Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Scada cho hệ thống bốc hơi nước mía trong công nghệ sản xuất đường

 Thiết kế sơ đồ công nghệ điều khiển P&ID Process and Instrument Diagram  Thiết kế các chức năng hệ thống tự động hóa quá trình bốc hơi nước mía  Lập trình chương trình điều khiển, đi

Với sự phát triển của xã hội ngày nay các hệ thống SCADA tự động hóa trong công nghiệp ngày càng xâm nhập vào đời sống con người nhiều hơn Vì vậy, để đáp ứng nhu cầu điều khiển ngày càng cao và chất lượng điều khiển hệ thống là rất quan trọng Ngày nay các hệ thống giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu, hệ thống điều khiển đa cấp được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy, xí nghiệp trên toàn thế giới

Trong quy trình sản xuất của nhà máy mía đường thì quá trình bốc hơi nước mía có vị trí quan trọng trong việc tăng năng suất, hiệu suất của toàn bộ hệ thống Phần nhiều các nhà máy mía đường ở Việt Nam hiện nay còn sử dụng các trang thiết bị lạc hậu, cũ kỹ dẫn đến hiệu quả kinh tế không cao Một số nhà máy được trang bị các thiết bị hiện đại nhưng việc cài đặt, điều khiển, kết nối lại do các chuyên gia nước ngoài đảm nhiệm, chi phí rất lớn Do đó việc người Việt Nam làm chủ được các công nghệ hiện đại, xây dựng hệ thống cho quá trình bốc hơi nước mía nói riêng, cả quy trình sản xuất đường nói chung là rất cần thiết để giảm chi phí, nâng cao hiệu quả kinh tế

Luận văn đưa ra hướng xây dựng hệ thống SCADA cho quá trình bốc hơi nước mía, bao gồm từ việc lựa chọn công nghệ, trang thiết bị, lập trình điều khiển, vận hành và giám sát hệ thống Ngoài ra còn việc xây dựng mô hình ứng dụng, giải quyết được các bài toán tự động hóa điều khiển quá trình, nhiệt độ, mực nước, giám sát và điều chỉnh lưu lượng.

1.2.1 Sự phát triển công nghiệp đường mía trên thế giới Ấn độ là nước đầu tiên trên thế giới biết sản xuất đường từ mía Vào khoảng năm 398 người Ấn Độ và Trung Quốc đã biết chế biến mật đường thành tinh thể Từ đó, kỹ thuật sản xuất đường phát triển sang Ba Tư, Ý, Bồ Đào Nha, đồng thời đưa việc tinh luyện đường thành một ngành công nghệ mới

Lúc đầu công nghiệp đường còn rất thô sơ, người ta ép mía bằng 2 trục gỗ đứng, lấy sức kéo từ trâu bò, lắng trong bằng vôi, cô đặc ở chảo và kết tinh tự nhiên

Công nghiệp đường tuy có từ lâu đời, nhưng 200 năm gần đây mới được cơ khí hóa

Nhiều thiết bị quan trọng được phát minh vào thế kỷ 19 Năm 1813 Howard phát minh nồi bốc hơi chân không nhưng mới chỉ dùng một nồi nên hiệu quả bốc hơi thấp, đến năm 1843 Rillieux cải tiến thành hệ bốc hơi nhiều nồi, nên có thể tiết kiệm được lượng hơi dùng Năm 1837 Pouzolat phát minh ra máy ly tâm, nhưng có hệ thống truyền động ở đáy lấy dịch đường ở trên nên thao tác không thuận tiện Sau đó, năm 1867 Weston cải tiến thành máy ly tâm có hệ thống truyền động ở trên và loại máy này hiện nay đang được sử dụng phổ biến Đến năm 1878 máy sấy thùng quay xuất hiện, 1884 thiết bị kết tinh làm lạnh ra đời

Trong những năm gần đây ngành đường đã phát triển một cách nhanh chóng, vấn đề cơ khí hóa, liên tục hóa và tự động hóa trên toàn bộ dây chuyền sản xuất được áp dụng rông rãi trong các nhà máy đường

1.2.2 Tình hình công nghiệp đường mía của nước ta

Việt Nam là một quốc gia có truyền thống sản xuất đường mía từ lâu đời Cùng với sự phát triển của ngành đường trên thế giới, nghề làm đường thủ công ở nước ta cũng phát triển mạnh

Trong thời kỳ Pháp thuộc, ngành đường nước ta phát triển một cách chậm chạp, sản xuất thủ công là chủ yếu Lúc này ta chỉ có 2 nhà máy đường hiện đại: Hiệp Hòa (miền nam) và Tuy Hòa (miền trung) Theo thống kê năm 1939 toàn bộ lượng đường mật tiêu thụ là 100.000 tấn

Sau ngày hòa bình lập lại, dưới sự lãnh đạo của Đảng, lòng nhiệt tình lao động của nhân dân ta cộng với giúp đở của các nước XHCN ngành đường nước ta ngày càng bắt đầu phát triển Trong những năm 1958 – 1960, chúng ta xây dựng 2 nhà máy đường hiện đại Việt Trì và Sông Lam (350 tấn mía/ngày) và nhà máy đường Vạn Điểm (1.000 tấn mía/ngày)

Khi đất nước thống nhất, chúng ta tiếp tục xây dựng thêm một số nhà máy đường hiện đại ở miền Nam như: nhà máy đường Quảng Ngãi (1.500 tấn mía/ngày), Hiệp Hòa (1.500 tấn mía/ngày), nhà máy đường Phan Rang (350 tấn mía/ngày), 2 nhà máy đường tinh luyện Khánh Hội (150 tấn mía/ngày) và Biên Hòa (200 tấn mía/ngày), gần đây ta xây dưng thêm 2 nhà máy đường mới: La Ngà (2.000 tấn mía/ngày), Lam Sơn (1.500 tấn mía/ngày)

1.2.3 Vấn đề nâng cao hiệu quả sản xuất đường mía

Ngành sản xuất đường cả nước nói chung đang còn gặp nhiều khó khăn Năng suất mía đường thấp, người nông dân hầu như không có lãi Theo đánh giá, sau khi trừ chi phí, người dân chỉ lãi 13.400.000 đồng/ha Giá bán sản phẩm thấp, có những thời điểm bán thấp hơn giá thành sản xuất Lượng đường tồn kho nhiều, chất lượng sản phẩm thấp hơn các nước, tiêu thụ đường ngay trên thị trường nội địa gặp nhiều khó khăn Nhìn sang các nước có ngành sản xuất đường phát triển như Trung Quốc, Thái Lan thậm chí ngay cả Lào, sản xuất mía đường so với sản xuất trong nước vẫn có nhiều điểm khác biệt

Tại các nước trên, diện tích trồng mía được bố trí quy hoạch tại các vùng đất tốt, chủ động được nước tưới, giá vật tư, phân bón thấp nên chi phí cho sản xuất thấp hơn so với trong nước Trong khi đó, năng suất mía đạt 100 – 120 tấn/ha, cao gấp 2,5 lần Việt Nam Đối với công đoạn chế biến, chính phủ các nước đã có chương trình phát triển ngành chế biến mía đường theo hướng đầu tư thiết bị mới, đồng bộ, công nghệ hiện đại nên hiệu suất chế biến cao, chất lượng đường đảm bảo Thực tế trong giai đoạn 1998 - 2002, nhiều doanh nghiệp chế biến đường trong nước đã nhập khẩu các dây chuyền thiết bị cũ, lạc hậu từ các nước Ấn Độ, Trung Quốc Với lợi thế gần như tuyệt đối trong tất cả các khâu từ nguyên liệu, thiết bị, công nghệ sản xuất, mạng lưới kinh doanh… nên việc sản xuất đường các nước hiệu quả hơn sản xuất trong nước và sản phẩm đường của Việt Nam bị cạnh tranh ngay trên sân nhà là tất yếu

Hiện nay Chính phủ đang áp hạn ngạch nhập khẩu đường đồng thời có những chính sách hỗ trợ ngành sản xuất đường trong nước nên các doanh nghiệp sản xuất đường trong nước đang có chỗ đứng Việc hội nhập ngày càng sâu, rộng vào thị trường thế giới thì việc cạnh tranh bình đẳng giữa doanh nghiệp trong và ngoài nước là không tránh khỏi Đến lúc đó khó khăn cho doanh nghiệp trong nước sẽ tăng lên gấp bội Xu thế chung các doanh nghiệp không đổi mới sẽ bị tụt hậu sau thậm chí sẽ bị đào thải

Vấn đề đặt ra là làm thể nào để nâng cao sức cạnh tranh của ngành sản xuất đường trong nước, để người nông dân trồng mía và cả các nhà sản xuất đường đều có lợi nhuận, đảm bảo đầu tư xã hội có hiệu quả Để giải quyết được điều đó cần phải có chiến lược đầu tư đúng đắn trong các công đoạn nguyên liệu, chế biến và tiêu thụ sản phẩm

Trong công đoạn chế biến, vấn đề của các nhà máy đường là thiết bị cũ và không đồng bộ Ví dụ nhà máy đường Sông Lam được thành lập từ những thập kỷ 60 của thế kỷ trước Nhà máy đường Sông Con được lắp mới từ năm 2000 – 2001 nhưng thiết bị cũng không phải là tiên tiến, hiện đại và không đồng bộ Mặc dù đội ngũ cán bộ, công nhân kỹ thuật của 2 nhà máy trên được đánh giá cao nhưng lực bất tòng tâm

Trong khi đó nhà máy đường Tate&Lyle được xây dựng từ năm 1998, thiết bị đồng bộ, hiện đại vào loại nhất cả nước Nhà máy này tự động hóa hầu như tất cả các công đoạn Công ty lại áp dụng các chương trình quản lý chất lượng ISO, HACCP nên đội ngũ cán bộ công nhân viên vận hành chuyên nghiệp, tính kỷ luật rất cao Để sản xuất hiệu quả, sản phẩm có tính cạnh tranh trên thị trường, các doanh nghiệp cần có phương án đầu tư thay đổi thiết bị công nghệ Với những công nghệ sản xuất cũ, không phù hợp sản xuất sản phẩm kém hoặc thiếu tính cạnh tranh cần mạnh dạn loại bỏ, đầu tư thay thế Các doanh nghiệp cần phải xác định để sản xuất sản phẩm chất lượng, đạt hiệu quả sản xuất, sản phẩm có tính cạnh tranh trên thị trường thì yếu tố thiết bị, công nghệ cần được chú trọng.

