Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp xi măng ngày càng phát triển, việc nâng cao hiệu quả vận hành và kiểm soát chất lượng sản phẩm là yêu cầu cấp thiết. Nhà máy xi măng Chinfon – Thủy Nguyên, Hải Phòng, với công suất clinker khoảng 3000 tấn/ngày, đã và đang áp dụng các công nghệ hiện đại nhằm tối ưu hóa quá trình sản xuất. Tuy nhiên, hệ thống điều khiển và giám sát truyền thống còn nhiều hạn chế về độ chính xác và khả năng tự động hóa, ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng sản phẩm. Nghiên cứu này tập trung thiết kế và thay thế hệ thống điều khiển, giám sát một số công đoạn quan trọng của nhà máy sử dụng PLC S7-300, nhằm nâng cao hiệu quả vận hành, giảm thiểu sự cố và tăng tính ổn định của quá trình sản xuất.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là xây dựng hệ thống điều khiển tự động cho các công đoạn nghiền, cấp liệu, nung clinker và làm mát clinker, đồng thời tích hợp giám sát qua giao diện WinCC 5.0. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào nhà máy xi măng Chinfon tại Hải Phòng và một số trạm nghiên cứu tại TP. Hồ Chí Minh và khu kinh tế Dung Quất trong giai đoạn từ năm 2018 đến 2023. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cải thiện các chỉ số vận hành như độ chính xác cân băng định lượng đạt trên 95%, giảm thời gian dừng máy không kế hoạch xuống dưới 5%, và nâng cao chất lượng clinker theo tiêu chuẩn TCVN 6260:2009.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết điều khiển tự động và mô hình giám sát SCADA. Lý thuyết điều khiển tự động tập trung vào việc sử dụng PLC S7-300 để thực hiện các thuật toán điều khiển PID, điều khiển tỉ lệ và điều khiển vị trí damper nhằm duy trì ổn định quá trình nghiền và nung clinker. Mô hình SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) được áp dụng để giám sát và thu thập dữ liệu vận hành, giúp phát hiện sớm các sự cố và tối ưu hóa quá trình sản xuất.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • PLC S7-300: Bộ điều khiển lập trình được sử dụng để tự động hóa các công đoạn sản xuất xi măng.
  • Cân băng định lượng: Thiết bị đo và điều khiển lưu lượng vật liệu đầu vào chính xác, đảm bảo tỉ lệ phối liệu đúng yêu cầu.
  • Hệ thống giám sát WinCC 5.0: Phần mềm SCADA dùng để hiển thị, điều khiển và lưu trữ dữ liệu vận hành.
  • Cảm biến tiệm cận và công tắc giới hạn: Thiết bị phát hiện vị trí và trạng thái cơ khí trong dây chuyền.
  • Mô hình điều khiển PID: Thuật toán điều khiển phản hồi nhằm duy trì các thông số vận hành ổn định.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ hệ thống vận hành thực tế của nhà máy xi măng Chinfon và các trạm nghiên cứu tại TP. Hồ Chí Minh và khu kinh tế Dung Quất. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm dữ liệu vận hành của 5 dây chuyền sản xuất trong khoảng thời gian 3 năm (2019-2022), với hơn 10.000 điểm dữ liệu về lưu lượng, nhiệt độ, áp suất và trạng thái thiết bị.

Phương pháp phân tích sử dụng bao gồm:

  • Phân tích thống kê mô tả để đánh giá hiệu suất vận hành trước và sau khi áp dụng hệ thống mới.
  • Mô phỏng và lập trình PLC với ngôn ngữ Ladder và cấu hình mạng truyền thông Ethernet TCP/IP.
  • Thiết kế giao diện giám sát WinCC 5.0 để trực quan hóa dữ liệu và cảnh báo sự cố.
  • Thử nghiệm thực tế tại nhà máy để đánh giá độ ổn định và hiệu quả của hệ thống.

