Nghiên cứu phương pháp điều khiển phối hợp nhiều lô sấy nhằm nâng cao mức độ ổn định độ ẩm của giấy

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP BÙI VĂN BÌNH NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHỐI HỢP NHIỀU LÔ SẤY NHẰM NÂNG CAO MỨC ĐỘ ỔN ĐỊNH ĐỘ ẨM CỦA GIẤY LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa THÁI NGUYÊN – 2015 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP BÙI VĂN BÌNH NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHỐI HỢP NHIỀU LÔ SẤY NHẰM NÂNG CAO MỨC ĐỘ ỔN ĐỊNH ĐỘ ẨM CỦA GIẤY Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 60 52 02 16 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOA CHUYÊN MÔN TRƯỞNG KHOA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGUYỄN VĂN CHÍ PHỊNG QUẢN LÝ ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN – 2015 Trang LỜI CAM ĐOAN Tên là: Bùi Văn Bình Sinh ngày tháng năm Học viên lớp cao học khoá 14 CH.TĐH 01 - Trường đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Hiện công tác : Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu phương pháp điều khiển phối hợp nhiều lô sấy nhằm nâng cao mức độ ổn định độ ẩm giấy” thầy giáo TS Nguyễn Văn Chí hướng dẫn nghiên cứu với tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Thái Nguyên, ngày tháng năm 2015 Học viên Bùi Văn Bình Trang LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương hướng dẫn tận tình giúp đỡ thầy giáo TS Nguyễn Văn Chí, luận văn với đề tài “ Nghiên cứu phương pháp điều khiển phối hợp nhiều lô sấy nhằm nâng cao mức độ ổn định độ ẩm giấy ” hồn thành Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới: Thầy giáo hướng dẫn TS Nguyễn Văn Chí tận tình dẫn, giúp đỡ tác giả hồn thành luận văn Các thầy giáo Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên, số đồng nghiệp, quan tâm động viên, giúp đỡ tác giả suốt q trình học tập để hồn thành luận văn Mặc dù cố gắng hết sức, nhiên điều kiện thời gian kinh nghiệm thực tế thân ít, đề tài khơng thể tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, tác giả mong nhận đóng góp ý kiến thầy giáo, cô giáo bạn bè đồng nghiệp cho luận văn tơi hồn thiện Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày….tháng….năm 2015 Tác giả Bùi Văn Bình Trang MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT LỜI NÓI ĐẦU Ch ươ ng 1 1 2 2 2 2 2 3 3 3 Cấ 12 u Hệ 13 th M 15 ạc Cá 19 c Cá 19 ch Kế 20 t CK ưH M 21 ô Cấ 21 u Đi 23 ều Đi 31 ều M 35 ô M 37 ô M 37 ô Kế 45 t Ch ươ ng M ô M ô M ô Ph ươ Đi ều GI Ớ I THI Ệ U V Ề QUÁ TRÌNH S Ấ Y TRONG CÔNG NGH Ệ S Ả N XU Ấ T GI Ấ Y Đ I Ề U KHI Ể N ĐỘ Ẩ M C Ủ A GI Ấ Y TRONG PHẦ N S Ấ Y KHÔ 8 Trang Th iết Kế t Kế t HCỰ C C Ô N NG Gi 5 ới N hậ Kế t Kế t Kết luận chung luận văn 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 Trang DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT T TênTên t t In Q