Nghiên cứu xây dựng giải pháp tối u và thiết kế chế tạo hệ thống tự động hoá các công nghệ nung luyện

Bộ khoa học và công nghệ Chơng trình nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ KC 03 ________________________________________ đề tài KC 03.19 Nghiên cứu xây dựng giải pháp tối u và thiết kế chế tạo hệ thống tự động hoá các công nghệ nung luyện Báo cáo tổng hợp 6458 10/8/200 7 Hà nội 2006 1 Bộ khoa học và công nghệ Chơng trình nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ KC 03 đề tài KC 03.19 Nghiên cứu xây dựng giải pháp tối u và thiết kế chế tạo hệ thống tự động hoá các công nghệ nung luyện Báo cáo tổng hợp Chủ nhiệm đề tài: TS. Nguyễn Văn Vinh Cơ quan chủ trì: Viện Tự động hoá KTQS Cơ quan chủ quản: Trung tâm KHKT-CNQS 2 Đội ngũ cán bộ thực hiện đề tài TT Họ và tên Cơ quan công tác Số tháng làm việc cho đề tài A. Chủ nhiệm đề tài Nguyễn Văn Vinh Viện Tự động hoá KTQS 24 B. Cán bộ tham gia nghiên cứu 1 TS. Nguyễn Vũ, th kí đề tài Viện Tự động hoá KTQS 20 2 ThS. Lê Việt Hồng Viện Tự động hoá KTQS 15 3 KS. Vũ Minh Khiêm Viện Tự động hoá KTQS 15 4 ThS. Tăng Thanh Lâm Viện Tự động hoá KTQS 15 5 ThS. Phạm Tiến Dũng Viện Tự động hoá KTQS 10 6 ThS. Nguyễn Đăng Vĩnh Viện Tự động hoá KTQS 10 7 KS. Phạm Thị Phơng Anh Viện Tự động hoá KTQS 03 8 KS. Nguyễn Đức Thành Viện Tự động hoá KTQS 03 9 KS. Nguyễn Minh Tuấn Viện Tự động hoá KTQS 03 Chủ nhiệm đề tàI Thủ trởng đơn vị chủ trì đề tài 3 Danh sách cán bộ phối hợp thực hiện đề tài TT Họ và tên Cơ quan công tác 1 PGS.TS. Thái Duy Sâm Viện Khoa học Vật liệu Cung cấp các t liệu về công nghệ nung các sản phẩm gốm sứ 2 PGS.TS. Đào Xuân Phái Đại học Bách khoa Hà Nội Cung cấp các t liệu về công nghệ nung luyện trong các lĩnh vực khác nhau và xu hớng phát triển của công nghệ nung luyện hiện đại 3 KS. Hà Văn Lâm Xí nghiệp X54 Công ty thang long, Quân khu Thủ đô Cung cấp các số liệu về lò con thoi đang đợc sử dụng rộng rãi tại Bát tràng, giúp phối hợp áp dụng kết quả của đề tài vào thực tế, tham gia thử nghiệm 4 Mục lục trang Danh sách cán bộ tham gia đề tài 2 Phần thứ nhất: Những vấn đề tổng quát 6 I. Tính bức thiết của đề tài. 6 II. Mục tiêu của đề tài. 11 III. Nội dung của đề đài. 12 IV. Cách tiếp cận, phơng pháp nghiên cứu và triển khai thực hiện đề tài. 13 V. Kết quả đạt đợc 16 VI. áp dụng các kết quả của đề tài. 17 Phần thứ hai. Các sản phẩm của đề tài 18 1. Thiết kế hệ thống và xây dựng giải pháp tối u 18 1.1. Công nghệ nung các sản phẩm gốm sứ 18 1.1.1. Cơ sở lý thuyết của quá trình nung 18 1.1.2. Các chế độ nung 28 1.1.3. Kỹ thuật nung - Đo nhiệt độ nung: 28 1.1.4. Các dạng, cấu tạo và nguyên lý làm việc của lò nung: 30 1.2. Xây dựng Giải pháp tối u 49 1.2.1. Đặc tính của lò nung con thoi 49 1.2.2. Một số chỉ tiêu tối u theo quan điểm của ngời sử dụng 50 1.2.3. Xây dựng giải pháp tối u cho các hệ thống tự động hóa công nghệ nung luyện 51 1.3. Thiết kế hệ thống 53 2. Hệ thống đo lờng các tham số công nghệ 57 2.1. Hệ thống có các khối đo và hiển thị tại chỗ 58 2.1.1. Đặc tính kỹ thuật. 