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.