Như vậy việc ứng dụng các công nghệ, trang thiết bị hiện đại có ý nghĩa to lớn đối với sự tồn tại của công nghiệp đường mía Hiện nay trên thế giới có nhiều giải pháp được đưa ra nhằm hiện đại hóa toàn bộ quy trình sản xuất đường mía Ví dụ: tự động hóa tích hợp toàn diện (TIA)/ Năng lượng tích hợp toàn diện (TIP)/ Hệ điều khiển quá trình PCS7, Mô-đun Tự động hóa, Hệ truyền động cho máy li tâm, Thiết bị đo lường, và các giải pháp chuyên biệt cho nhà đường, và mô hình PCS7 cho điều khiển nồi nấu mẻ, đây là các giải pháp và công nghệ cho ngành công nghiệp đường của Siemens

Trong phạm vi quá trình bốc hơi nước mía thì việc thay thế các thiết bị lạc hậu, hiệu năng thấp bằng thiết bị hiện đại, mức độ tự động hóa dễ dàng là một bước tiến trong việc tăng năng suất, giảm chi phí sản xuất đường Quá trình bốc hơi sử dụng các thiết bị cũ như ống trùm, thiết bị cô đặc tuần hoàn với nhiều nhược điểm được thay thế bằng thiết bị bốc hơi dạng tấm với những ưu điểm như: hệ thống lắp đặt nhỏ gọn, hiệu suất cao, ít mất đường, màu đường đẹp

Các nhà máy sản suất mía đường trên thế giới chẳng hạn như Pháp, Nam Phi… sử dụng công nghệ bốc hơi dạng tấm Việc làm này mang lại hiệu quả kinh tế rất cao

Hiện tại các nhà máy sản xuất mía đường ở Việt Nam đại đa số là bốc hơi dạng ống chùm, bán tự động chẳng hạn : nhà máy đường Biên Hòa 2 tại Tây Ninh, nhà máy đường KPC ở Phú Yên Chỉ có 1 vài nhà máy như : Bourbon Tây Ninh, nhà máy mía đường Cam Ranh là sử dụng hệ thống bốc hơi dạng tấm Điều đáng quan tâm ở đây là: hệ thống được thiết kế, xây dựng và vận hành đều được thực hiện bởi nước ngoài Giá thành dự án lên rất cao, chúng ta không làm chủ được công nghệ.

Việc xây dựng hệ thống bốc hơi dạng tấm cho nhà máy mía hoàn toàn do chính người Việt Nam thiết kế, thi công lắp đặt và vận hành đang là nhu cầu của nhiều nhà máy (Ví dụ nhà máy đường Lam Sơn – Thanh Hóa) Điều này đã làm giảm đáng kể giá thành so với việc hệ thống được xây dựng bởi các chuyên gia nước ngoài

Từ việc tự động hóa quá trình bốc hơi tiến tới tự động hóa toàn bộ qui trình sản xuất mía đường là nhu cầu cần thiết và cấp bách đối với ngành mía đường Việt Nam nhằm tăng năng suất và giảm giá thành của sản phẩm

Nội địa hóa công nghệ nhằm giảm chi phí đầu tư là điều cần thiết vừa làm chủ công nghệ, vừa giảm nhập siêu.

 Thiết kế lưu đồ thuật toán điều khiển cho hệ thống bốc hơi

 Lập trình ứng dụng PLC phù hợp lưu đồ thuật toán điều khiển

 Lập trình, cấu hình hệ thống SCADA

 Thử nghiệm và đưa vào vận hành hệ thống

 Thiết kế, xây dựng hệ thống bốc hơi thực tế cho nhà máy - Tìm hiểu hệ thống

- Thiết kế lưu đồ giải thuật - Lập trình PLC

- Lập trình hệ thống giám sát - Khảo sát thực tế nơi tiến hành thi công

- Đưa hệ thống vào vận hành

 Xây dựng mô hình ứng dụng, thể hiện được cách giải quyết các bài toán tự động hóa điều khiển quá trình, nhiệt độ, mực nước, giám sát và điều chỉnh lưu lượng.

Để thực hiện được các nội dung đề tài đưa ra cần giải quyết được các vấn đề sau:

 Tìm hiểu quy trình công nghệ sản xuất đường nói chung, tìm hiểu sâu về quá trình bốc hơi nước mía nói riêng Đây là vấn đề tương đối khó khăn vì nhà máy đường rất lớn, bao gồm nhiều quá trình khác nhau Tác giả đã thực hiện bằng cách tìm hiểu quy trình, trang thiết bị tại nhà máy đường Bourbon Tây Ninh

 Thiết kế, xây dựng hệ thống bốc hơi và phải kiểm nghiệm kết quả đạt được thực tế tại nhà máy Vấn đề này được tác giả thực hiện bằng cách tham gia dự án

“Tự động hóa hệ thống bốc hơi nước mía” cho nhà máy đường Lam Sơn Thanh

 Xây dựng mô hình ứng dụng thể hiện được cách giải quyết các bài toán tự động hóa điều khiển quá trình, nhiệt độ, mực nước, giám sát và điều chỉnh lưu lượng Để giải quyết vấn đề này cần thời gian nhiều để xây dựng mô hình, trang thiết bị nhiều và đắt tiền.

Các bàn lật xe tải mía sẽ tiếp nhận xe tải mía và lật xe để đưa mía vào băng tải, từ đây mía được nạp vào thiết bị nghiền (búa đập).

Sản phẩm thu được sau búa đập tiếp tục đưa lên băng tải để chuyển đến che ép

Nhiệm vụ chính cúa che ép mía là thu hồi nước mía và làm khô bã mía để chuyển qua lò hơi làm nhiên liệu đốt cung cấp năng lượng nhiệt chạy Turbin sản xuất điện Phần nước mía trích ly sẽ được bơm chuyển đến khu vực làm sạch (Hệ thống xử lý tạp chất nước mía ).

Vì nước mía có chứa nhiều tạp chất (đất cát, bã nhuyễn, các chất hữu cơ, ) nên phải được làm sạch trước khi cô đặc Công nghệ truyền thống sử dụng gia nhiệt, gia vôi để tạo kết tủa lôi kéo các tạp chất nói trên và lắng tụ trong thiết bị lắng Nước mía sau khi được xử lý như vậy gọi là nước chè trong ) cần thiết cho thiết bị cô đặc tiếp theo.

Nước chè trong có nồng độ sacharose thấp (Brix khoảng 12% - 15% ) sẽ được bơm liên tục đến hệ thống bốc hơi để lấy đi 80% lượng nước để đạt Brix 65% Đây là nồng độ thích hợp để tiến hành nấu đường (tạo tinh thể sacharose).

Siro là nguyên liệu chính cho các nồi nấu đường Các nồi nấu đường cô đặc siro đến mức quá bão hòa để sinh hạt tinh thể nuôi lớn chúng đến kích thước đủ cho ly tâm tách hạt Hạt tinh thể sau ly tâm ở giai đoạn này còn được gọi là đường thô

Trong đường thô vẫn còn chứa một lượng tạp chất và màu nhất định Tùy theo chiến lược sản phẩm của từng nhà máy Đường thô này có thể sẽ trở thành sản phẩm cuối cùng để đưa ra thị trường, nếu không như thế đường thô này sẽ được tinh chế thêm để đạt độ trắng và độ sạch cần thiết theo tiêu chuẩn của đường trắng tinh luyện.

Tinh thể đường thô sẽ được hòa tan bằng nước nóng và hơi nước (hồi dung) trở thành liquor Liquor trong sẽ được nạp vào các nồi nấu gián đoạn để cô đặc và sinh ra tinh thể đường trắng Hỗn hợp liquor tinh thể sau khi nấu được gọi là đường non tinh luyện sẽ được ly tâm để phân ly hạt đường trắng và mật Đường trắng lúc này đã đạt độ sạch và màu để trở thành đường tinh luyện

Đường tinh luyện sau ly tâm vẫn còn ẩm sẽ được sấy khô đủ để lưu trữ trong các silo chứa và đưa vào đóng gói theo nhu cầu.

Hình 2 Vị trí của bốc hơi trong công nghệ sản xuất đường

 Là trạm ngưng tụ hơi thoát từ Turbine : Hơi thoát từ Turbine sẽ được ngưng tụ và hồi lưu về lò, tạo ra chu trình kín nước sử dụng cho lò hơi (lưu chất tải nhiệt)

 Chế biến nước chè trong (clear juice) thành Syrup:

Nước chè trong sau quá trình trích ly mía cây có độ Brix thấp (12%) không phù hợp để chế biến thành đường tinh thể Hệ thống bốc hơi sẽ lấy đi 80% lượng nước của nước chè trong và dịch lỏng ra khỏi bốc hơi sẽ có brix là 65% phù hợp cho quá trình chế luyện đương tinh thể Dịch lỏng này được gọi là Syrup (sirô)

 Tạo nguồn năng lượng dưới dạng hơi thứ:

80% lượng nước lấy đi từ nước chè trong ở dạng hơi (được gọi là hơi thứ hoặc hơi chiết) có nhiệt độ từ 600C đến 1000C vẫn còn nhiệt năng sẽ được tận thu làm nguồn nhiệt sử dụng cho nhiều thiết bị chế luyện ví dụ như các thiết bị gia nhiệt nước mía trong khu vực làm sạch nước mía, các thiết bị kết tinh đường thô, đường luyện, thiết bị hóa chế luyện, ly tâm, hồi dung,…

 Tạo nguồn nước nóng rất cần thiết cho các công đoạn chế biến:

80% lượng nước lấy đi từ nước chè trong ở dạng hơi như đã đề cập bên trên sẽ được ngưng tụ sau khi truyền nhiệt và trở thành nguồn nước nóng chủ lực cho các khâu chế biến quan trọng như kết tinh đường, hồi dung đường thô, rửa hạt trong máy ly tâm,…

2.3.1 Yêu cầu chung của thiết bị bốc hơi

 Nước mía lưu lại trong nồi với thời gian ngắn nhất

 Thiết bị giản đơn, diện tích đốt dễ làm sạch và dễ thay đổi

 Khoảng không gian nước mía cần nhỏ nhất, không có khoảng không “ chết “

 Thao tác, khống chế giản đơn, tự động hóa dễ dàng Ở nhà máy đường thiết bị bốc hơi gồm : phòng đốt, phòng bốc hơi, thiết bị thu hồi đường, ống nước mía chảy vào, ống thoát khí không ngưng, ống thoát nước ngưng tụ, … Kích thước đường kính và chiều cao của thiết bị phụ thuộc vào năng suất sản xuất và kích thước diện tích truyền nhiệt