te uá rg trì at nh or có PP Q Pol Ze- trì P In nh Đi Mte ều Crn kh Hal iể C V ôn T g C ty H Dro MM H Dac Pr B o ộ Dp or Pr ều B o ộ Trang LỜI NÓI ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Giấy đóng vai trò quan trọng sống giấy sử dụng hầu hết sản phẩm người Công nghệ sản xuất giấy công nghệ có thay đổi, mục đích hệ thống máy tạo giấy tạo giấy hút nước khỏi giấy để tạo giấy khô với độ ẩm xác định trước tương ứng với loại giấy khác Do độ ẩm thơng số quan trọng, nói quan trọng q trình sản xuất giấy Cơng đoạn sấy giấy để đạt độ ẩm cần thiết công đoạn tiêu tốn nhiều lượng trình sản xuất giấy Đối với nhà máy sản xuất giấy chí cơng ty lớn, việc xây dựng hệ thống máy sản xuất giấy khoản đầu tư lớn, việc tìm kiếm giải pháp để nâng cao vấn đề ổn định độ ẩm đặt thực tiễn Việc nâng cao độ ổn định thông qua giải pháp điều khiển cài đặt hệ thống sản xuất giấy có cung cấp hiệu mặt kinh tế chất lượng giấy, kể đến sau:  Khi độ ẩm giấy thay đổi nhiều (khơng ổn định) ảnh hưởng bất lợi đến đến công đoạn xử lý máy cán, máy tráng bóng, dây chuyền đóng gói, chí ảnh hưởng đến chất lượng in Trong suốt trình sản xuất, độ ẩm giấy luôn đo theo dõi liên tục Giấy bị loại bỏ độ ẩm giấy không nằm phạm vi cho phép Điều chỉnh độ ẩm cho ổn định thay đổi theo yêu cầu cho phép lượng giấy bị loại bỏ hơn, lượng sử dụng qua chất lượng giấy tăng lên nhiều  Việc giảm thiểu thay đổi độ ẩm dẫn tới việc giảm thiểu tác động điều chỉnh, qua cấu chấp hành vận hành trơn tru có độ bền cao Trang  Giấy có độ ẩm ổn định, dẫn tới khối lượng ổn định giá bán lô giấy ổn định (vì giấy bán theo khối lượng)  Độ ẩm giấy ổn định tiết kiệm nguyên nhiên liệu, ví dụ nhà máy có cơng suất 1000 giấy/ ngày, giảm 0.1% dao động độ ẩm tiết kiệm 365 nguyên liệu thô năm [1]  Muốn tăng số lượng sản xuất giấy giải pháp thường dùng tăng tốc độ máy seo, nhiên phần sấy khơ điểm nghẽn u cầu ổn định nhanh độ ẩm, phần sấy khô điều chỉnh ổn định độ ẩm tốc độ cao đẩy xuất hệ thống lên nhiều Một số phương pháp nhằm điều khiển ổn định độ ẩm giấy năm vừa qua với việc áp dụng lý thuyết điều khiển phương pháp sử dụng lọc Kalman điều khiển tối ưu [3] Ngày với đặc điểm sử dụng máy tính để điều khiển, nên việc sử dụng lý thuyết điều khiển đại áp dụng cho toán điều khiển ổn định độ ẩm ví dụ điều khiển thay đổi cực tiểu [4], điều khiển tự chỉnh[5][6] Tuy nhiên phương pháp kể sử dụng chung mơ hình cho tất lơ sấy tồn q trình(mà thực chất lơ sấy có mơ hình khác phụ thuộc vào độ ẩm giấy có từ lơ sấy trước nó), chưa kể đến ảnh hưởng đồng thời áp suất vào lô sấy áp suất khí nén tới cấu chấp hành Chính việc tìm mơ hình lơ sấy cho phép có giải pháp điều khiển ổn định độ ẩm cách tốt [1] Mục tiêu nghiên cứu - Mục tiêu chung Trang Hiện công nghệ sản xuất giấy vấn đề điều khiển ổn định độ ẩm giấy công đoạn sấy tốn điều khiển mang tính thời cấp bách Điều khiển ổn định