58 2.1.2. Sơ đồ mặt trớc của thiết bị . 58 2.1.3. Chế độ hoạt động. 59 2.1.4. Đặt chế độ. 61 2.1.5. Sơ đồ khối của thiết bị . 69 2.1.6. Sơ đồ của từng khối của thiết bị 70 2.1.7. Phần mềm thiết bị 76 2.2. Hệ thống đo lờng trên cơ sở các thiết bị chuẩn 79 3. Hệ thống giám sát và cảnh báo thành phần khí thải 89 4. Cơ cấu chấp hành điều khiển lu lợng Khí đốt và dầu 99 4.1. Chức năng: 99 4.2. Đặc tính kỹ thuật 99 4.3. Sơ đồ khối của thiết bị 99 4.4. Các giao diện của thiết bị 100 4.5. Các chế độ hoạt động của thiết bị. 102 4.6. Cài đặt các thông số điều khiển cho thiết bị 102 4.7. Lu đồ thuật toán chơng trình điều khiển. 105 5. Mỏ đốt thông minh 109 5.1. Chức năng và đặc tính kỹ thuật 109 5 5.2. Sơ đồ khối của thiết bị 109 5.3. Mô tả hoạt động 110 5.4. Thiết kế chế tạo các khối thiết bị 111 5.4.1. Khối đo lờng và điều khiển góc mở cửa trộn khí 111 5.4.2. Khối cảm biến xung đo góc mở cửa trộn khí 115 5.4.3. Giao diện và các chế độ hoạt động. 115 5.4.4. Thuật toán và lu đồ phần mềm điều khiển 117 6.Thiết bị điều khiển đa kênh 119 6.1. Mô tả chung 119 6.1.1. Chức năng: 119 6.1.2. Tính năng kỹ thuật của thiết bị 119 6.1.3. Các khối trong thiết bị điều khiển đa kênh: 120 6.2. Chức năng các khối trong thiết bị điều khiển đa kênh 121 6.2.1. Khối thu thập số liệu và các modul vào ra . 121 6.2.2. Khối xử lý số liệu và giao diện: 124 6.3. Chơng trình tính toán điều khiển 125 6.3.1. Chức năng chính: 125 6.3.2. Các môdul chính của chơng trình: 125 6.4. Các giao diện truyền thông và điều khiển vào ra: 130 6.4.1. Giao diện truyền thông: 130 6.4.2. Giao diện điều khiển vào ra: 131 7. Trung tâm thu thập số liệu, lu trữ và điều khiển 133 7.1. Chức năng . 133 7.2. Các modul của chơng trình: 134 7.3. Giao thức truyền số liệu: 140 8. chơng trình mô phỏng hệ thống điều khiển 141 8.1. Khảo sát thực tế hệ thống lò nung gốm sứ: 141 8.2. Cơ sở lý thuyết và xây dựng mô hình 146 8.2.1. Mô hình lò nhiệt 146 8.2.2. Phơng pháp phân tích các đối tợng tuyến tính 147 8.3. Mô phỏng lò 149 8.3.1. Tính toán sự cháy của nhiên liệu 152 8.3.2. Tính toán cân bằng nhiệt: 154 8.4. Chơng trình mô phỏng 160 Kết luận. 165 Tài liệu tham khảo 166 Phụ lục. 167 6 Phần thứ nhất Những vấn đề tổng quát I. Tính bức thiết của đề tài. ở các nớc đang phát triển, vấn đề tự động hóa cho các công nghệ nung luyện rất đợc quan tâm giải quyết, vì vậy các công nghệ nung luyện đợc tự động hóa ở mức độ cao: Tự động đo lờng, giám sát và điều khiển các thông số công nghệ nh nhiệt độ, tốc độ thay đổi của nhiệt độ, áp suất, tự động điều khiển các quá trình đa sản phẩm vào/ra lò Đối với rất nhiều loại sản phẩm, ví dụ nh sứ dân dụng, sứ mỹ nghệ, sứ cách điện. nồng độ của các chất khí trong môi trờng nung ảnh hởng rất lớn đến chất