn.

Các ion âm cũng có độ linh động lớn hơn so với các ion âm. Dòng điện sử dụng trong thu bụi phải là điện một chiều để sinh ra điện trường cố định hút bụi về phía cực lắng. Dưới tác dụng của lực điện trường các ion sẽ dịch chuyển về phía điện cực trái dấu của chúng tạo thành dòng điện. Khi thổi khí thải có chứa bẩn qua không gian giữa hai điện cực thì các ion sẽ bám dính lên bề mặt của các hạt bụi và các hạt bụi trở nên mang điện.

Dưới ảnh hưởng của lực điện trường các hạt bụi đã tích điện sẽ chuyển dịch tới các điện cực trái dấu với các điện tích chúng tích được, khi tới điện cực các hạt bụi bám lại trên bề mặt điện cực. 19 Luận văn tốt nghiệp Hình 2. Hệ thống thu bụi tĩnh điện Hiệu quả của hệ thống lọc bụi tĩnh điện phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố như: kích thước của hạt bụi, tính chất của điện cực, thiết bị điện điều khiển điện trường, tốc độ chuyển động và sự phân bố đồng đều lượng không khí trong vùng điện trường. Với điều kiện hoạt động tốt hệ thống có thể đạt hiệu suất lọc bụi đạt trên 95%.

Bụi sẽ được tách khỏi các tấm cực bằng việc rung rũ tấm cực. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống lọc bụi tĩnh điện ở hình 2. Nguồn điện xoay chiều 380V được đưa đến bộ biến đổi AC-AC 1 pha dùng phần tử bán dẫn Thyristor. Điện áp sau bộ biến đổi này được đưa đến máy biến thế tăng áp BA (380V/72kV).

Điện áp cao áp xoay chiều của máy biến áp được chỉnh lưu thành điện áp một chiều bằng bộ chỉnh lưu cầu diode cao áp. Điện áp cao áp một chiều được đưa đến tháp lọc bụi để ion hoá các hạt bụi. 20 Luận văn tốt nghiệp Hình 2. Sơ đồ nguyên lý hệ thống thu bụi tĩnh điện Các dàn treo bản cực âm và dương được treo cách điện với vỏ và hệ thống búa gõ bằng các trục sứ xuyên cao áp.

Các trục sứ này làm việc trong môi trường khói bụi nên cần không bám bụi để đảm bảo cách điện. Khói bụi từ lò luyện được đi qua 04 buồng thu bụi -72kV. Điện áp buồng bụi được điều khiển bằng bộ điều khiển xung áp Tiristo phía sơ cấp trên nguyên tắc đẩy điện áp lên cao dần, khi xảy ra phóng điện thì quay trở lại mức điện áp cũ. Điện áp phía thứ cấp được chỉnh lưu bằng mạch diode chỉnh lưu cầu cao áp.

Trong quá trình thu bụi, hệ thống liên tục đo nhiệt độ tại các buồng sứ gửi về bộ điều khiển để duy trì nhiệt độ 160-185oC, tránh để nhiệt độ xuống thấp tạo axit tại các quả sứ làm giảm cách điện, gây phóng điện trên bề mặt sứ. Bộ điều khiển cũng được cài đặt thời gian để điều khiển các động cơ rung rũ bụi tại các buồng bụi. 21 Luận văn tốt nghiệp 2. Đặc tính Volt- Ampe của hệ thống Hình 2.3 Đặc tính Vol-Ampe của hệ thống Qua hình vẽ chúng ta thấy trong giai đoạn từ “0” đến A( u = 0 ~ UA) các ion và điện tử tự do có sẵn trong chất khí ( do yếu tố ion hoá bên ngoài) dưới tác dụng của điện trường sẽ chuyển động về các điện cực và tạo nên dòng điện.

Khi điện áp tăng thì cường độ điện trường giữa hai điện cực sẽ tăng ( E = u/S) ; lực tác dụng lên các điện tích sẽ tăng lên ( F = qE), do vậy tốc độ chuyển động của các điện tích tăng và dòng sẽ tăng tuyến tính theo định luật Ôm ( Vùng I).