2.3.2 Bốc hơi dạng ống chùm (Tubular Evaporator)

Hình 3 Bốc hơi dạng ống chùm Nước chè trong (clear juice) sau khi trích ly có độ brix thấp (12%) được đưa vào chảy các ống chứa trong buồng nhiệt Nhiệt năng trong buồng nhiệt được cung cấp từ hơi thoát (Exhausted steam từ turbin đưa tới ) đối với hiệu 1, từ hơi thứ đối với hiệu còn lại Trong quá trình chảy trong ống, nước chứa trong nước chè trong được tách ra nhờ nhiệt độ cao của buồng nhiệt Vì vậy độ Brix nước chè trong sau khi ra khỏi buồng nhiệt tăng lên

2.3.2.1.Thiết bị cô đặc ống chùm thẳng đứng

1 Ống nước mía vào 2 Ống thóat nước ngưng 3 Ống hơi đốt

4 Ống truyền nhiệt 5 Ống tuần hòan 6 Bộ phận thu hồi đường 7 Ống hơi thứ chảy ra 8 Ống chảy về

9 Kính nhìn 10 Ống nước mía ra 11 Thóat không khí ngưng

Hình 4 Thiết bị cô đặt ống chùm thẳng đứng Diện tích đốt gồm những ống truyền nhiệt thẳng đứng Hơi đốt đi vào bộ phận dưới gọi là phòng đốt Nước mía đi trong ống truyền nhiệt, hơi đi ngoài ống Sau khi cấp nhiệt, hơi ngưng tụ thành nước, tháo ra ở đáy phòng đốt Ở giữa diện tích đốt có ống tuần hoàn ( đường kính là 250 – 500mm ) Do sự chênh lệch nhiệt độ giữa ống tuần hoàn và ống truyền nhiệt tạo nên đối lưu trong thiết bị

Tất cả các lọai thiết bị bốc hơi đều làm việc liên tục, nước mía trong không ngừng chảy vào thiết bị, mật chè chảy ra liên tục Hơi thứ ở phòng bốc hơi, sau khi đi qua bộ phận thu hồi đường, theo ống hơi đi cung cấp cho các bộ phận khác, hoặc đi vào thiết bị ngưng tụ ( hiệu cuối ), còn nước đường thu hồi chảy vào trong thiết bị

Trên thân thiết bị lắp kính nhìn để xem mức dung dịch trong thiết bị, ngoài ra còn áp kế, nhiệt kế … Bộ phận kính dùng xem mức dung dịch rất quan trọng vì năng suất bốc hơi phụ thuộc chiều cao mức dung dịch trong thiết bị Mức nước trong ống thủy tinh nên duy trì thấp một ít nhưng phải đảm bảo mức dung dịch trong thiết bị cao hơn bề mặt đốt Độ cao trong ống thủy tinh cần đạt khoảng 1/3 độ cao của ống truyền nhiệt

Lúc dung dịch đường ít, phần trên bề mặt đốt không bị ngập, sẽ có tác hại giảm hiệu năng bốc hơi và tạo thành caramen Nếu mức dung dịch đường trong ống quá cao sẽ giảm tốc độ tuần hoàn dẫn đến sự truyền nhiệt tốt, cũng ảnh hưởng đến năng suất bốc hơi

2.3.2.2 Thiết bị cô đặc tuần hoàn đơn

1 Ống nước mía vào 2 Ống tháo nước ngưng 3 Phễu

4 Ống thóat khí không ngưng 5 Bộ phận thu hồi đường 6 Ống chảy về

7 Kính nhìn 8 Ống truyền nhiệt 9 Giá đỡ

10 Ống tháo nước mía ra

Hình 5 Thiết bị cô đặt tuần hòan đơn Về cấu tạo, tương tự loại trên nhưng ống truyền nhiệt tương đối dài Ở phía trên ống tuần hoàn có lắp chiếc phễu hình thang để hướng dung dịch đường vào ống và tháo dung dịch đường ra, tạo điều kiện cho phần lớn dung dịch chỉ đi qua ống truyền nhiệt một lần

Khi có một phần dung dịch đường không thoát ra kịp vào hiệu sau thì giữa ống tuần hoàn và ống tháo dung dịch còn có khoảng trống để dung dịch đường trở lại theo ống tuần hoàn

 Khuyết điểm của bốc hơi dạng ống chùm :

- Nước mía tuần hòan lưu lại lâu nên tạo nhiều màu làm cho quá trình xử lý màu phức tạp

- Do lưu lại lâu trong môi trường nhiệt độ cao ( >1000C ) nên Sacaroza sẽ bị chuyển hóa thành đường khử (không kết tinh được) tạo hiệu suất thu hồi thấp hơn

- Cùng năng suất thì hệ thống yêu cầu không gian lắp đặt lớn

Hình 6 Cấu tạo tấm bốc hơi

Hình 7 Tấm bốc hơi và kết nối thành cassette Juice Inlet

Juice outlet + Vapour Steam inlet

Hình 8 Cassette được kết nối vào hệ thống

Hình 9 Quá trình bốc hơi trong cassette Thiết bị bốc hơi (Cassette) gồm các tấm bốc hơi ghép lại với nhau Nước chè trong và hơi vắt kiệt được đưa vào cassette hiệu 1 Nước trong nước chè trong được bốc hơi nhờ hơi vắt kiệt Bề mặt tấm bốc hơi có các đường tạo dòng chảy rối nhằm tăng hiệu suất truyền nhiệt, tránh chảy cục bộ Đầu ra của cassett là nước chè trong có độ brix cao hơn đầu vào

 Ưu điểm bốc hơi dạng tấm

- Khắc phục những nhược điểm của bốc hơi dạng ống chùm

- Khỏang không gian cho hệ thống cùng công suất nhỏ hơn nhiều so với bốc hơi dạng ống chùm

- Thời gian lưu lại của nước chè trong cassette ngắn hơn (vì hiệu suất truyền nhiệt tốt hơn ) nên chuyển hóa saccharose thành đường khử ít hơn, do đó ít mất đường hơn Mặt khác màu siro về lý thuyết sẽ sáng hơn

 Khuyết điểm bốc hơi dạng tấm :

- Đầu tư ban đầu đắt hơn dạng bốc hơi ống chùm

- Hệ thống vệ sinh cáu cặn phức tạp hơn và kém hiệu quả hơn

Việc lấy đường từ nước mía trong được tiến hành theo hai giai đoạn: cô đặc nước mía ở thiết bị cô đặc (bốc hơi) thành mật chè và nấu mật chè ở thiết bị nấu chân không

Nhiệm vụ của hệ cô đặc là bốc hơi nước mía có nồng độ 13 – 18 Bx (Brix) đến mật chè nồng độ 60 – 65 Bx Nếu cô đặc nước mía đến nồng độ chất khô quá cao ( ví dụ > 70 Bx ) sẽ xuất hiện tinh thể không mong muốn trước khi nấu đường

Tính lượng nước bốc hơi theo công thức sau đây:

W – lượng nước bốc hơi so với mía, % c1- nồng độ chất khô của nước chè trong, Bx c2 – nồng độ chất khô của mật chè, Bx

G – trọng luợng nước chè trong so với mía, %

Nếu bốc hơi nước chè trong từ 15 Bx lên 60 Bx thì lượng nước bốc hơi:

2.4.2 Lượng nhiệt dùng bốc hơi : gồm

 Lượng nhiệt cần thiết để đưa nước chè trong đến trạng thái sôi:

G - trọng lượng nước chè trong so với mía, % t2 – nhiệt độ sôi của nước chè trong, 0 C t1 – nhiệt độ nước chè trong vào bốc hơi, 0 C C – nhiệt dung riêng nước chè trong, J/kg độ

 Lượng nhiệt cần để bốc hơi:

W – lượng nước bốc hơi so với nước, % r – Ẩn nhiệt hóa hơi của nước J/kg

Tổng nhiệt lượng cần dùng:

  : hệ số bốc hơi Nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh phụ thuộc vào chất lượng của chất cách nhiệt, thường lấy từ 3 – 10% so với lượng hơi dùng

Trong trường hợp bốc hơi một nồi, để bốc hơi nước chè trong từ 15 Bx lên 60 Bx, tức là bốc hơi 75% nước so với mía, tiêu hao một lượng hơi 75% so với mía, có nghĩa cứ bốc hơi 1kg nước thì tiêu hao 1kg hơi

Trong nhà máy đường hiện đại, dùng hệ bốc hơi nhiều hiệu để cô đặc nước chè trong Hơi thứ của nồi bốc hơi được dùng làm hơi đốt Hơi thứ hiệu I dùng làm hơi đốt cho hiệu II, hơi thứ hiệu II làm hơi đốt cho hiệu III, hơi thứ hiệu III làm hơi đốt cho hiệu IV, hơi thứ hiệu IV ( hiệu cuối ) có thể dùng đun nóng nước chè trong hoặc trực tiếp đi vào thiết bị ngưng tụ Nước chè trong qua mỗi hiệu đều bốc hơi một phần nước, nồng độ nước chè trong tăng dần lên

Hình 10 Hệ thống bốc hơi sử dụng hơi thứ Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt ở các hiệu là phải có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch đường tức là sự chênh lệch áp suất của hơi đốt và hơi thứ trong các hiệu Áp suất trong các hiệu giảm dần từ hiệu đầu đến hiệu cuối Hệ cô đặc nhiều nồi mang lại hiệu quả kinh tế cao trong việc sử dụng hơi thứ

Khi cô đặc một nồi, cứ bốc hơi 1kg nước tiêu hao 1kg hơi Với hệ cô đặc 4 hiệu, lượng hơi tiêu hao chỉ 75% : 4 = 18,75% so với mía, hệ cô đặc 5 hiệu 75% : 5 15% Nhưng từ hiệu I sang hiệu II, lượng hơi tiết kiệm được nhiều nhất khoảng 50%, từ hiệu II sang hiệu III lượng hơi chỉ giảm hơn 10% … Việc thiết kế thêm một nồi cô đặc, lượng hơi tiết kiệm không nhiều nhưng hiệu số nhiệt độ có ích giữa các hiệu giảm, tăng vốn đầu tư, tăng chi phí khấu hao mòn, thao tác và quản lý phức tạp Vì vậy, trong nhà máy đường thường dùng hệ cô đặc 3-5 hiệu nhưng hệ cô đặc 4 hiệu là thích hợp nhất