độ ẩm qua nhiều lô sấy để đạt độ ẩm giấy sau khỏi phần sấy nhằm mục đích đảm bảo chất lượng giấy tiết kiệm lượng sấy đặc biệt lô sấy chạy tốc độ cao (>200 mét/phút) Như phần tổng quan nói, nhà máy giấy có cơng suất 1000 giấy ngày độ ẩm thay đổi khơng ổn định khoảng 0.1% theo khảo sát tiêu tốn thêm lượng nhiên liệu 365 tấn/năm Trong nhiều năm qua, đa số nhiệt độ lô sấy điều chỉnh tay cho lơ sấy theo đường cong kinh nghiệm chuyển tiếp nhiệt độ lô sấy thường không ổn định phụ thuộc vào tốc độ, chất lượng nguyên liệu đầu vào, độ dày giấy, nhiệt độ mơi trường quan trọng mơ hình truyền nhiệt lơ sấy chất độ làm việc khác dẫn tới độ ẩm giấy không ổn định Do việc nghiên cứu phương pháp điều khiển phối hợp nhiều lô sấy nhằm đảm bảo ổn định nhiệt độ giấy qua nâng cao chất lượng độ ẩm giấy tiết kiệm nhiên liệu gia nhiệt yêu cầu mang tính thời cấp bách Với vấn đề nêu, mục tiêu nghiên cứu đề tài nhằm: Tìm phương pháp điều khiển kết hợp nhiều lô sấy nhằm ổn định độ ẩm giấy qua nâng cao chất lượng giấy tiết kiệm nhiên liệu cho công đoạn gia nhiệt phần sấy - Mục tiêu cụ thể  Xác định cấu hình thành phần cơng đoạn sấy khô, nhiễu loạn tác động lên phần sấy khơ  Xây dựng mơ hình hệ thống nước ngưng, mơ hình lơ sấy  Áp dụng chiến lược điều khiển Mid- Ranging để điều khiển ổn định độ ẩm giấy thông qua điều khiển phối hợp áp suất đặt điều khiển lượng khí thổi vào buồng máy nhằm kiểm sốt tốt thay đổi độ ẩm Trang 10 Chương KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM TẠI CÔNG TY GIẤY HVT 4.1 Giới thiệu hệ thống seo công ty HVT Hệ thống seo công ty HVT hệ thống gồm 28 lô sấy, tốc độ 120m/phút chuyên sản suất giấy bao gói sản phẩm như: giấy bao gói xi măng, sản phẩm công nghiệp v.v Đây hệ thống sản xuất từ năm 1966 Châu Âu, qua nhiều năm hoạt động thiết bị hoạt động khơng xác cũ Hình vẽ sau hệ thống seo cơng ty Hình 4-1 Hệ thống seo công ty HVT Để điều khiển độ ẩm giấy, hệ thống nhà máy thực điều khiển lượng bão hòa đưa vào nhóm gồm 07 lơ sấy, có 04 nhóm Hệ thống khơng có phần điều khiển lượng đưa vào buồng máy mà túy có quạt hút buồng máy chạy với tốc độ cố định Để đo độ ẩm, hệ thống dùng thiết bị quét từ trái sang phải đầu máy seo, trước giấy thành cuộn Hình 4-2 Hệ thống quét đo độ ẩm giấy thành phẩm Tín hiệu độ ẩm tốc độ máy seo chuyển thành chuẩn Profibus thông qua tủ điều khiển máy quét Tín hiệu qua cáp Profibus đưa tới tủ điều khiển độ ẩm thực chương trình giám sát máy tính Hình 4-3 Tủ điều khiển máy quét độ ẩm Chương trình giám sát kết nối với PLC s7, thực theo dõi ghi lại biến thiên độ ẩm Tính tốn lượng áp suất cần thiết để đưa vào nhóm lơ sấy để đưa điều khiển cấu chấp hành Các cấu chấp hành, tín hiệu đọc từ cảm biến giao tiếp với PLC Hình 4-4 Tủ điều khiển độ ẩm giấy Hình 4-5 Màn hình theo dõi giám sát độ ẩm, định lượng giấy thông số hệ thống 4.2 Nhận dạng mơ hình hệ thống đưa