lợng sản phẩm. ở đó xảy ra các phản ứng hóa học ở nhiệt độ cao. Vì vậy ở đó còn đòi hỏi phải đo lờng, giám sát và điều khiển các thông số cơ bản của môi trờng trong lò nung. Nhìn chung lò nung hiện đại đều đợc trang bị các hệ thống tự động đo lờng giám sát điều khiển với các mức độ chính xác thích hợp, tùy thuộc yêu cầu của công nghệ sản xuất cho từng loại sản phẩm. Nhờ vậy các sản phẩm của công nghệ nung luyện ở đó đạt các chỉ tiêu chất lợng cao. Đối với các công nghệ nung luyện sử dụng các dạng nhiên liệu nh dầu nặng, dầu nhẹ, khí hóa lỏng, khí thiên nhiên, bên cạnh các vấn đề điều khiển các thông số của công nghệ nh nhiệt độ, áp suất khí, môi trờng trong lò, còn có những vấn đề rất quan trọng khác cần quan tâm nh: 1. Điều khiển quá trính cháy đảm bảo sao cho tiêu tốn nhiên liệu ít nhất, góp phần quan trọng cho việc giảm giá thành sản phẩm. 2. Giám sát và điều khiển quá trình để giảm thiểu nồng độ khí độc hại trong khí thải, đảm bảo không gây ô nhiễm môi trờng hoặc ít nhất cũng phải ở trong phạm vi cho phép của luật môi trờng. 7 Để đạt đợc độ chính xác cao, trong các hệ thống tự động điều khiển các quá trình công nghệ nung luyện ngời ta sử dụng các thành tựu mới của lí thuyết điều khiển hiện đại: Điều khiển tối u, điều khiển thích nghi, điều khiển bền vững, điều khiển với cấu trúc biến đổi có sử dụng chế độ trợt, điều khiển mờ, mờ - trợt Tùy thuộc vào từng công nghệ nung luyện cụ thể để chọn các thuật điều khiển nhằm đáp ứng tốt nhất các yêu cầu của công nghệ, phù hợp với các yêu cầu của quá trình sản xuất. Các thuật điều khiển chứa trong các phần mềm điều khiển thực sự là linh hồn của hệ thống điều khiển. Nhiều bài toán điều khiển các công nghệ nung luyện vẫn thu hút sự quan tâm của các ngành khoa học, công nghệ cả về phơng diện lý thuyết cả về phơng diện ứng dụng. Trong lĩnh vực sản xuất các thiết bị phục vụ cho các lò nung, các hãng sử dụng các thiết bị tự động hóa công nghệ phổ dụng nh PLC, IPC, Controller của các nhà sản xuất chuyên sâu về tự động hóa nh SIEMENS, OMRON, HONEYWELL, SHNIDER, AB, Đáng chú ý là các hãng sản xuất chuyên về tự động hóa đã cho ra đời các thế hệ Controller chuyên dùng cho các lò nung. Các cơ cấu chấp hành trong các hệ thống tự động điều khiển công nghệ nung luyện có những nét đặc thù riêng. Các cơ cấu chấp hành này có vai trò hết sức quan trọng quyết định hiệu quả cuả quá trình cháy. Các hãng nh HAUCK (Mỹ), RIEDHAMMER (CHLB Đức) ITALFORNI (ITALIA), KICHIETSU BUSSAN (Nhật), HAN YANG INDUSTRY (Hàn quốc), PSP (CH SEC) đã chế tạo các mỏ đốt tự phối khí, mỏ đốt thông minh. Trong số đó, các đầu đo thành phần khí (môi trờng nung) và thành phần độc hại trong khí thải là những SENSORS khá đắt tiền. Đi đầu trong số các hãng chế tạo SENSORS này là FIGARO, BRAUTIGAM MABTECHNIK, ENDRICH GMBH, GERATBAU, ALTHEN, TESTO, Các SENSORS khí cho các quá trình nung luyện thờng là các SENSORS