Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ điều khiển giám sát tự động để tối ưu năng suất và cỡ hạt máy nghiền bột đá siêu mịn cỡ micromet trên cơ sở công nghệ điều khiển lập trình với sự trợ giúp của máy tính

t BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN MÁY VÀ DỤNG CỤ CÔNG NGHIỆP BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI MÃ SỐ: 142.11RD/ HĐ-KHCN Tên đề tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT TỰ ĐỘNG ĐỂ TỐI ƯU NĂNG SUẤT VÀ CỠ HẠT MÁY NGHIỀN BỘT ĐÁ SIÊU MỊN CỠ µM TRÊN CƠ SỞ CÔNG NGHỆ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH VỚI SỰ TRỢ GIÚP CỦA MÁY TÍNH CƠ QUAN CHỦ TRÌ CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI TS. NGUYỄN ĐỨC MINH ThS. PHAN ANH DŨNG 9065 Hà Nội, tháng 11/2011 2 BÁO CÁO TÓM TẮT TÌNH HÌNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP BỘ NĂM 2011 1. Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ điều khiển giám sát tự động để tối ưu năng suất và cỡ hạt máy nghiền bột đá siêu mịn cỡ µ m trên cơ sở công nghệ điều khiển lập trình với sự trợ giúp của máy tính. 2. Chủ nhiệm đề tài: ThS. Phan Anh Dũng 3. Thời gian thực hiện đề tài: Từ 01/01/2011 đến 30/11/2011 4. Nội dung và kết quả đạt được Sau thời gian nghiên cứu và triển khai đề tài, nhóm nghiên cứu đã thực hiện được các công việc sau: + Thu thập và nghiên cứu tài liệu về ứng dụng của hệ đ iều khiển cho máy nghiền bột đá siêu mịn. + Khảo sát các hệ thống điều khiển cho máy nghiền bột đá siêu mịn hiện đang được sử dụng trong nước và trên thế giới. + Thiết kế, lựa chọn thiết bị phần cứng cho hệ thống điều khiển máy nghiền bột đá siêu mịn phù hợp với điều kiện Việt Nam. + Thiế t kế, chế tạo hệ thống điều khiển cho máy nghiền bột đá siêu mịn. + Xây dựng phần mềm điều khiển giám sát tự động cho máy nghiền bột đá siêu mịn. + Thử nghiệm hệ thống điều khiển trên cơ sở mô phỏng thiết bị đầu vào. + Khảo nghiệm đánh giá chất lượng của hệ thống. + Hoàn thiện thiết kế nguyên lý, thi ết kế mạch in, phần mềm xử lý và quy trình lắp ráp sản phẩm. 5. Tài chính Kinh phí của đề tài đã được sử dụng hết phục vụ cho công tác khảo sát nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và hoàn thiện sản phẩm. Kinh phí sử dụng theo đúng quy định của nhà nước. 3 6. Kiến nghị Nhóm thực hiện đề tài đã thực hiện đúng các yêu cầu của đề tài đã đăng ký, các nội dung công việc về khảo sát, thiết kế, chế tạo và hoàn thiện sản phẩm. Hiện nay các nội dung cơ bản của đề tài đã được hoàn thành. Đề nghị cho phép báo cáo nghiệm thu đề tài. Chủ nhiệm đề tài ThS.Phan Anh Dũng 4 DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN CHÍNH STT Họ và tên Học hàm, học vị, chuyên môn Cơ quan 1 Phan Anh Dũng Thạc sỹ Điện tử-Viễn Thông Viện Máy và DCCN 2 Nguyễn Hoài Anh Thạc sỹ Tự động hóa Viện Máy và DCCN 3 Ngô Xuân Cường Thạc sỹ Điện tử-Viễn Thông Viện Máy và DCCN 4 Đỗ Tùng Linh Thạc sỹ Chế tạo máy Viện Máy và DCCN 5 Nguyễn Bá Diệu Kỹ sư Chế tạo máy Viện Máy và DCCN 6 Lê Hoàng Hải Kỹ sư Tự động hóa Viện Máy và DCCN 7 Nguyễn Trung Kiên Kỹ sư Tự động hóa Viện Máy và DCCN 8 Dương Văn Nghĩa Kỹ sư Tự động hóa Viện Máy và DCCN 9 Nguyễn Hữu Vĩnh Kỹ sư Tin học Viện Máy và DCCN 10 Nguyễn Hồng Giang Kỹ sư Điện tử -Viễn Thông Viện Máy và DCCN 5 MỤC LỤC Hạng mục Trang Lời nói đầu 6 Phần 1: Tổng quan 8 1. Công nghệ nghiền bột đá siêu mịn 8 2. Một số máy nghiền bột đá siêu mịn đặc trưng 11 3. Ứng dụng của bộ điều khiển tự động trong máy nghiền bột đá siêu mịn 13 4. Tình hình nghiên c ứu ở trong nước và ngoài nước 13 5. Một số thiết bị điều khiển nghiền tự động ở Việt Nam 15 Phần 2: Nội dung nghiên cứu của đề tài 19 1. Xây dựng cấu trúc hệ điều khiển các máy nghiền bột đá siêu mịn 19 2. Lựa chọn cấu hình thiết bị phù hợp điều kiện Việt Nam 21 3. Thiế t kế mạch nguyên lý các mô đun 23 3.1. Mô đun điều khiển cấp liệu 23 3.2. Mô đun điều khiển nghiền 26 3.3. Mô đun điều khiển phân ly 29 3.4. Mô đun điều khiển lọc giũ 30 3.5. Mô đun điều khiển áp lực khí 31 3.6. Mô đun truyền thông 32 3.7. Mô đ un nguồn 32 4. Phương án chế tạo phần cứng cho các mô đun 33 5. Thiết kế phần mềm giám sát điều khiển 34 Phần 3: Kết quả chế tạo và thử nghiệm 52 1. Kết quả chế tạo 52 2. Kết quả thử nghiệm hiện trường 53 Phần 4: Kết luận và kiế n nghị 61 Phụ lục 1: Sơ đồ mạch in các mô đun 62 Phụ lục 2: Mã nguồn phần mềm điều khiển hệ thống 67 Phụ lục 3: Sơ đồ điện hệ thống nghiền 86 Phụ lục 4: Biểu đồ năng suất theo độ mở van và tốc độ phân ly 93 6 LỜI NÓI ĐẦU Trong thời gian qua, cùng với sự phát triển của đất nước, các sản phẩm cơ điện tử công nghệ cao có mặt ở khắp mọi nơi. Trong sự phát triển chung của các sản phẩm cơ điện tử, các máy nghiền siêu mịn cũng có mặt ở khắp mọi nơi. Với hệ thống cơ khí chính xác và tính chất vật liệu siêu bền, các hệ thống nghiền đã tạo ra rất nhiều hạt vật liệu phục vụ cho trong nước và xuất khẩu. Tuy nhiên, các máy nghiền trên, mà tiêu biểu là máy nghiền của hãng Hosokawa, có hệ điều khiển được thực hiện theo kiểu bán thủ công. Việc đặt các thông số tối ưu cho hệ thống được thực hiện theo kinh nghiệm người vận hành. Ngoài ra, trong quá trình vận hành, người vận hành sẽ luôn quan sát các thông số cấp liệu, dòng nghiền, tố c độ phân ly và lưu lượng gió để kịp thời hiệu chỉnh đảm bảo cho cỡ hạt đúng yêu cầu và năng suất đạt tối đa. Vì vậy, việc nghiên cứu để hệ thống tự động giám điều chỉnh các thông số phù hợp là rất cần thiết. Trong những năm gần đây, công nghệ vi điều khiển đã có nhiều tiến bộ vượt b ậc. Ngoài vấn đề tốc độ xử lý, dung lượng bộ nhớ, các mô đun hỗ trợ ngày càng nhiều thì các dòng vi điều khiển đã chú trọng nhiều hơn đến việc tăng dòng phát/thu, đặc biệt là tăng khả năng chống nhiễu, rất thuận lợi cho việc sử dụng trong công nghiệp. Viện IMI đã có nhiều năm hoạt động trong lĩnh vực thiết kế, chế tạ o máy móc phục vụ lĩnh vực xây dựng. Do vậy Viện đã có nhiều công trình