vào lơ sấy Vì điều kiện không cho phép từ nhà máy, tác giả luận văn sử dụng kết nhận dạng cho mô hình 06 lơ sấy 01 nhóm với kết sau: Hình 4-6 Kết nhận dạng mơ hình 06 lơ sấy + Lơ sấy 0.00178 (97.37s + 1) eG (s) = s (7.97s + 1.0s (4.1) 1) + Lô sấy G (s) = 0.00350 (44.69s + 1) s (2.61s + 1) + Lô sấy G (s) = (4.2) e - 1.0s 0.00158 (121.49s + 1) s ( 6 s + 1) 0.00345 (44.98s + 1) e -1.0s (4.3) + Lô sấy G (s) = s (3.70s + 1) e1.0s (4.4) + Lô sấy 0.00112 (55.6s + G (s) = e 2.0s 1) (4.5) s (14.01s + 1) + Lô sấy G (s) = 0.00228 (90.10s + 1) e - (4.6) 1.0s s (14.93s + 1) Do không thực điều chỉnh cho lơ sấy, phần cứng hệ thống seo không cho phép ta sử dụng hàm truyền có giá trị trung bình cho nhóm 06 lô sấy sau: GN(s) = 0.0023 (75.705s + 1) e - (4.7) 1.1667s s (8.2467s + 1) Theo cách thiết kế điều khiển 02 bậc tự phần 2.2.1 ta có hai khâu feedforward tính e -1.1667s + 90.5s s Mu = 0.0023 (1 + 75.705s ) My = (1 + (4.8) 8.2467s ) 1+ 90.5s 4.3 Kết điều khiển độ ẩm Như trình bày chương luận văn giải pháp nâng cao độ ổn định độ ẩm sử dụng chiến lượng điều khiển Mid – Ranging, thực điều chỉnh đồng thời áp suất đưa vào lô sấy điều chỉnh lượng khí thồi vào buồng máy để kiểm sốt tốt trình bay hơi, điều khiển tốt độ ẩm giấy Tuy nhiên nhà máy không sử dụng hệ thống điều chỉnh lượng khí thồi vào buồn máy, cơng nghệ cũ, không cho phép can thiệp cải tạo thêm từ phía người làm luận văn Chính kết thực nghiệm cài đặt thêm khâu feed forward trình bày chương hai để chuyển điều khiển PID nhóm lơ sấy thành điều khiển hai bậc tự (phần 2.1.2) cách thêm vào hai khâu hiệu chỉnh Mu(s) My(s) tính cơng thức (4.8), thực cho nhóm lơ sấy Sự hiệu chỉnh góp phần nâng cao chút độ ổn định giấy biểu đồ ghi lại máy tính theo dõi giám sát hình vẽ sau: Thời điểm chưa tác động hiệu chỉnh Thời điểm tác động hiệu chỉnh Hình 4-7 Kết thực nghiệm hiệu chỉnh điều khiển áp suất lô sấy đến độ ổn định độ ẩm Với độ ẩm đặt 7.1%, trước hiệu chỉnh điều khiển, dao động độ ẩm có thời điểm lên đến 1%, nhiên hiệu chỉnh điều khiển kết có tốt hơn, mức độ dao động độ ẩm 0.8% hình 4-7 Kết thơng kê hình vẽ sau: Hình 4-8 Kết thống kê máy tính theo dõi giám sát 4.4 Kết luận chương Chương tiến hành tìm hiểu hệ thống sấy công ty HVT, xác định cấu trúc điều khiển độ ẩm giấy túy điều khiển áp suất đưa vào lô sấy Vì điều kiện nhà máy khơng cho phép can thiệp sâu thêm vào hệ thống thồi khí để kiểm sốt q trình bay giải pháp trình bày chương Chính kết thực nghiệm cài đặt thêm khâu feed forward trình bày chương hai để chuyển điều khiển PID nhóm lơ sấy thành điều khiển hai bậc tự cách thêm vào hai khâu hiệu chỉnh feedforward Mu(s) My(s) Sự hiệu chỉnh góp phần nâng cao chút độ ổn định giấy kết trình bày nội dung chương Kết luận chung luận văn Luận văn với tên đề tài ““Nghiên c u ph nhi u lô s y nh m nâng cao m c đ n đ nh đ ng pháp u n ph i h p m c a gi y” ” thực