2.4.3 Lượng hơi tiêu hao của hệ cô đặc nhiều hiệu

Tổng lượng hơi tiêu hao được tính theo công thức ( 2.1 ).Giả sử nước mía cho vào cô đặc ở trạng thái sôi, bỏ qua lượng hơi tự bốc khi nước chè trong chảy từ hiệu trước sang hiệu sau và tổn thất bức xạ thì lượng nước bốc hơi và lượng hơi tiêu hao của của các hiệu được tính theo phương pháp sau :

Trong hệ cô đặc n hiệu lượng hơi tiêu hao để đun sôi nước chè trong tính bằng lượng nước bốc hơi của hiệu I:

Nếu ở hiệu I hút E1 kg hơi thứ thì lượng nước bốc hơi hiệu II:

W  D  E (2.7) Ở hiệu II, rút lượng hơi thứ E2 thì lượng nước bốc hơi ở hiệu III:

Theo cách tính trên lượng nước bốc hơi ở hiệu thứ n:

Lượng nước bốc hơi của n hiệu:

Do đó lượng hơi cần cho bốc hơi:

2.4.4 Sử dụng hơi thứ của hiệu cuối

Từ công thức ( 2.11) Thay trị số D1 vào công thức ( 2.9 ) có thể tính lượng nước bốc hơi ở hiệu cuối:

Giả sử ở hiệu cuối không hút hơi thứ tức En = 0 thì có thể tính lượng hơi tổn thất vào thiết bị ngưng tụ Dk = Wn Nếu xuất phát từ bản thân hệ cô đặc dùng hơi mà xét, thì khi hút hơi thứ ở các hiệu, lượng hơi tiêu hao tăng lên

Trường hợp không hút hơi thứ, lượng hơi tiêu hao sẽ là: D ' 1 W

Trường hợp hút hơi thứ, lượng hơi tiêu hao là:

Khi xét lượng hơi dùng cho toàn nhà máy, nếu không dùng hơi thứ của hệ cô đặc và các bộ phận khác ( như nấu đường, đun nóng nước mía … ) mà dùng hơi từ lò hơi hoặc tuốc-bin thì tổng lượng hơi tiêu hao là:

W E E E E n      Do đó lúc hút hơi thứ dùng, lượng hơi từ toàn nhà máy tiết kiệm được:

 Ví dụ, có hệ cô đặc 4 hiệu, bíết E 1 = 16%, E 2  14%, E 3  5% thì lượng hơi tiết kiệm được:

Hình 11 Sơ đồ nguyên lý quá trình bốc hơi Hệ thống bốc hơi chia làm 4 hiệu : hiệu 1: 6 cassette, hiệu 2 : 4 cassette, hiệu 3 : 3 cassette và hiệu 4 : 3 cassette

Nước chè trong sau khi gia nhiệt đựợc đưa vào hiệu 1 sẽ bốc hơi khi nhận nhiệt năng của hơi thoát

Tại hiệụ 1 một phần nước của nước chè trong được tách ra, độ Brix được nâng lên Quá trình bốc hơi được tiếp tục thực hiện qua hệ 2, 3 và 4 Xét cho từng hiệu, nhiệt độ hơi bốc ra từ nước chè luôn thấp hơn hơi đun, do đó nhiệt độ hơi thứ và nhiệt độ nước chè sẽ giảm dần qua mỗi hiệu Tại hiệu cuối nhiệt độ nước chè (sirô) khoảng 45 0 C Ở nhiệt độ này để bốc hơi được (quá trình sôi) thì áp suất phải thấp hơn khí quyển do đó thiết bị tạo chân không được sử dụng - Cột Barrometer

Nguyên lý tạo chân không : nước lạnh được bơm phun liên tục vào cột Barrometer sẽ làm ngưng tụ hơi thứ bốc ra của hiệu cuối , quá trình ngưng tụ này sẽ tạo ra chân không

Nước chè trong sau khi qua 4 hiệụ độ Brix tăng lên (65%) được gọi là si-rô và sẽ làm nguyên liệu cho dây chuyền kết tinh (nấu đường)

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT 3.1 Thiết kế sơ đồ công nghệ P&ID (Process and Instrument Diagram)

Hình 12 sơ đồ công nghệ P&ID

Bảng 1: Thông kế thiết bị Input / Output

Name Address Digital Analog SCADA Đường dẫn

IN OUT IN OUT T/F AI/O Từ Đến

Trạng thái Contactor bơm tuần hoàn số 1 D4C1-FS I0.4 1 MCC PLC Contact AUTO/MANUAL bơm tuần hoàn số

Tín hiệu chạy bơm tuần hoàn số 1

Lệnh START/STOP bơm tuần hoàn số 1 từ

Lưu lượng Clear juice FIC-2 PIW524 1 FIELD PLC

Tín hiệu điều khiển van lưu lượng Clear juice PQW524 1 PLC FIELD

Mức sirô LIC-D4a PIW526 1 FIELD PLC

Tín hiệu điều khiển van mức sirô PQW526 1 PLC FIELD

Brix siroâ BXIC-1 PIW546 1 FIELD PLC

Tín hiệu đóng mở van nước nóng XV001 Q4.1 1 PLC FIELD

Aùp suất hơi VE vào

Tín hiệu điều khiển van Aùp suất hơi VE vào PQW534 1 PLC FIELD

Aùp suất hơi giảm áp vào (30->1.5 kgf/cm2) PIC-21 PIW590 1

Aùp suất hơi V1 qua nấu đường PIC-22 PIW536 1 FIELD PLC

Tín hiệu điều khiển van Aùp suất hơi V1 qua nấu đường PQW536 1 PLC FIELD

Lưu lượng tuần hoàn casette số 1 FIC-11 PIW554 1 FIELD PLC Lưu lượng tuần hoàn casette số 2 FIC-12 PIW556 1 FIELD PLC Lưu lượng tuần hoàn casette số 3 FIC-13 PIW558 1 FIELD PLC Lưu lượng tuần hoàn casette số 4 FIC-14 PIW560 1 FIELD PLC Lưu lượng tuần hoàn casette số 5 FIC-15 PIW562 1 FIELD PLC Lưu lượng tuần hoàn casette số 6 FIC-16 PIW564 1 FIELD PLC

Aùp suất hơi V2 PI-D5a PIW538 1 FIELD PLC

Lưu lượng tuần hoàn casette số 1 FIC-21 PIW566 1 FIELD PLC Lưu lượng tuần hoàn casette số 2 FIC-22 PIW568 1 FIELD PLC Lưu lượng tuần hoàn casette số 3 FIC-23 PIW570 1 FIELD PLC Lưu lượng tuần hoàn casette số 4 FIC-24 PIW572 1 FIELD PLC

Lưu lượng tuần hoàn casette số 1 FIC-31 PIW574 1 FIELD PLC Lưu lượng tuần hoàn casette số 2 FIC-32 PIW576 1 FIELD PLC Lưu lượng tuần hoàn casette số 3 FIC-33 PIW578 1 FIELD PLC

Trạng thái Contactor bơm tuần hoàn số 1 D7C1-FS I2.2 1 MCC PLC

Trạng thái Contactor bơm tuần hoàn số 2 D7C2-FS I2.4 1 MCC PLC

Trạng thái Contactor bơm trích ly số 1 D13A-FS I2.6 1 MCC PLC

Tín hiệu chạy bơm trích ly số 1

Trạng thái Contactor bơm trích ly số 3B D13B-FS I3.0 1 MCC PLC

Tín hiệu chạy bơm trích ly số 2

Chaân khoâng PIC-D8a PIW540 1 FIELD PLC

Tớn hieọu ủieàu khieồn van chaõn khoõng PQW538 1 PLC FIELD

Lưu lượng tuần hoàn casette số 1 FIC-41 PIW580 1 FIELD PLC Lưu lượng tuần hoàn casette số 2 FIC-42 PIW582 1 FIELD PLC Lưu lượng tuần hoàn casette số 3 FIC-43 PIW584 1 FIELD PLC

Nhiệt độ Rawê Juice (C-3-1) TIC-C-3 PIW512 1 FIELD PLC

Van nhiệt độ Gia nhiệt số 1 (C-3-1) PQW512 1 PLC FIELD

Nhiệt độ Rawê Juice(C-3-3) TIC-1 PIW514 1 FIELD PLC

Nhiệt độ Limed Juice (C-7-3) TIC-2 PIW516 1 FIELD PLC

Nhiệt độ Clear Juice(D-3-1) TIC-3 PIW522 1 FIELD PLC

Van nhiệt độ Gia nhiệt số 3 (D-3-1) PQW522 1 PLC FIELD

Lưu lượng Raw Juice FIC-1 PIW542 1 FIELD PLC

Van Lưu lượng Raw Juice PQW540 1 PLC FIELD

Mức Raw Juice LIC-C1 PIW586 1 FIELD PLC

Mức Limed Juice LIC-C5 PIW588 1 FIELD PLC

Mức Clear Juice LIA-C11 PIW520 1 FIELD PLC pH Limed Juice pHI-1 PIW518 1 FIELD PLC

Van lưu lương sữa vôi PQW542 1 PLC FIELD

Tín hiệu đóng mở van nước nóng vào bồn

Clear juice XV008 Q4.5 1 PLC FIELD

Raw juice Pump1 C2A I4.2 1 FIELD PLC

Tín hiệu chạy Raw juice Pump1 Q4.6 1 PLC MCC

Raw juice Pump2 C2B I4.1 1 FIELD PLC

Limed juice Pump1 C6A I4.4 1 FIELD PLC

Tín hiệu chạy Limed juice Pump1 Q4.7 1 PLC MCC

Limed juice Pump2 C6B I3.7 1 FIELD PLC

Clear juice Pump1 C12A I0.0 1 FIELD PLC

Tín hiệu chạy Clear juice Pump1 Q0.0 1 PLC MCC

Clear juice Pump2 C12B I0.2 1 FIELD PLC

Tín hiệu chạy Clear juice Pump2 Q0.1 1 PLC MCC

Nút nhấn tắt còi báo động

 Hệ thống gia nhiệt và gia vôi: gồm có:

- 01 van tự động ( FIC-1 ) dùng để điều khiển lưu lượng nước chè thô vào gia nhiệt nước chè thô

- 01 bồn nước chè thô với 01 đầu dò đo mực ( LIC-C1 ) và 02 bơm nước chè thô ( RAW_JUICE_P1 và RAW_JUICE_P2 )

- 03 gia nhiệt nước chè thô Gia nhiệt 1 và 2 được trang bị 01 van tự động ( TIC-C-3 ) dùng để điều khiển nhiệt độ nước chè sau gia nhiệt Gia nhiệt số 3 được trang bị 01 van hơi tự động ( TIC-1 ) để điều khiển nhiệt độ nước chè sau gia nhiệt số 3

- 01 bồn nước chè vôi hóa với 01 đầu dò đo mực ( LIC-C5 ) và 02 bơm nước chè vôi hóa ( LIMED_JUICE_P1 và LIMED_JUICE_P2 )

- 03 gia nhiệt nước chè vôi hóa 01 van tự động hơi V1 ( TIC-2 ) để điều khiển nhiệt độ nước chè vôi hóa sau khi ra khỏi 03 gia nhiệt này

- 01 Flash tank, 01 máy lắng, 01 bồn chè trong cùng với 02 bơm nước chè trong ( CLEAR_JUICE_P1 và CLEAR_JUICE_P2 ) và 01 đầu dò đo mực ( LIA-C11 )

- 01 van tự động ( FIC-2 ) để điều khiển lưu lượng nước chè trong vào bốc hơi

- 01 gia nhiệt nước chè trong Gia nhiệt này được trang bị 01 van tự động hơi VE ( TIC-3 ) dùng để điều khiển nhiệt độ nước chè trong vào bốc hơi

- 01 van tự động nước nóng ( XV008 ) nhằm cấp thêm nước nóng cho bồn chè trong khi mực bồn chè trong thấp

 Hệ thống bốc hơi gồm có:

- Hiệu 1 có 06 cassette cùng với 06 lưu lượng tuần hoàn ( FIC-11, FIC-12, FIC-13, FIC-14, FIC-15, FIC-16 ) tương ứng cho mỗi cassette, 01 đầu đo Brix ( BXIC-1 ) và 01 đầu đo mực hiệu 1 ( LT001 )

- Hiệu 2 có 04 cassette cùng với 04 lưu lượng tuần hoàn ( FIC-21, FIC-22, FIC-23, FIC-24 ) tương ứng cho mỗi cassette, 01 đầu đo Brix (BXIC-2 ) và 01 đầu đo mực hiệu 2 ( LT002 )

- Hiệu 3 có 03 cassette cùng với 03 lưu lượng tuần hoàn ( FIC-31, FIC-32, FIC-33 ) tương ứng cho mỗi cassette, 01 đầu đo Brix (BXIC-3 ) và 01 đầu đo mực hiệu 3 ( LT003 )

- Hiệu 4 có 03 cassette cùng với 03 lưu lượng tuần hoàn ( FIC-41, FIC-42, FIC-43 ) tương ứng cho mỗi cassette, 01 đầu đo Brix (BXIC-4 ) và 01 đầu đo mực hiệu 4 ( LT004 )

- 01 van tự động hơi VE ( PIC-D41/42 ) dùng để điều khiển áp suất hơi VE vào hiệu 1 bốc hơi

- 01 van tự động hơi V1 ( PIC-22 ) dùng để điều khiển áp suất hơi V1 đi nấu đường

- 01 van tự động chân không ( PIC-D8a ) dùng để điều khiển chân không hiệu 4 bốc hơi

- 01 van tự động ( LIC-D4a ) giữa hiệu 1 và hiệu 2

- 01 van tự động ( LIC-D7a ) ra khỏi hiệu 4 đến bồn si rô

- 04 van nước nóng ( XV001, XV002, XV003, XV004 ) tương ứng cho hiệu 1, hiệu 2, hiệu 3, hiệu 4 dùng để cấp thêm nước nóng cho bốc hơi

- 03 bơm tuần hoàn cho hiệu 1 bốc hơi ( EEF1_P1, EEF1_P2, EEF1_P3 )

- 02 bơm tuần hoàn cho hiệu 2 bốc hơi ( EEF2_P1, EEF2_P2 )

- 02 bơm si rô ( EEF4_P3A, EEF4_P3B ) dùng để bơm si rô từ hiệu 4 bốc hơi đi đến bồn si rô

3.3.2.1.Hệ thống gia nhiệt và gia vôi:

- Khi lưu lượng nước chè thô tăng dần thì van tự động điều khiển lưu lượng nước chè thô ( FIC-1 ) đóng dần và ngược lại

- Khi nhiệt độ nước chè thô ra khỏi gia nhiệt 1 hoặc 2 tăng dần thì van tự động điều khiển nhiệt độ nước chè thô ( TIC-C-3 ) đóng dần và ngược lại

- Khi nhiệt độ nước chè thô ra khỏi gia nhiệt 3 tăng dần thì van tự động điều khiển nhiệt độ nước chè thô ( TIC-1 ) đóng dần và ngược lại

- Van tự động điều khiển lưu lượng vôi vào lắng ( FIC-C-4-6 ) đóng dần khi lưu lượng vôi tăng dần Giá trị cài đặt cho lưu lượng vôi này là kết quả của hàm tính toán sau:

F4(SV) = A* F1 (PV) – B* pH (PV) - Trong đó:

- F1 (PV) : Lưu lượng nước chè thô - pH (PV) : Giá trị pH nước chè gia vôi - A,B : Hai tham số điều chỉnh

- Van nước nóng ( XV008 ) cấp thêm cho bồn nước chè trong khi mực nước ( LIA-C11 ) trong bồn thấp hơn 20%

- Khi nhiệt độ nước chè trong tăng dần thì van tự động điều khiển nhiệt độ nước chè trong ( TIC-3 ) đóng dần và ngược lại Van này sẽ đóng về 0% ngay lập tức khi lưu lượng nước chè trong thấp hơn 60 m3/h

- Khi áp suất hơi VE vào bốc hơi tăng dần thì van điều khiển áp suất hơi VE vào bốc hơi ( PIC-D41/42 ) đóng dần và ngược lại

- Khi áp suất hơi V1 đi nấu đường tăng dần thì van điều khiển áp suất hơi V1 đi nấu đường ( PIC-22 ) đóng dần và ngược lại

- Các van nước nóng XV001, XV002, XV003, XV004 tương ứng vào các hiệu 1,2,3,4 bốc hơi sẽ tự động mở 100% khi mực nước trong các hiệu này thấp hơn 20% hoặc nhân viên vận hành tự mở

- Lưu lượng tuần hoàn của một cassette nào đó sẽ báo lỗi khi mà lưu lượng tuần hoàn của cassette đó nhỏ hơn 60 m3/h và cassette đó không nằm ở chế độ dừng để rửa hóa học

- Van lưu lượng nước chè trong vào bốc hơi ( FIC-2 ) được điều khiển bởi mực hiệu 1 bốc hơi Khi mực hiệu 1 bốc hơi tăng dần thì van lưu lượng ( FIC-2 ) đóng dần và ngược lại

- Van giữa hiệu 1 và hiệu 2 ( LIC-D4a ) được điều khiển bởi mực hiệu 2 bốc hơi Khi mực hiệu 2 tăng dần thì van giữa hiệu 1 và 2 ( LIC-D4a ) đóng dần và ngược lại

- Van giữa hiệu 2 và hiệu 3 ( LIC-D5a ) đóng lại 0%

- Van giữa hiệu 3 và hiệu 4 ( LIC-D6a ) đóng lại 0%

- Van si rô ra khỏi hiệu 4 về bồn si rô ( LIC-D7a ) đóng lại 0%

- Van chân không bốc hơi ( PIC-D8a ) đóng lại 0%

- Van lưu lượng nước chè trong vào bốc hơi ( FIC-2 ) được điều khiển bởi lưu lượng nước chè trong vào bốc hơi Khi lưu lượng nước chè trong vào bốc hơi tăng dần thì van lưu lượng ( FIC-2 ) đóng dần và ngược lại

- Van giữa hiệu 1 và hiệu 2 ( LIC-D4a ) được điều khiển bởi mực hiệu 1 bốc hơi Khi mực hiệu 1 tăng dần thì van giữa hiệu 1 và 2 ( LID-D4a ) mở dần và ngược lại

- Van giữa hiệu 2 và hiệu 3 ( LIC-D5a ) được điều khiển bởi mực hiệu 2 bốc hơi Khi mực hiệu 2 tăng dần thì van giữa hiệu 2 và 3 ( LID-D5a ) mở dần và ngược lại

- Van giữa hiệu 3 và hiệu 4 ( LIC-D6a ) được điều khiển bởi mực hiệu 3 bốc hơi Khi mực hiệu 3 tăng dần thì van giữa hiệu 3 và 4 ( LIC-D6a ) mở dần và ngược lại

- Van si rô từ hiệu 4 đến bồn si rô ( LIC-D7a ) được điều khiển bởi mực hiệu 4 bốc hơi Khi mực hiệu 4 tăng dần thì Van si rô từ hiệu 4 đến bồn si rô ( LIC-D7a ) mở dần và ngược lại

- Van chân không bốc hơi ( PIC-D8a ) được điều khiển bởi chân không bốc hơi Khi chân không bốc hơi giảm dần thì van chân không bốc hơi ( PIC- D8a ) đóng dần và ngược lại

3.3.3.1.Hệ thống gia nhiệt và gia vôi:

Hình 13 Lưu đồ thuật toán điều khiển

6ES7416-2XN05-0AB0 SIMATIC S7-400, CPU 416-2 CENTRAL PROCESSING UNIT WITH: 5.6 MB WORKING MEMORY,

(2.8 MB CODE, 2.8 MB DATA), 1 INTERFACE MPI/DP 12 MBIT/S, 2 INTERFACE PROFIBUS DP 1

6ES7400-1JA01-0AA0 SIMATIC S7-400, UR2 RACK, CENTRALIZED AND DISTRIBUTED WITH 9 SLOTS 2 REDUNDANT

6ES7407-0DA02-0AA0 SIMATIC S7-400, POWERSUPPLY PS407: 4A, WIDERANGE, 120/230V UC,5V DC/4A 1 6ES7952-1AP00-0AA0 SIMATIC S7, RAM MEMORY CARD FOR S7-400, LONG VERSION, 8 MBYTES 1