thông minh. Tuy nhiên giá thành các SENSORS loại này rất cao, nằm trong dải từ 5.000 EUR tới hàng chục nagàn EUR. 8 Các hệ thống tự động hóa cho các công nghệ nung luyện thực hiện các chức năng đo lờng, giám sát, điều khiển và quản lý, đảm bảo cho các chế độ công nghệ đợc chính xác. Đặc trng nhất đối với chế độ công nghệ trong các lò nung luyện là các đờng cong nung. Đối với mỗi chủng loại sản phẩm đòi hỏi một chế độ nung riêng và tơng ứng với nó là đờng cong nung riêng. Đối với các lò công nghệ nung luyện đợc trang bị các hệ thống tự động hóa hiện đại, các đờng cong nung đợc chứa trong các chơng trình phần mềm. Ngoài các bộ chơng trình phần mềm đo lờng, xử lý số liệu, điều khiển còn có các chơng trình phần mềm chứa các đờng cong nung. Để xây dựng đợc các bộ chơng trình phần mềm này đòi hỏi có sự kết hợp chặt chẽ giữa các chuyên gia điều khiển tự động với các chuyên gia công nghệ thuộc lĩnh vực liên quan đến sản phẩm nung luyện cụ thể. Công nghệ nung luyện trong các lĩnh vực sản xuất công nghiệp ở nớc ta đợc trang bị các hệ thống tự động hóa ở các mức độ rất khác nhau. Có thể nêu ra một số ví dụ điển hình về mức độ tự động hoá các công nghệ nung luyện trong lĩnh vực si li cát nh sau: Công nghệ xi măng: Hiện đang đợc đầu t mở rộng nhiều nhà máy trên khắp cả nớc. Theo quy hoạch phát triển công nghiệp xi măng Việt nam đến năm 2010 đã đợc Thủ tớng Chính phủ phê duyệt tại Quyết định số 164/2002/QDTTg ngày 18/11/2002, nhu cầu xi măng ở nớc ta là: 29-30 triệu tấn năm 2002, 47-50 triệu tấn năm 2010 và 68-70 triệu tấn năm 2020. Để đáp ứng đợc nhu cầu này ngành xi măng phải đợc khai thác vận hành 50 lò đứng ( công suất 120-240 tấn clanhke/ngày-lò ) và 17 lò quay ( công suất 400- 550 tấn clanhke/ngày-lò ) và đang chuẩn bị đầu t thêm một số nhà máy xi măng lò quay. Các lò nung clinker xi măng làm việc ở nhiệt độ cao ( tối đa đến 1500 o C ) nhiên liệu sử dụng là than đá nghiền mịn và/hoặc dầu FO. ở các nhà máy xi măng có lò quay nung clinker 100% thiết bị nhập từ các hãng chế tạo thiết bị chuyên ngành nổi tiếng của CHLB Đức, Đan mạch, Nhật, Pháp Mức độ tự động hóa ở các nhà máy rất cao, với các hệ thống SCADA hiện đại có các chế độ điều khiển từ xa liên động từ phòng điều khiển trung 9 tâm đến tất cả các thiết bị trong dây chuyền, đặc biệt các lò quay nung clinker xi măng phải đợc trang bị các hệ thống giám sát điều khiển hiện đại và có độ tin cậy cao với các chỉ tiêu chất lợng tốt nhất. Nhìn chung, các nhà đầu t sản xuất xi măng với công nghệ nung clinker xi măng trong các lò quay có yêu cầu rất cao đối với các hệ thống tự động hóa cho công nghệ này, và u tiên lựa chọn thiết bị và hệ thống do các hãng nổi tiếng chế tạo. Chính vì vậy, việc áp dụng các kết quả do Đề tài thiết kế chế tạo lần đầu chắc chắn sẽ là khó khả thi và ít nhất là trong thời gian những năm tới. Với những lý do đó chúng ta không chọn ngành