nghiên cứu và cho ra đời nhiều sản phẩm đo lường điều khiển dùng máy CNC, dùng Máy tính công nghiệp, dùng PLC và dùng vi điều khiển. Nhiều sản phẩm hiện đang được ứng dụng trên các máy với độ tin cậy cao cũng như khả năng bảo hành, bảo trì sản phẩm một cách dễ dàng, tiết kiệm được rất nhi ều ngoại tệ cho đất nước. Riêng về lĩnh vực vi điều khiển, IMI đã nghiên cứu và chế tạo thành công nhiều hệ thống điều khiển đang được sử dụng như cân đóng bao, bộ điều khiển trạm trộn bê tông IMIDAT, bộ điều khiển định lượng 3 thành phần, Với khả năng nắm bắt nguyên lý hoạt động của hệ thống nghiền siêu mịn, sự phát triển của công nghệ Vi điều khiển cùng kinh nghiệm trong lĩnh vực đo lường điều khiển của IMI, chúng tôi đã quyết định lựa chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ điều khiển giám sát tự động để tối ưu năng suất và cỡ hạt máy nghiền bột đá siêu mịn cỡ µ m trên cơ sở công nghệ điều khiển lập trình với sự trợ giúp của máy tính”. 7 Mục đích của đề tài là sử dụng máy tính kết hợp vi điều khiển và các linh kiện phụ trợ để xây dựng một bộ điều khiển giám sát tự động để tối ưu năng suất và cỡ hạt máy nghiền bột đá siêu mịn cỡ µm được sản xuất tại Việt Nam như sau: + Nghiên cứu, thiết kế hoàn chỉnh hệ thống điều khiển kết nối với máy nghiền bột đá siêu mịn trên cơ sở thiết bị lập trình. + Chế tạo hoàn chỉnh chế tạo hệ thống điều khiển giám sát tự động kết nối với thiết bị máy nghiền của hãng HOSOKAWA - CHLB Đức. Xây dựng phần mềm điều khiển và giám sát tự động để tối ưu năng suất và cỡ hạt cho máy nghiền bột đá siêu mịn. Vì thời gian có hạn nên không thể tránh khỏi những sai sót nhất định, chúng tôi rất mong nhận được các ý kiến đóng góp chân tình để đề tài ngày càng hoàn thiện hơn, có tính thực tế cao hơn, góp phần nâng cao khả năng nội địa hoá các sản phẩm cơ điện tử cũng như góp phần nâng cao trình độ nhóm ngành điện tử công nghiệp tại Việt nam. Nhóm đề tài xin chân thành cả m ơn sự hỗ trợ cũng như những ý kiến đóng góp của Lãnh đạo Viện, lãnh đạo Trung tâm và các đồng nghiệp trong quá trình thực hiện đề tài. Hà nội, ngày 15 tháng 11 năm 2011 TM Nhóm đề tài Chủ nhiệm đề tài ThS. Phan Anh Dũng 8 Phần 1 TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ 1. Công nghệ nghiền bột đá siêu mịn Làm thế nào để nghiền các vật liệu có độ cứng khác nhau thành bột siêu mịn tới độ hạt nhỏ hơn 40 µm ( 1µm = 0.001 mm) đang được rất nhiều hãng trên thế giới nghiên cứu và cải tiến hàng ngày. Qua quá trình nghiên cứu phát triển đã cho ra đời một số công nghệ nghiền như sau: Máy nghiền rung : Máy nghiền siêu mịn phương pháp rung được sáng chế từ những năm 50 thế kỷ 20. Nguyên lý hoạt động gần giống như máy nghiền bi. Năng lượng nghiền được chuyển đến vật liệu nghiền thông qua hệ thống bi nghiền rung cao tần. Máy nghiền rung hiện là máy có hiệu suất truyền năng lượng nghiền cao nhất. Nếu như ở thiết bị nghiền thông thường, để nghiền nhỏ đến 5 um là rất