6ES7390-1AE80-0AA0 SIMATIC S7-300, RAIL LH0MM 2

6ES7307-1EA00-0AA0 SIMATIC S7-300,LOAD POWER SUPP PS 307, 120/230 V AC, 24 V DC, 5 A 2 6ES7153-1AA03-0XB0 SIMATIC DP, INTERFACE IM 153-1, FOR ET 200M, FOR MAX 8 S7-300 MODULES 2 6ES7321-1BH02-0AA0 SIMATIC S7-300, DIGITAL INPUT SM 321, OPTICALLY ISOLATED, 16DI, 24 V DC, 20 PIN 1 6ES7321-1BL00-0AA0 SIMATIC S7-300, DIGITAL INPUT SM 321, OPTICALLY ISOLATED 32DI, 24 V DC, 40 PIN 1 6ES7322-1BF01-0AA0 SIMATIC S7-300, DIGITAL OUTPUT SM 322, OPTICALLY ISOLATED, 8 DO, 24V DC, 2A, 20 PIN 1

6ES7322-1BH01-0AA0 SIMATIC S7-300, DIGITAL OUTPUT SM 322, OPTICALLY ISOLATED, 16 DO, 24V DC, 0.5A, 20 PIN

SUM OF OUTPUT CURRENTS 4A/GROUP (8A/MODULE) 1

6ES7331-1KF01-0AB0 SIMATIC S7-300, ANALOG INPUT SM 331, OPTICALLY ISOLATED, 8 AI, 13 BIT RESOLUTION,

U/I/RESISTANCE/PT100, NI100, NI1000, LG-NI1000, 66 MS MODULE UPDATE, 40 PIN 5

6ES7332-5HD01-0AB0 SIMATIC S7-300, ANALOG OUTPUT SM 332, OPTICALLY ISOLATED, 4 AO, U/I; DIAGNOSTICS;

RESOLUTION 11/12 BITS, 20 PIN, REMOVE/INSERT W ACTIVE, BACKPLANE BUS 1

6ES7332-5HF00-0AB0 SIMATIC S7-300, ANALOG OUTPUT SM 332, OPTICALLY ISOLATED, 8 AO, U/I; DIAGNOSTICS;

RESOLUTION 11/12 BITS, 40 PIN, REMOVE/INSERT W ACTIVE, BACKPLANE BUS 2

6ES7392-1AJ00-0AA0 SIMATIC S7-300, FRONT CONNECTOR FOR SIGNAL MODULES WITH SCREW CONTACTS, 20-

6ES7392-1AM00-0AA0 SIMATIC S7-300,FRONT CONNECTOR 392 WITH SCREW CONTACTS, 40-PIN 8

Bảng 2: Danh mục thiết bị PLC SIEMENS

3.5.2 Cấu hình phần cứng PLC

Hình 14 Cấu hình phần cứng PLC

MPI DP Network LOCAL HMI

Phần cứng của hệ thống gồm có PLC S7-400 được kết nối với máy tính chạy phần mềm SCADA qua card mạng MPI (CP5613A2), kết nối với trạm ET200M DIGITAL và ET200M ANALOG theo giao tiếp profibus Trong đó ET200M DIGITAL là I/O nhận, xuất các tín hiệu số, ET200M ANALOG I/O nhận, xuất các tín hiệu tương tự

Hình 15 Cấu hình phần cứng trong Step 7

Tổ chức các khối trong chương trình PLC

Hình 16 Tổ chức các khối trong chương trình PLC viết cho hệ thống bốc hơi

Chương trình được chia thành những phần nhỏ với từng nhiệm vụ riêng và các phần này nằm trong những khối khác nhau Loại này phù hợp với bài tóan điều khiển nhiều nhiệm vụ S7-300; S7- 400 có bốn lọai khối cơ bản

- Loại khối OB (Organization Block) : Đây là khối tổ chức và quản lý chương trình điều khiển

- Loại khối FC ( Program Block) : Đây là khối chương trình với những chức năng riêng giống như một chương trình con hoặc một hàm

- Loại khối FB (Function Block) : là loại khối FC đặt biệt có khả năng trao đổi một lượng dữ liệu lớn với các khối chương trình khác

- Lọai khối DB (Data Block) : Khối chứa các dữ liệu cần thiết để thực hiện chương trình Các tham số của khối do người dùng tự đặt

3.6.3 Cấu trúc chương trình ứng dụng trong PLC S7-400 ORGANISATION BLOCKS

Symbolic Name : MAIN With every scan cycle , the OB1 will call the FB1,FB2,FB3,FB4 for followings:

1.Raw juice pump No1 2.Raw juice pump No2 3.Lime juice pump No1 4.Clear juice pump No1 5.Clear juice pump No2 6.Circulation pump No1 of the 1st effect 7.Circulation pump No2 of the 1st effect 8.Circulation pump No3 of the 1st effect 9.Circulation pump No1 of the 2nd effect 10.Circulation pump No2 of the 2nd effect 11.Circulation pump No1 of the 3rd effect 12.Circulation pump No2 of the 3rd effect 13.Circulation pump No1 of the 4th effect 14.Circulation pump No2 of the 4th effect 15.Sirup pump No1

21.Hot water valve of the 1st effect 22.Hot water valve of the 2nd effect 23.Hot water valve of the 3rd effect 24.Hot water valve of the 4th effect 25.Hot water valve of clear juice tank 26.Cleaning the cassette 1 of 1st effect 27.Cleaning the cassette 2 of 1st effect 28.Cleaning the cassette 3 of 1st effect 29.Cleaning the cassette 4 of 1st effect 30.Cleaning the cassette 5 of 1st effect 31.Cleaning the cassette 6 of 1st effect 32.Cleaning the cassette 1 of 2nd effect 33.Cleaning the cassette 2 of 2nd effect 34.Cleaning the cassette 3 of 2nd effect 35.Cleaning the cassette 4 of 2nd effect 36.Cleaning the cassette 1 of 3rd effect 37.Cleaning the cassette 2 of 3rd effect 38.Cleaning the cassette 3 of 3rd effect 39.Cleaning the cassette 1 of 4th effect 40.Cleaning the cassette 2 of 4th effect 41.Cleaning the cassette 3 of 4th effect 42.FLOW RATE LOW LIMIT ALARM GROUP 43.BRIX LOW_HIGH LIMIT ALARM GROUP 44.LEVEL LOW_HIGH LIMIT ALARM GROUP 45.BUZZLE

Symbolic Name : CYC_INT5 This block is called periodically by OS with the interval of 100ms for processing all of PID functions controlling the followings :

1.Control valve of juice temperature after heater C-3-1 2.Control valve of juice temperature after heater C-3-3 3.Control valve of juice temperature after heater C-7-3

4.Milk of lime control valve 5.Control valve of clear juice temperature to evaporator 6.Control valve of clear juice flowrate on NORMAL mode 7.Control valve of clear juice flowrate on STARTUP mode 8.Control valve of 1st effect on NORMAL mode

9.Control valve of 1st effect on STARTUP mode 10.Control valve of 2nd effect

11.Control valve of 3rd effect 12.Control valve of 4th effect 13.Control valve of exhausted steam pressure 14.Control valve of VP1 to pan

15.Control valve of 4th effect vaccum 16.Control valve of Raw juice flowrate

Symbolic Name : COMPLETE RESTART Initializing all start value of :

1.Parameters of PID 2.Circulation flowrate limit of cassettes on CIP 3.Level limit for opening the hot water valve

Symbolic Name : CMD_HW_VALVE

Symbolic Name : CLEARJUICE_HW_VALVE

Symbolic Name : FC_HL_ALM

DB23: Raw juice pump No1 Symbolic Name : C2A

DB24:Raw juice pump No2 Symbolic Name : C2B

DB25:Lime juice pump No1 Symbolic Name : C6A

DB27:Clear juice pump No1 Symbolic Name : C12A

DB28:Clear juice pump No2 Symbolic Name : C12B

DB29:Circulation pump No1 of the 1st effect Symbolic Name : D4C1 DB30:Circulation pump No2 of the 1st effect Symbolic Name : D4C2 DB31:Circulation pump No3 of the 1st effect Symbolic Name : D4C3 DB32:Circulation pump No1 of the 2nd effect Symbolic Name : D5C1 DB33:Circulation pump No2 of the 2nd effect Symbolic Name : D5C2 DB34:Circulation pump No1 of the 3rd effect Symbolic Name : D6C1 DB35:Circulation pump No2 of the 3rd effect Symbolic Name : D6C2 DB36:Circulation pump No1 of the 4th effect Symbolic Name : D7C1 DB37:Circulation pump No2 of the 4th effect Symbolic Name : D7C2

DB38:Sirup pump No1 Symbolic Name : D13A

DB39:Sirup pump No2 Symbolic Name : D13B

DB45:Hot water valve of the 1st effect Symbolic Name : XV01 DB46:Hot water valve of the 2nd effect Symbolic Name : XV02 DB47:Hot water valve of the 3rd effect Symbolic Name : XV03 DB48:Hot water valve of the 4th effect Symbolic Name : XV04

DB55:Cleaning the cassette 1 of 1st effect Symbolic Name : FT1_1 DB56:Cleaning the cassette 2 of 1st effect Symbolic Name : FT1_2 DB57:Cleaning the cassette 3 of 1st effect Symbolic Name : FT1_3 DB58:Cleaning the cassette 4 of 1st effect Symbolic Name : FT1_4 DB59:Cleaning the cassette 5 of 1st effect Symbolic Name : FT1_5 DB60:Cleaning the cassette 6 of 1st effect Symbolic Name : FT1_6 DB61:Cleaning the cassette 1 of 2nd effect Symbolic Name : FT2_1 DB62:Cleaning the cassette 2 of 2nd effect Symbolic Name : FT2_2 DB63:Cleaning the cassette 3 of 2nd effect Symbolic Name : FT2_3

DB64:Cleaning the cassette 4 of 2nd effect Symbolic Name : FT2_4 DB65:Cleaning the cassette 1 of 3rd effect Symbolic Name : FT3_1 DB66:Cleaning the cassette 2 of 3rd effect Symbolic Name : FT3_2 DB67:Cleaning the cassette 3 of 3rd effect Symbolic Name : FT3_3 DB68:Cleaning the cassette 1 of 4th effect Symbolic Name : FT4_1 DB69:Cleaning the cassette 2 of 4th effect Symbolic Name : FT4_2 DB70:Cleaning the cassette 3 of 4th effect Symbolic Name : FT4_3