nội dung trình bày chương cách tóm tắt sau: Chương 1: Luận văn nghiên cứu cấu hình lơ sấy công đoạn sấy khô, hệ thống nước ngưng, mạch vòng điều khiển độ ẩm giấy Cách đánh giá độ ẩm khối lượng giấy theo hao chiều CD MD sử dụng tiêu 2 độ lệch chuẩn Các hàm tính tốn giá trị đặt cho nhóm sấy xác định thơng qua giá trị đặt nhóm dẫn để điều khiển ổn định nhiệt độ thông qua điều chỉnh áp suất đưa vào nhóm sấy Chương xác định số nhiễu loạn tác động lên phần sấy khô làm ảnh hưởng đến độ ẩm giấy điều khiển Chương 2: Luận văn trình bày mơ hình hệ thống nước ngưng, mơ hình lơ sấy Các mơ hình mơ tả quan hệ lưu lượng vào lô sấy độ mở van, quan hệ với biến thiên áp suất lô sấy biến thiên nhiệt độ trung bình xung quanh điểm làm việc Các mơ hình biểu diễn dạng IPZ PPZ Chương trình bày nhược điểm điều khiển PID trình IPZ, độ điều chỉnh Cách khắc phục sử dụng điều khiển bậc tự sử dụng khâu feedforward (khâu truyền thẳng) để loại bỏ tượng Chương 3: Luận văn nghiên cứu mơ hình phần sấy khơ, trình gồm 03 trình: Quá trình thứ điều chỉnh áp suất bão hòa vào lô sấy truyền nhiệt qua vỏ lô sấy truyền đến giấy, trình thứ hai trình truyền nhiệt qua giấy trình thứ ba điều chỉnh lưu lượng khơng khí thổi vào xung quanh lô sấy để làm cho nước bốc nhằm trì độ ẩm giấy Qua luận văn sử dụng phương pháp điều khiển Mid – ranging nhằm điều khiển ổn định độ ẩm giấy thông qua điều khiển đồng thời hai trình điều chỉnh áp suất bão hòa vào lơ sấy điều chỉnh lưu lượng khơng khí thổi vào xung quanh lô sấy để làm cho nước bốc nhằm trì độ ẩm giấy Kết mơ cho thấy chiến lược điều khiển Mid – ranging cho kết độ ẩm ổn định hơn, mức độ dao động giảm so với chiến lược điều khiển áp suất đưa vào lô sấy túy Chất lượng ổn định áp suất hiệu chỉnh cách lựa chọn tham số t , t Chương 4: Cài đặt thêm khâu feed forward trình bày chương hai để chuyển điều khiển PID nhóm lơ sấy thành điều khiển hai bậc tự cách thêm vào hai khâu hiệu chỉnh feedforward Mu(s) My(s) Sự hiệu chỉnh góp phần nâng cao chút độ ổn định giấy Các vấn đề nghiên cứu luận văn là:  Nghiên cứu cách xây dựng mô hình mơ tả quan hệ lưu lượng vào lô sấy độ mở van, quan hệ với biến thiên áp suất lô sấy biến thiên nhiệt độ trung bình xung quanh điểm làm việc Các mơ hình biểu diễn dạng IPZ PPZ  Nghiên cứu cách thiết kế điều khiển bậc tự sử dụng khâu feedforward để khắc phục tượng điều chỉnh sử dụng điều khiển PID mơ hình IPZ  Nghiên cứu cách sử dụng phương pháp điều khiển Mid – ranging nhằm điều khiển ổn định độ ẩm giấy thông qua điều khiển đồng thời hai trình điều chỉnh áp suất bão hòa vào lơ sấy điều chỉnh lưu lượng khơng khí thổi vào xung quanh lơ sấy để làm cho nước bốc nhằm trì độ ẩm giấy Hướng nghiên cứu tiếp:  Nghiên cứu cách hồn thiện mơ hình PPZ để biểu diễn q trình sấy nhằm mơ tả xác động học trình sấy  Nghiên cứu cách đưa cách lựa chọn thông số điều khiển Mid-ranging