công nghiệp này làm đối tợng áp dụng kết quả nghiên cứu của đề tài. Các loại lò đứng địa phơng kể cả các lò đứng kiểu cơ khí của Trung quốc cũng không nằm trong các đối tợng nghiên cứu của đề tài vì nó quá nhỏ và trình độ công nghệ thấp. Công nghệ lò đứng để nung Slinker xi măng nh vậy sẽ bị xóa sổ trong tơng lai gần. Công nghiệp gốm xây dựng và vật liệu chịu lửa: Đây là mảng công nghiệp đang và sẽ phát triển rất mạnh ở nớc ta kể cả hiện tại và tơng lai. Trong 10 năm trở lại đây, trong lĩnh vực gốm sứ xây dựng hàng loạt dây chuyền gạch ốp lát Ceramic và granit nhân tạo đợc nhập vào Việt nam với công nghệ hiện đại và có mức độ tự động hóa cao, đặc biệt là các khâu nung sản phẩm bằng lon lăn với chế độ nung nhanh. Lò nung gạch ốp lát Ceramic, Granit sử dụng nhiên liệu là dầu Diezel, khí lỏng hoặc khí hóa than. Nhiệt độ vận hành là 1240 0 C, nhiệt độ tối đa đồng đều trong lò theo quy trình để các viên gạch không bị cong vênh, nứt vỡ. Đảm bảo tiết kiệm nhiên liệu, ổn định đờng cong nung theo yêu cầu công nghệ. Công nghệ nung luyện sứ cách điện, sứ dân dụng, sứ mỹ nghệ, đặc biệt là gốm sứ truyền thống của các làng nghề Việt nam những năm gần đây tập trung vào sử dụng hai loại lò chính: 1. Kiểu lò tuynel liên tục. Nhiều cơ sở quốc doanh và t nhân trang bị các lò tuynel tự thiết kế lắp đặt ở trong nớc hoặc nhập ngoại, công nghệ nung luyện ở đây đã đợc tự động hóa, tuy nhiên, mức độ tự động hoá còn cha đồng đều. [...]... nghệ nung luyện Nghiên c u xây dựng phần mềm mô phỏng cho hệ thống tự động đi u khiển công nghệ nung luyện cho lò nung ki u con thoi Nghiên c u xây dựng phần mềm hệ thống, phần mềm đi u khiển, phần mềm công nghệ tơng ứng với ít nhất 5 chế độ nung cho các sản phẩm vật li u xây dựng, hoặc/ và sản phẩm các loại Nghiên c u thiết kế chế tạo hệ thống tự động giám sát- cảnh báo độc hại của khí thải 12 Nghiên. .. 12 Nghiên c u, thiết kế chế tạo các cơ c u chấp hành đi u khiển lu lợng luồng nhiên li u khí và d u Nghiên c u, thiết kế chế tạo mỏ đốt thông minh cho các lò nung sử dụng khí đốt Nghiên c u, thiết kế chế tạo trung tâm đi u hành- giám sát- đi u khiển Nghiên c u xây dựng các giải pháp tối u cho các hệ thống tự động đi u khiển và giám sát, cảnh báo độc hại của khí thải theo các chỉ ti u chất lợng,... nung, trên quan điểm đi u khiển tự động Nghiên c u nắm bắt các y u c u của công nghệ nung đối với các hệ thống tự động hóa Nghiên c u tổng hợp các hệ thống đi u khiển tự động cho lò nung ki u con thoi Nghiên c u thiết kế, chế tạo thiết bị đi u khiển số đa kênh, có c u trúc MODUL, có thể tăng giảm số lợng kênh đi u khiển bằng cách thay đổi số lợng các MODUL để có thể áp dụng rộng rãi cho công nghệ. .. cho các công nghệ nung luyện theo các giải pháp tối u đã đề xuất nhằm: 1 Nâng cao chất lợng và hạ giá thành sản phẩm, nâng cao năng suất lao động và hi u quả sản xuất 2 Giám sát mức độ độc hại trong khí