khó, thì ở thiế t bị loại này có thể giải quyết được. Mặt hạn chế cơ bản của phương pháp này là năng suất nghiền thấp do khó khăn trong việc truyền toàn bộ năng lượng cao rung tầng hiệu quả tới số bi nghiền rất lớn. Vì vậy các thiết bị này chỉ được dùng phổ biến trong phòng thí nghiệm hoặc sản xuất với quy mô nhỏ. Rất nhiều hãng tên tuổi trên thế gi ới đang phát triển theo hướng này với mong muốn đạt được công suất cao, song dẫn đến giá thành chế tạo vô cùng đắt, ví dụ như sử dụng bi nghiền là loại bi gốm ( sứ ). Máy nghiền kiểu khí nén: Vào những năm 90 của thế kỷ 20, một nguyên lý nghiền siêu mịn kiểu “ thổi khí nén “ nhờ hệ thống máy nén khí đã được ứng dụng tại các nước Châu Âu. Nguyên liệu cần nghiền được “th ổi” vào buồng nghiền do một dòng không khí cực mạnh tạo nên. Dòng không khí này do một hệ thống khí nén công suất cực mạnh với áp lực rất lớn tạo ra. Tất nhiên, quả tim của hệ thống này là máy nén khí đặc biệt rất đắt tiền, được chế tạo đơn chiếc. Phương pháp này có 3 nhược điểm cơ bản: - Thứ nhất, tỷ suất nghiền thấp và tiêu hao năng lượng cao hơ n rất nhiều so với nguyên lý nghiền bi và nghiền rung, phần lớn năng lượng do máy nén khí cung cấp chủ yếu để đẩy không khí chứ không phải để nghiền sản phẩm. - Thứ hai, nhược điểm cơ bản là vấn đề tách và thu hồi sản phẩm lẫn trong dòng khí với áp lực lớn. Việc tách được ra rất tốn kém. Với những hạt sản phẩm với kích thước từ 10 um trở xuống, muốn tách được phải dùng đến hệ thống xilo khổng lồ và những túi lọc rất tốn kém. 9 - Thứ ba, độ bào mòn rất lớn các tấm lót trong buồng nghiền do áp lực khí tạo nên với áp lực lên tới 200 m/s Máy nghiền kiểu rotor : Hiện nay, người ta nói đến công nghệ nghiền rotor siêu mịn áp dụng trong lĩnh vực quốc phòng Nga, Tây Âu và Mỹ. Các thiết bị nghiền kiểu này đều không được công bố và chỉ được mô tả một cách chung chung là : bộ phận chính của máy là một rotor quay với vận tốc cực lớn. Làm sao để quay rotor vớ i tốc độ cực lớn. Không một tài liệu nào được công bố và chưa biết liệu có loại động cơ nào đang phổ biến đáp ứng được đòi hỏi đó. Vì vậy, khả năng ứng dụng trong thực tiễn là xa vời và có thể là không khả thi bởi tính kinh tế của nó Máy nghiền bi Hình 1.1: Máy nghiền bi Nghiền bi động năng cao hay Nghiền bi năng lượng cao (xuất phát từ tên gốc là High-energy ball milling) là một kỹ thuật luyện kim bột cho phép tạo ra các bột vật liệu có kích thước vài chục nanomet bằng cách nghiền các vật liệu dựa trên sự va đập từ các bi thép cứng được quay trong buồng kín với tốc độ rất cao. Đây là một dạng công nghệ đang được dùng phổ biến, vì vậy, ta sẽ tìm hiểu sâu h ơn về loại công nghệ này. Nguyên lý hoạt động: Phương pháp nghiền bi động năng cao là kỹ thuật dựa trên việc nghiền các vật liệu nhờ sự va đập của các bi thép (không rỉ) với vật liệu khi được đặt vào buồng kín được quay ly tâm với tốc độ rất cao (có thể đạt 650 vòng/phút đến vài ngàn vòng phút). Khi mở