theo tham số thực tế hệ thống sấy nhằm nâng cao độ ổn định giấy TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ola Slätteke, (2006), “Modeling and Control of the Paper Machine Drying Section” Department of Automatic Control Lund University Lund, January 2006, PhD thesis [2] Dagens Industri (2004): “Skogsindustrierna tappar mark i tuff konkurrens.” Dagens Industri (a swedish daily paper), published 2004-02-14 [3] Dumont, G A., M S Davies, and K Natarajan (1993): “Estimation of moisture variations on paper machines.” IEEE Transactions on Control Systems Technology, 1(2) [4] Åström, K J (1967): “Computer control of a paper machine an application of linear stochastic control theory.” IBM Journal of Research and Development, 11(4) [5] Dumont, G A (1986): “Applications of advanced control methods in the pulp and paper industry: a survey.” Automatica, 22(2) [6] Bialkowski, W L (2000), “Advanced process control: Is it a cure for all process control needs”, The Entech Report, vol 12, no [7] Duncan, S (2003), “Transactions of the Institute of Measurements and Control”, 25(1), pp 1-2 [8] CEPI (2004), “European pulp and paper industry-Annual stastics” Confederation of European Paper Industry, 2004 [9] Fellers, C and B Norman (1998), “Papersteknik”, Institutionen for papersteknik, KTH [10] Natarajan, K., G A Dumont, and M S Davies (1988): “An algorithm for estimating cross and machine direction moisture profiles for paper machines.” IFAC/IFORS Symposium, pp 1091í1096, Beijing, PRC [11] Chen, S.-C., and R Subbarayan (1999): “Cross-machine direction response modeling with two-dimensional sheet variations measurements.” in Proceedings of American Control Conference, pp 3082í3086, San Diego, CA [12] Karlsson, M., and S Stenström (2005a): “Static and dynamic modelling of cardboard drying, part I: theoretical model.” Drying Technology,23(1í2), pp 143-163 [13] Allison, B J., and A J Isaksson (1998): “Design and performance of midranging controllers.” Journal of Process Control, 8(56), pp 469 -474 [14] Allison, B J., and S Ogawa (2003): “Design and tuning of valve position controllers with industrial applications.” Transactions of the Institute of Measurements and Control, 25(1) ... THUẬT CÔNG NGHIỆP BÙI VĂN BÌNH NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHỐI HỢP NHIỀU LÔ SẤY NHẰM NÂNG CAO MỨC ĐỘ ỔN ĐỊNH ĐỘ ẨM CỦA GIẤY Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 60 52 02 16... vào, độ dày giấy, nhiệt độ môi trường quan trọng mơ hình truyền nhiệt lô sấy chất độ làm việc khác dẫn tới độ ẩm giấy không ổn định Do việc nghiên cứu phương pháp điều khiển phối hợp nhiều lô sấy. .. sấy, qua xác định biến điều khiển ổn định độ ẩm mơ hình  Nghiên cứu phương pháp điều khiển ổn định độ ẩm giấy cho mơ hình hệ thống sấy nhiều lơ sấy  Cài đặt thử nghiệm Công ty Cổ phần giấy Hoàng