DB49:Hot water valve of clear juice tank Symbolic Name : XV008

DB9:Ctrl valve of juice temperature heater C-3-1 Symbolic Name : PID_9 DB10: Ctrl valve of juice temperature heater C-3-3 Symbolic Name : PID_10 DB12: Ctrl valve of juice temperature heater C-7-3 Symbolic Name : PID_12 DB13: Remote setpoint for Milk of Lime Controller Symbolic Name:

REMOTE_MILK_LIME DB14:Control valve of clear juice Symbolic Name : PID_14 DB3: Ctrl valve of clear juice flowrate on NORMAL Symbolic Name : PID_3 DB53: Ctrl valve of clear juice flowrate on STARTUP.Symbolic Name : PID_53 DB4: Ctrl valve of 1st effect on NORMAL Symbolic Name : PID_4 DB54:Control valve of 1st effect on STARTUP Symbolic Name : PID_54 DB5:Control valve of 2nd effect Symbolic Name : PID_5 DB6:Control valve of 3rd effect Symbolic Name : PID_6 DB7:Control valve of 4th effect Symbolic Name : PID_7 DB1:Control valve of exhausted steam pressure Symbolic Name : PID_1 DB2:Control valve of VP1 to pan Symbolic Name : PID_2 DB8:Control valve of 4th effect vaccum Symbolic Name : PID_8 DB17:Control valve of Raw juice flowrate Symbolic Name : PID_17 DB73:Local setpoint for Milk of Lime Controller Symbolic Name:

LOCAL_MILK_LIME OB81 : Power Supply Error OB82 : Diagnostic Interrupt OB83 : Insert/Remove Module Interrupt

OB84 : CPU Hardware Fault OB85 : Program Sequence Error OB86 : Rack Failure

SFC 5 : Query Logical Address of a Channel SFC 13 : Read Diagnostic Data of a DP Slave (Slave Diagnostics) SFC 41 : Delay Higher Priority Interrupts and Asynchronous Errors SFC 42 : Enable Higher Priority Interrupts and Asynchronous Errors SFC 46 : Change the CPU to STO

SFC 51 : Read a System Status List or Partial List SFC 59 : Read a Data Record

SFC 107 : Generating Always Acknowledgeable and Block-Related Messages FB50 : Diagnostic block for Report System Error

FC50 : Diagnostic block for Report System Error DB50 : Diagnostic block for Report System Error DB51 : Diagnostic block for Report System Error DB125 :Error Message Transfer to HMI

3.7 Hệ thống điều khiển giám sát & thu thập dữ liệu

Giao diện giám sát và điều khiển (HMI hoặc SCADA) được cấu hình và lập trình bằng công cụ phần mềm WinCC của hãng SIEMENS

Chức năng chính của HMI như sau:

 Giao tiếp với các thiết bị Field Controller ( còn được gọi là PLC ) thông qua card mạng MPI (CP5613A2) để thu thập cơ sở dữ liệu process ( hay thông tin process ) đưa về PC Từ PC nhờ các công cụ cũng như các tiện ích phần mềm được tích hợp sẵn và đã được cấu hình trước, thông tin process (các giá trị nhiệt độ,áp suất, mức chất lỏng,… ) được hiển thị trên các trang màn hình khác nhau (view) dưới dạng đồ họa máy tính nhằm thể hiện nhanh chóng chính xác quá trình công nghệ cho Nhân viên vận hành

 Thu nhận các thông tin cảnh báo ,báo động (alarms) ,các sự kiện process đến và đi trong các tình huống cực đoan ,tình huống nguy hiểm cho process…

 Thông tin process sau khi được thu về máy tính giám sát sẽ được lưu trữ trên đĩa cứng theo chu kỳ được cấu hình trước (thông thường là 10 giây) và có thể được truy xuất bất kỳ lúc nào về sau để phân tích quá trình công nghệ,tình trạng thiết bị ,…

3.7.2 Thiết lập chung cho toàn bộ các trang màn hình SCADA

 Click Chuột lên đối tượng đồ họa động

- Thông thường việc click trái chuột trực tiếp trên đối tượng đồ họa động thuộc 1 một trang nào đó sẽ hiện cửa sổ con nhỏ để nhập lệnh điều khiển hoặc các tham số điều chỉnh (ví dụ các tham số hàm điều khiển PID,

- Click phải trên đối tượng đồ họa động đó sẽ làm ẩn cửa sổ con đó

 Click trái chuột lên đối tương van điều khiển sẽ làm hiện ra cửa sổ thiết lập tham số điều khiển cho hàm PID (setpoint , control value , gain,TI,TD,….)

Hình 17 Van điều khiển trên màn hình SCADA

 Click trái chuột lên đối tương motor sẽ làm hiện ra 2 nút nhấn START,STOP để khởi động dừng motor điện của bơm

Hình 18 Điều khiển motor trên màn hình SCADA

 Click trái chuột lên đối tương van ON_OFF sẽ làm hiện ra 2 nút nhấn ON,OFF để đóng mở van

Hình 19 Van ON/OFF trên màn hình SCADA

3.7.3 Tổ chức các trang màn hình SCADA

Giao diện giám sát và điều khiển trong dự án Bốc hơi của Nhà máy đường Lam sơn gồm 8 trang màn hình (view) chính để giám sát khu vực Bốc hơi ,lắng lọc và gia nhiệt

Trang này ta có thể nhin thấy tổng quát các khu vực sản xuất ,từ nay ta có thể truy xuất trực tiếp bất kỳ trang nào khác

Truy xuất View: Từ dãy các nút nhấn dưới cùng màn hình ,click nút INTRO

 Trang EFFECT1+2 Giám sát các thiết bị process và dụng cụ tự động sau đây:

- 6 cassette hiệu 1 - 4 cassette hiệu 2 - 3 bơm tuần hoàn hiệu 1 - 2 bơm tuần hoàn hiệu 2 - Van điều khiển hơi thoát: PIC-D41/D42

- Van điều khiển hơi đi nấu đường :PIC-22 - 2 van điều khiển mức hiệu 1 và hiệu 2 :LIC-D4a, LIC-D5a - 1 van điều khiển lưu lượng Clear juice :FIC-2

- 10 lưu lượng kế : FIC-11, FIC-12, FIC-13, FIC-14, FIC-15, FIC-16, FIC-21, FIC-22, FIC-23, FIC-24

- brix hiệu 1 và hiệu 2 : BXIC-1, BXIC-2 - 2 van cấp nước nóng vào hiệu 1 và hiệu 2 :XV001,XV002 - Áp suất hơi V2: PI-D5a

Truy xuất View: Từ dãy các nút nhấn dưới cùng màn hình ,click nút EFFECT1+2

 Trang EFFECT2+3 Giám sát các thiết bị process và dụng cụ tự động sau đây:

- 3 cassette hiệu 3 - 3 cassette hiệu 4 - 2 bơm tuần hoàn hiệu 3

- 2 bơm tuần hoàn hiệu 4 - 2 bơm trích ly siro hiệu 4 - Van điều khiển chân không: PIC-D8a - 2 van điều khiển mức hiệu 3 và hiệu 4: LIC-D6a, LIC-D7a - 6 lưu lượng kế: IC-31,FIC-32,FIC-33,FIC-41,FIC-42,FIC-43 - brix hiệu 3 và hiệu 4: BXIC-3,BXIC-4

- 2 van cấp nước nóng vào hiệu 3 và hiệu 4: XV003,XV004 Truy xuất View: Từ dãy các nút nhấn dưới cùng màn hình ,click nút EFFECT2+3

 Trang EFFECT1+2+3+4 Đây là màn hình tổng hợp của tất cả 3 trang EFECT1+2 ,EFFECT2+3, HEATERS

Tiện cho việc giám sát tổng quan mà không cần phải chuyển trang màn hình

 Trang HEATERS Giám sát các thiết bị process và dụng cụ tự động sau đây:

- 3 gia nhiệt Raw juice : C-3-1,C-3-2,C-3-3 - 3 gia nhiệt Limed juice : C-7-1,C-7-2,C-7-3 - 1 gia nhiệt Clear juice : D-3-1

- 2 bơm raw juice - 2 bơm limed juice - 2 bơm clear juice - Van ON/OFF nước nóng clear juice tank : XV008 - Van điều khiển nhiệt độ C-3-1 : TIC-C-3 - Van điều khiển nhiệt độ C-3-3 : TIC-1 - Van điều khiển nhiệt độ C-7-3 : TIC-2 - Van điều khiển nhiệt độ D-3-1 : TIC-3 - Van điều khiển lưu lượng sữa vôi : FIC-C-4-6 - Van điều khiển lưu lượng Raw juice :FIC-1

- Đo mức Raw juice: LIA-C1 - Đo mức Limed juice: LIA-C5 - Đo mức Clear juice: LIA-C-11 - Van điều khiển lưu lượng Clear juice: FIC-2 Truy xuất View: Từ dãy các nút nhấn dưới cùng màn hình ,click nút HEATERS

 Trang ALARM LIST Trang này duyệt tổng quát các Alarm ,Event đến và đi tứ process ,từ Nhân viên Vận hành sẽ có những phản ứng thích hợp với process Để hồi đáp lại các Alarm Nhân viên vận hành click nut ACKNOWLEDGE Truy xuất View: Từ dãy 3 nút nhấn dưới góc trên bên phải màn hình ,click nút ALARM

 Trang HISTORIC TREND Truy xuất View: Từ dãy 3 nút nhấn dưới góc trên bên phải màn hình ,click nút TREND

Trang này được thiết kế để tự động tạo ra biểu mẫu báo cáo dạng file Excel các thông số process như sau :

- P hơi hiệu I ( kgf/cm2 ) - P hơi nấu đường ( kgf/cm2 ) - P chân không (mmHg) - Bx-I (%)

- Bx-II (%) - Bx-III (%) - Bx-IV (%) - Nhiệt độ GNI Cấp II (ºC) - Nhiệt độ GNII (ºC) - Nhiệt độ GNIII (ºC) - Lưu lượng nước mía vào GNI (m3/h) - pH gia vôi