Timeline nghiên cứu được chia thành 4 giai đoạn: khảo sát và thu thập dữ liệu (6 tháng), thiết kế hệ thống và lập trình PLC (8 tháng), triển khai và thử nghiệm tại nhà máy (6 tháng), tổng hợp kết quả và hoàn thiện luận văn (4 tháng).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Cải thiện độ chính xác cân băng định lượng: Sau khi thay thế hệ thống điều khiển bằng PLC S7-300, độ chính xác cân băng định lượng tăng từ khoảng 85% lên trên 95%, giúp duy trì tỉ lệ phối liệu ổn định, giảm sai số nguyên liệu đầu vào xuống dưới 5%.
  2. Tăng hiệu suất nghiền và phân ly: Việc áp dụng mô hình điều khiển vị trí damper và tốc độ cấp liệu đã nâng công suất nghiền clinker lên 10-15%, đồng thời giảm tỷ lệ hạt quá lớn trong sản phẩm nghiền từ 12% xuống còn 7%.
  3. Giảm thời gian dừng máy không kế hoạch: Hệ thống giám sát WinCC 5.0 giúp phát hiện sớm các lỗi thiết bị, giảm thời gian dừng máy không kế hoạch từ 12% xuống còn khoảng 5% tổng thời gian vận hành.
  4. Nâng cao chất lượng clinker: Các chỉ số về độ mịn, độ bền và thành phần hóa học clinker đạt tiêu chuẩn TCVN 6260:2009 với tỷ lệ đạt trên 98%, tăng 8% so với trước khi áp dụng hệ thống mới.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các cải tiến trên là do hệ thống điều khiển mới cho phép tự động hóa cao, giảm thiểu sai sót do con người và tăng khả năng phản hồi nhanh với các biến đổi trong quá trình sản xuất. So sánh với một số nghiên cứu gần đây trong ngành xi măng, kết quả này tương đồng với xu hướng ứng dụng PLC và SCADA trong tự động hóa công nghiệp, góp phần nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh độ chính xác cân băng định lượng trước và sau khi áp dụng PLC, biểu đồ phân bố kích thước hạt clinker nghiền, và bảng thống kê thời gian dừng máy. Các biểu đồ này minh họa rõ ràng sự cải thiện về hiệu suất và độ ổn định của hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai mở rộng hệ thống PLC và SCADA cho toàn bộ dây chuyền sản xuất trong nhà máy nhằm đồng bộ hóa và nâng cao hiệu quả vận hành, dự kiến hoàn thành trong 12 tháng tới, do phòng kỹ thuật tự động hóa thực hiện.
  2. Đào tạo nâng cao năng lực vận hành và bảo trì PLC cho đội ngũ kỹ thuật viên nhằm đảm bảo vận hành ổn định và xử lý sự cố kịp thời, tổ chức định kỳ 6 tháng/lần.
  3. Tích hợp hệ thống cảnh báo và phân tích dữ liệu nâng cao sử dụng công nghệ IoT và Big Data để dự báo sự cố và tối ưu hóa quy trình sản xuất, nghiên cứu và thử nghiệm trong 18 tháng tiếp theo.
  4. Cải tiến thiết kế cảm biến và công tắc giới hạn nhằm tăng độ bền và độ nhạy, giảm thiểu lỗi đo lường, phối hợp với nhà cung cấp thiết bị trong vòng 6 tháng.
  5. Xây dựng quy trình bảo trì dự phòng và kiểm tra định kỳ cho hệ thống điều khiển tự động, giảm thiểu thời gian dừng máy không kế hoạch xuống dưới 3% trong vòng 2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư tự động hóa công nghiệp: Nắm bắt kiến thức về thiết kế và lập trình PLC S7-300, ứng dụng SCADA trong giám sát dây chuyền sản xuất xi măng, nâng cao kỹ năng vận hành và bảo trì hệ thống tự động.
  2. Quản lý nhà máy xi măng: Hiểu rõ các giải pháp nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm chi phí vận hành và cải thiện chất lượng sản phẩm thông qua tự động hóa và giám sát hiện đại.
  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành cơ điện tử, tự động hóa: Tham khảo mô hình nghiên cứu thực tiễn, phương pháp phân tích dữ liệu và ứng dụng công nghệ điều khiển trong ngành công nghiệp nặng.
  4. Nhà cung cấp thiết bị công nghiệp: Cập nhật yêu cầu kỹ thuật và xu hướng ứng dụng PLC, cảm biến, hệ thống giám sát trong ngành xi măng để phát triển sản phẩm phù hợp với thị trường Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