máy quay, bi nghiền phía trong vỏ lúc đầu quay cùng nhờ lực ma sát, sau đó một số bi tách ra khỏi v ỏ và rơi xuống theo quỹ đạo parabol, một số 10 bi khác lăn trượt lên nhau. Kết quả là vật liệu được nghiền nhỏ do sự trượt tương đối giữa các viên bi và do va đập của bi vào vật liệu. Hình 1.2: Nguyên lý nghiền bi Máy nghiền bi là sự lựa chọn trong nhiều năm của công nghiệp sản xuất bột khoáng sản cao cấp hoặc dùng để nghiền các loại quặng sắt và các vật liệu khác, là thiết bị quan trọng trong việc nghiền mịn. Máy nghiền bi sử dụng rộng rãi vào các ngành nghiệp sản xuất như xi măng, sản phẩm si-li-cát, vật liệu xây dựng kiểu mới, vật liệu chịu lử a, phân hóa học, chọn quặng kim loại màu và đen, thủy tinh sự gốm … Phân loại: - Theo chế độ làm việc : + Làm việc theo chu kỳ. + Làm việc liên tục - Theo phương pháp nghiền: + Nghiền khô + Nghiền ướt - Theo kết cấu máy nghiền : + Hình trụ 1 bi nghiền + 2 buồng nghiền + Hình trụ nhiều buồng nghiền + Hình nón + Theo tỉ số L/D + Nghiền bi tang + Nghiền bi ống - Theo phương pháp nạp và thoát liệu : [...]... cấp và thứ cấp, có nhiệm vụ điều khiển liệu đầu vào máy nghiền thô cấp 1 và máy nghiền thô cấp 2, đảm bảo năng suất đầu vào hợp lý cho máy nghiền Việc điều khiển sẽ thông qua các biến tần điều khiển băng tải dẫn liệu Việc điều khiển tối ưu hệ thống này cho phép tăng năng suất của hệ thống Tại đầu vào có 2 máy nghiền thô để nghiền đá kích cỡ 500mm x 500 mm đưa về kích cỡ đá 5-10mm đưa vào đầu vào quả nghiền. .. cạnh tranh với sản phẩm của các nước công nghiệp phát triển nói trên Sản phẩm máy nghiền bột đá siêu mịn của các nước này mới đáp ứng được trong các dây chuyền bột đá siêu mịn cỡ trung bình và lớn, do vậy cần tiếp tục nghiên cứu kỹ và cải tiến nhiều về chất lượng mới đáp ứng được nhu cầu của sản xuất hiện đại Để đạt được bột đá siêu mịn (cỡ vài chục µm) thì việc điều khiển máy nghiền phải giải quyết... các kết cấu cơ khí cũng như thiết bị điều khiển của máy nghiền có chất lượng rất tốt 12 Hình 1.5: Quả nghiền trong máy nghiền Alpine tự động 3 Ứng dụng của bộ điều khiển trong các máy nghiền siêu mịn Các máy nghiền siêu mịn hiện nay được thiết kế theo quy trình khép kín gồm cấp liệu, nghiền, phân ly và lọc nguyên liệu Việc đặt các thông số các cụm thiết bị cho phù hợp với nhau là rất cần thiết Tuy nhiên,... quả nghiền + Mô đun điều khiển quả nghiền: là mô đun điều khiển đóng, ngắt các động cơ nghiền, giám sát nhiệt độ động cơ nghiền, điều khiển hệ thống làm mát đảm bảo hệ thống hoạt động trong dải cho phép 19 Tại các quả nghiền có hệ thống trợ nghiền để giảm ma sát nghiền làm nóng hệ thống Việc điều khiển lưu lượng phụ gia phụ thuộc vào vật liệu và năng suất cần thực hiện + Mô đun điều khiển phân ly: là... nghiệm hoạt động thực tế Người vận hành thường đặt các thông số trong quá trình chạy máy để đảm bảo tối ưu năng suất. Do vậy, các bộ điều khiển tự động cho các máy nghiền đã được nghiên cứu từ lâu Các