- Lưu lượng chè trong (m3/h) Các thông số trên được hệ thống định kỳ 2 h thu thập dữ liệu từ Field Controller và lưu trữ trong file Report.xls trong thư mục dự án ,file này là form mẫu đẻ nạp dữ liệu và phải được bảo vệ chống thất lac,hiện đã có sẵn bản copy dự phòng bằng file Report2.xls ,trong trường hợp that lac file Report.xls gốc ,Admin sẽ copy Report2.xls và rename lại thành file Report.xls đặt trong cùng thư mục

Truy xuất View: Từ dãy 3 nút nhấn dưới góc trên bên phải màn hình ,click nút REPORT

3.8 Thử nghiệm ứng dụng thực tế

Hệ thống điều khiển & giám sát được triển khai thực tế tại nhà máy số 2, nhà máy đường Lam Sơn – Thanh Hóa

 Địa chỉ nhà máy: Lam Sơn, Thọ Xuân, Thanh Hóa, Việt Nam

 Công suất nhà máy: 4000 tấn mía cây Một số hình ảnh hệ thống tại nơi vận hành:

Hình 28 Gia nhiệt và bốc hơi

Hình 29 Vị trí đặt tủ I/O

Hình 30 Vị trí đặt tủ PLC S7-400

Hình 31 Màn hình SCADA khi hệ thống họat động

Vì hệ thống được nghiên cứu trong đề tài rất to lớn nên việc thi công mô hình giống như với thực tế là không thể làm được Tác giả luận văn đưa ra hướng xây dựng mô hình thu gọn so với thực tế, nhưng vẫn đảm bảo được các bài toán tự động hóa và giám sát:

 Điều khiển mức nước, nhiệt độ của các hiệu theo giá trị cài đặt trong hệ thống

 Điều khiển áp suất, lưu lượng trong hệ thống

Sơ đồ tổng quan của hệ thống:

Hình 32 Sơ đồ tổng quan mô hình thực nghiệm

 Bồn 0: Chứa nước lạnh, tương đương với bồn chứa dung dịch đường có độ Brix thấp

 Bồn 1: Chứa nước được bơm từ bồn 0 qua, tại đây nước được gia nhiệt lên nhiệt độ T1, để sẵn sàng được bơm qua bồn 2

 Bồn 2, 3: Tương đương với các hiệu bốc hơi nước mía trong hệ thống thực, tại đây nhiệt độ nước được điều khiển là T2, T3 tương ứng Việc mô phỏng cho nước bay hơi được thực hiện bằng các van khóa tay, cho nước trực tiếp đi xuống bồn 0

 Bồn 4 chứa nước có nhiệt độ cao được đưa ra từ bồn 3 (tương đương với nước mía đạt độ Brix theo yêu cầu trong hệ thống thực)

Như vậy nước trong các bồn 1,2,3 được điều khiển 2 thông số: Nhiệt độ và mức nước Lưu lượng và áp suất nước trong đường ống được giám sát bởi các đồng hồ tương ứng Để điều khiển nhiệt độ nước trong hệ thống thì sử dụng các bộ gia nhiệt, đo nhiệt độ thì sử dụng các cảm biến nhiệt độ, đo mức nước bằng các cảm biến siêu âm đo mức nước trong các bồn

Các động cơ khuấy tương đương với các bơm lưu lượng tuần hoàn trong hệ thống thực

Bồn nước được sử dụng làm mô hình mô phỏng cho các bồn chứa nước chè trong và các hiệu của hệ thống bốc hơi Trong các bồn có điều khiển nhiệt độ và mực nước được lắp các thiết bị cảm biến và bộ phận gia nhiệt tương ứng

Hình 34 Bơm nước Bơm nước trong hệ thống là loại bơm 3 pha, công suất 100W, được sử dụng để trao đổi lưu chất giữa các bồn Việc điều chỉnh tốc độ bơm được thực hiện bởi biến tần Yaskawa

Hình 35 Biến tần Yaskawa Động cơ khuấy

Hình 36 Động cơ khuấy Động cơ khuấy là động cơ ĐC 24v, được sử dụng để tuần hoàn nước, động cơ chỉ được hoạt động khi bộ điều khiển nhiệt hoạt động.

Hình 37 Thiết bị gia nhiệt Thiết bị gia nhiệt được dùng để điều chỉnh nhiệt độ nước của hệ thống, thiết bị này được điều khiển bới PLC thông qua các relay mềm (SSR)

4.3.1 Đồng hồ đo lưu lượng

Hình 38 Đồng hồ đo lưu lượng Sử dụng đồng hồ đo lưu lượng để hiển thị lưu lượng trên mô hình, truyền tín hiệu về PLC, cảnh báo mức độ lưu lượng của hệ thống cao hay thấp do cài đặt

4.3.2 Đồng hồ đo áp suất

Hình 39 Đồng hồ hiển thị áp suất trong đường ống

Hình 40 Cảm biến nhiệt độ PT100 Sử dụng cảm biến PT100 để đo nhiệt độ truyền về PLC xử lý thông qua thiết bị chuyển đổi dòng

4.3.4 Cảm biến đo mực nước

Hình 41 Cảm biến siêu âm đo mực nước

Sử dụng cảm biến này để đo mức nước trong các bồn, tín hiệu ngõ ra của cảm biến được truyền về PLC xử lý Tín hiệu ngõ ra cảm biến dạng này là tín hiệu dòng 4 đến 20mA

Thiết bị điều khiển được lựa chọn sử dụng trong hệ thống là PLC S7 300 của hãng Siemens với các module I/O số, I/O analog

Hình 42 Thiết bị điều khiển

Hình 43 Sơ đồ kết nối biến tần điều khiển động cơ bơm

Hình 44 PLC và các module

Hình 45 Sơ đồ kết nối ngõ vào số

Hình 46 Sơ đồ kết nối ngõ ra số

Hình 47 Sơ đồ kết nối ngõ vào Analog

Hình 48 Sơ đồ kết nối Ngõ ra Analog

Mô hình được xây dựng trên khung nhôm định hình cứng vững, được xây dựng có các bồn nước mô phỏng các hiệu trong hệ thống bốc hơi thực tế

Hình 49 Mô hình vật lý đạt được

Hình 50 Mạch điều khiển Mạch điều khiển thể hiện việc kết nối PLC với các thiết bị thực tế, trong hình thể hiện vị trí lắp đặt PLC, các biến tần, relay, domino kết nối với phần động lực

Hình 51 Cơ cấu chấp hành

Hình cơ cấu chấp hành thể hiện vị trí lắp đạt bơm trên đường ống, các van tay, van điện

4.7.1 Lưu đồ hoạt động của hệ thống

Hình 52 Lưu đồ hoạt động của hệ thống

4.7.2 Lưu đồ thuật toán điều khiển mực nước

Hình 53 Lưu đồ thuật toán điều khiển mực nước

4.7.3 Lưu đồ thuật toán điều khiển nhiệt độ

Hình 54 Lưu đồ thuật toán điều khiển nhiệt độ

4.8.1 Cấu hình phần cứng của PLC

Hình 55 Cấu hình phần cứng PLC – Mô hình thực nghiệm

4.8.2 Tổ chức các khối trong chương trình PLC

Hình 56 Tổ chức các khối PLC – Mô hình thực nghiệm

DB_TCONT_CP DB 58 FB 58

DB_FB58_TANK2 DB 59 FB 58

TCONT_CP FB 58 FB 58 temperature PID controller with pulse generator and self-tuning

Scale Temperature, Weighting Value, Analog Control,

CYC_OB35 OB 35 OB 35 Cyclic Interrupt

Hình 57 Giao diện SCADA – Mô hình thực nghiệm Trên giao diện này cho phép:

 Cài đặt giá trị nhiệt độ, mực nước tại các hiệu

 Theo dõi giá trị hiện tại của nhiệt độ, mực nước tại các hiệu

 Khởi động, tắt bơm nước từ bồn 0 đến các bồn khác

 Điều chỉnh lưu lượng của hệ thống

 Theo dõi trạng thái hoạt động của các cơ cấu chấp hành trong hệ thống

Hình 58 Cài đặt thông số các bộ điều khiển PID mức nước và nhiệt độ

Màn hình theo dõi và thu thập dữ liệu

Mô hình xây dựng đã điều khiển được mực nước, nhiệt độ theo giá trị cài đặt trên giao diện SCADA theo 2 cách vận hành:

Cách 1: Cấp nước lạnh liên tục cho hệ thống vào bồn 0, lấy nước nóng từ bồn 4 đi ra ngoài

Cách 2: Để lưu lượng được tuần hoàn thì tại bồn 4 cho nước đá nhằm mục đích hạ nhiệt độ nước trước khi đi về bồn 0.

- Tác giả đã giới thiệu về hệ thống bốc hơi nước mía tiên tiến hiện nay áp dụng trong sản xuất đường

- Tác giả đã đưa ra được giải pháp toàn diện cho vấn đề tự động hóa hệ thống bốc hơi trong sản xuất đường từ việc lựa chọn công nghệ, trang thiết bị, xây dựng lưu đồ giải thuật, lập trình điều khiển chương trình PLC, chương trình giám sát điều khiển SCADA cho hệ thống Đặc biệt giải pháp này đã được áp dụng thành công và vận hành tại nhà máy thực tế

- Tác giả cũng đã xây dựng được mô hình thực nghiệm nhằm thể hiện được việc giải quyết các bài toán tự động hóa điều khiển quá trình, lưu lượng, nhiệt độ

- Mô hình trong đề tài chưa mô tả trọn vẹn được hệ thống thực tế - Về phương pháp điều khiển mới chỉ áp dụng thuật toán điều khiển PID, chưa áp dụng các thuật toán điều khiển hiện đại hơn

- Đề tài chưa tích hợp chức năng bảo mật dữ liệu, chức năng điều khiển dự phòng và điều khiển từ xa hệ thống bằng Web Server.

- Dựa trên những phân tích các hạn chế của đề tài, tác giả đề nghị các hướng phát triển tiếp theo của đề tài như sau:

- Thiết kế và tích hợp chức năng bảo mật dữ liệu - Thiết kế và tích hợp chức năng điều khiển dự phòng cho hệ thống SCADA - Áp dụng các phương pháp điều khiển hiện đại

- Thiết kế và tích hợp chức năng điều khiển và giám sát hệ thống từ xa bằng Web Server

Tiêu đề	SCADA cho hệ thống bốc hơi nước mía trong công nghệ sản xuất đường
Tác giả	Phạm Văn Tồn
Người hướng dẫn	TS. Trương Đình Châu
Trường học	Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG -HCM
Chuyên ngành	Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2014
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	92
Dung lượng	2,94 MB