  1. PLC S7-300 có ưu điểm gì trong điều khiển nhà máy xi măng?
    PLC S7-300 có khả năng xử lý nhanh, độ tin cậy cao và dễ dàng mở rộng hệ thống. Ví dụ, tại nhà máy Chinfon, PLC này giúp nâng độ chính xác cân băng định lượng lên trên 95%, giảm sai số nguyên liệu đầu vào đáng kể.

  2. Hệ thống giám sát WinCC 5.0 hỗ trợ gì cho vận hành?
    WinCC 5.0 cung cấp giao diện trực quan, cảnh báo sự cố kịp thời và lưu trữ dữ liệu vận hành. Nhờ đó, thời gian dừng máy không kế hoạch giảm từ 12% xuống còn khoảng 5%, giúp tăng năng suất và giảm chi phí bảo trì.

  3. Làm thế nào để cải thiện chất lượng clinker trong sản xuất?
    Bằng cách điều khiển chính xác lưu lượng nguyên liệu, nhiệt độ nung và thời gian làm mát clinker qua PLC và cảm biến hiện đại, chất lượng clinker đạt tiêu chuẩn TCVN 6260:2009 với tỷ lệ đạt trên 98%.

  4. Phương pháp phân tích dữ liệu vận hành được sử dụng trong nghiên cứu?
    Nghiên cứu sử dụng phân tích thống kê mô tả và mô phỏng lập trình PLC, kết hợp thử nghiệm thực tế để đánh giá hiệu quả hệ thống. Ví dụ, phân tích phân bố kích thước hạt clinker giúp tối ưu hóa công suất nghiền.

  5. Có thể áp dụng hệ thống này cho các nhà máy xi măng khác không?
    Có thể, hệ thống PLC S7-300 và SCADA WinCC 5.0 có tính linh hoạt cao, dễ dàng tùy chỉnh theo quy mô và đặc thù từng nhà máy, giúp nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm thiểu sự cố.

Kết luận

  • Thiết kế và thay thế hệ thống điều khiển, giám sát bằng PLC S7-300 và WinCC 5.0 đã nâng cao độ chính xác cân băng định lượng lên trên 95%.
  • Hiệu suất nghiền clinker tăng 10-15%, giảm tỷ lệ hạt quá lớn từ 12% xuống 7%.
  • Thời gian dừng máy không kế hoạch giảm từ 12% xuống còn khoảng 5%.
  • Chất lượng clinker đạt tiêu chuẩn TCVN 6260:2009 với tỷ lệ đạt trên 98%.
  • Đề xuất mở rộng áp dụng hệ thống tự động hóa toàn diện, đào tạo nhân lực và tích hợp công nghệ IoT trong 1-2 năm tới.

Luận văn góp phần quan trọng trong việc hiện đại hóa công nghệ sản xuất xi măng tại Việt Nam, đồng thời cung cấp giải pháp thực tiễn cho các nhà máy trong ngành. Để tiếp tục phát triển, các đơn vị sản xuất nên triển khai áp dụng rộng rãi và nghiên cứu nâng cao tích hợp công nghệ mới. Hành động ngay hôm nay để nâng cao năng lực cạnh tranh và bền vững trong ngành xi măng!