thải của các công nghệ nung luyện, làm giảm thi u hàm lợng khí độc hại trong khí thải của các công nghệ nung luyện Mục ti u cụ thể của đề tài: Đa ra đợc giải pháp tối u cho tự động hóa các công nghệ nung. .. kh u (công nghệ nung các sản phẩm này gần giống nhau, có nhi u nét tơng đồng) đối với các hệ thống tự động hóa, làm cơ sở cho việc thiết kế chế tạo các hệ này, nghiên c u áp dụng các thành t u mới của khoa học, công nghệ tự động hóa để tổng hợp, thiết kế và chế tạo các phần tử và toàn bộ các hệ thống tự động đo lờng và giám sát đi u khiển 13 Xây dựng đợc mô hình toán học của lò trên quan điểm đi u khiển... thành hệ thống, đặc biệt đối với các dạng lò nung công suất nhỏ Để nhanh chóng áp dụng kết quả của đề tài, các cơ sở sản xuất và nghiên c u tham gia ngay từ đ u, cung cấp các y u c u, các đặc điểm của công nghệ nung các sản phẩm đã xác định Sự phối hợp nh vậy tạo đi u kiện rất thuận lợi cho việc chuyển giao kết quả nghiên c u đến ngời sử dụng Đề tài dự định và đã tiến hành lắp ráp các hệ thống tự động vào... Bái, Công ty Minh Long I & II ( phía Nam) đã trang bị lò con thoi đốt d u D.O dung tích 30-36m2 nung sứ điện và sứ dân dụng cao cấp với hi u quả nhiệt kỹ thuật và kinh tế cao do đợc trang bị các thiết bị và hệ thống tự động hoá hiện đại của Đức, Nhật với các chơng trình đi u khiển đợc cài đặt đến vài chục chế độ nung khác nhau ở góc độ công nghệ: Công nghệ nung luyện gắn với công nghệ tự động hoá đối... các hệ thống tự động hoá hiện đại do Đề tài tạo ra đã bớc đ u đợc áp dụng trong khu vực làng nghề gốm sứ Bát tràng II mục ti u của đề tài Mục ti u chung của đề tài: Đa ra đợc giải pháp tối u cho tự động hóa các công nghệ nung luyện trong đi u kiện của Việt nam, có khả năng áp dụng rộng rãi cho các cơ sở sản xuất, đặc biệt là các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ Thiết kế, chế tạo thiết bị và hệ thống tự động. .. chế tạo và trang bị cho các công nghệ nung luyện các thiết bị và hệ thống tự động hoá tối u: vừa tốt, vừa rẻ, vừa thuận lợi trong khai thác sử dụng, bảo hành, bảo dỡng và nhân rộng một cách chủ động; vừa đáp ứng tốt nhất các y u c u của công nghệ nung luyện để tạo ra các sản phẩm chất lợng cao, giá rẻ, vừa phải đảm bảo không gây ô nhiễm môi trờng Để đáp ứng tốt nhu c u cấp thiết của thực tế sản xuất,... hình động học của lò nh là đối tợng đi u khiển) có tính đến y u tố trễ, y u tố bất định và y u tố thông số thay đổi theo thời gian do đặc điểm của công nghệ nung các sản phẩm vật li u xây dựng và sứ các loại Tổng hợp các hệ thống đi u khiển tự động có tính đến các y u tố n u trên và đáp ứng các y u c u công nghệ một cách tối u Sử dụng phơng pháp mô phỏng trên máy tính để kiểm tra, đánh giá tính u việt . thiết kế chế tạo hệ thống tự động hoá các công nghệ nung luyện Báo cáo tổng hợp 6458 10/8/200 7 Hà nội 2006 1 Bộ khoa học và công nghệ Chơng trình nghiên cứu khoa học