bộ điều khiển nghiền tự động có thể ở một trong các dạng sau: + Sử dụng máy tính kết hợp các mô đun thu thập xử lý dữ liệu cho việc điều khiển chung + Sử dụng PLC kết hợp với các mô đun I/O và ADC, DAC... toán về năng suất và kích cỡ hạt Vì vậy đây chính là bí quyết công nghệ mà chỉ có những hãng từ các nước công nghiệp phát triển có được Đây chính là chìa khóa giúp giá trị thiết bị máy nghiền bột đá siêu mịn của các nước công nghiệp phát triển rất cao Nước ta có nhiều núi đá trắng nên nguồn nguyên liệu để sản xuất bột đá siêu mịn rất dồi dào đáp ứng thoải mái cho nhu cầu trong nước và có khả năng xuất... bị máy nghiền siêu mịn rất lớn như: Hosokawa Alpine, Christian Pfeiffer, Hazemag - CHLB Đức, Bằng nghiên cứu rất kỹ về công nghệ và ứng dụng những thành tựu khoa học mới nhất đặc biệt là công nghệ điều khiển các thiết bị của các hãng này càng tối ưu, chất lượng sản phẩm cao hơn và đặc biệt cỡ hạt càng bé hơn Việc giải quyết các bài toán tối ưu trong máy nghiền tạo ra đặc trưng riêng và bí quyết công. .. nghiền bột đá siêu mịn cho sản xuất nguyên liệu cao cấp này Hiện nay máy nghiền bột đá siêu mịn được sản xuất chủ yếu từ các nước công nghiệp phát triển (G7) trong đó chủ yếu là các hãng của CHLB Đức như: Hosokawa Alpine, Tại các nước công nghiệp đang phát triển như: Trung Quốc, Hàn Quốc, do nhu cầu cấp bách của thực tiễn đang đầu tư nghiên cứu để tạo ra các máy nghiền bột đá siêu mịn cạnh tranh với. .. lượng + Công nghệ chế tạo mạch in: một số công ty đã nhập về các máy móc chế tạo mạch in hiện đại, có thể chế tạo mạch in nhiều lớp + Công nghệ hàn: hiện nay trình độ hàn linh kiện khá cao với sự trợ giúp đắc lực của các mỏ hàn mũi nhỏ nhưng nhiệt độ cao + Công nghệ đo kiểm: với sự trợ giúp của các thiết bị đo kiểm có độ chính xác cao như ô xy lô, đồng hồ vạn năng, việc kiểm tra độ chính xác các thiết. .. phức tạp của máy tính, cũng như khả năng nắm bắt công nghệ thiết kế và chế tạo tại Việt Nam, nhằm mục đích nâng cao số lượng sản phẩm chế tạo trong nước, chúng ta lựa chọn phương án thiết kế sản phẩm trên cơ sở sử dụng vi điều khiển chế tạo các mô đun chức năng, kết nối với máy tính để thực hiện việc điều khiển hệ thống Chi tiết lựa chọn như sau: + Dùng vi xử lý cho việc đo lường điều khiển hệ thống . Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ điều khiển giám sát tự động để tối ưu năng suất và cỡ hạt máy nghiền bột đá siêu mịn cỡ µ m trên cơ sở công nghệ điều khiển lập trình với sự trợ giúp của. NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP BỘ NĂM 2011 1. Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ điều khiển giám sát tự động để tối ưu năng suất và cỡ hạt máy nghiền bột đá siêu mịn cỡ µ m trên cơ sở công. KHIỂN GIÁM SÁT TỰ ĐỘNG ĐỂ TỐI ƯU NĂNG SUẤT VÀ CỠ HẠT MÁY NGHIỀN BỘT ĐÁ SIÊU MỊN CỠ µM TRÊN CƠ SỞ CÔNG NGHỆ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH VỚI SỰ TRỢ GIÚP CỦA MÁY TÍNH CƠ QUAN CHỦ TRÌ CHỦ NHIỆM