Nghiên cứu và phát triển quy trình công nghệ và hệ thống scada cho nhà máy giấy

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA _o0o _ TRẦN VĂN TRUNG NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ VÀ HỆ THỐNG SCADA CHO NHÀ MÁY GIẤY CHUYÊN NGÀNH : TỰ ĐỘNG HÓA MÃ SỐ : 60 52 60 LUẬN VĂN THẠC SĨ Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2012 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM Cán hướng dẫn khoa học : TS TRƯƠNG ĐÌNH CHÂU (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM, ngày 25 tháng 07 năm 2012 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn Trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆNAM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -o0o Tp HCM, ngày 25 tháng 07 năm 2012 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRẦN VĂN TRUNG Ngày, tháng, năm sinh: 09/01/1987 Chuyên ngành: TỰ ĐỘNG HÓA Phái: Nam Nơi sinh: HẢI PHÒNG Mã số: 605260 MSHV: 10151098 I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ VÀ HỆ THỐNG SCADA CHO NHÀ MÁY GIẤY NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:  Tìm hiểu, nghiên cứu phát triển quy trình cơng nghệ cho nhà máy sản xuất giấy từ nguồn giấy thải phế liệu khác  Thiết kế xây dựng sơ đồ kết nối thiết bị trường, xây dựng tủ điều khiển, tủ động lực, sơ đồ kết nối cảm biến đối tượng điều khiển van, động cơ…  Xây dựng module điều khiển: PID, động cơ, van, điều khiển bước, module hiển thị… để từ phát triển xây dựng điều khiển hệ thống lớn  Lập trình điều khiển PLC để điều khiển quy trình cơng nghệ nhà máy giấy, lập trình khóa lẫn interlock bảo vệ hệ thống, lập trình process, xây dựng phép toán, giải thuật để hệ thống chạy cách tối ưu, tiết kiệm lượng  Mơ thực tế, giải thích cơng nghệ nhà giấy, sản xuất loại giấy khác như: giấy trắng, cấy carton, …  Phát triển hệ thống SCADA để điều khiển hệ thống process cung cấp đầy đủ tính điều khiển hệ thống SCADA: Thiết kế giao diện, phân quyền, real trend, historical trend, alarm, giao diện, báo cáo report… II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 30/01/2012 III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/06/2012 IV HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS TRƯƠNG ĐÌNH CHÂU Tp.HCM, ngày 06 tháng 10 năm 2012 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TS Trương Đình Châu GVC.TS Nguyễn Đức Thành TRƯỞNG KHOA… … LỜI CẢM ƠN Trước hết xin cảm ơn bố mẹ, gia đình ln ủng hộ nguồn động viên lớn, chỗ dựa vững tơi Kính gửi đến thầy TS TRƯƠNG ĐÌNH CHÂU lời cảm ơn chân thành sâu sắc, cảm ơn thầy tận tình hướng dẫn suốt trình thực luận văn Thạc sĩ Xin cảm ơn quý thầy cô môn Điều Khiển Tự Động khoa Điện - Điện Tử tận tình giảng dạy, trang bị cho chúng em kiến thức bổ ích khoảng thời gian học cao học Tôi xin cảm ơn người cộng công ty cổ phần Mỹ Việt hỗ trợ tơi hồn thành luận văn Tôi xin cảm ơn tất người thân, bạn bè, đặc biệt nhóm học viên cao học khóa 2010 động viên, góp ý, giúp đỡ tơi nhiều suốt q trình học tập thực luận văn TP Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2012 Trần Văn Trung TÓM TẮT LUẬN VĂN Trong đề tài mình, tơi nghiên cứu phát triển hệ quy trình cơng nghệ xây dựng hệ thống SCADA cho nhà máy sản xuất, tái chế giấy Tôi xây dựng giải thuật, phương pháp lập trình cho lập trình Process, xây dựng hệ thống hoạt động an toàn, tối ưu dựa theo sơ đồ công nghệ, xây dựng hệ thống SCADA đầy đủ tính năng, hỗ trợ tốt cho q trình sản xuất, đưa hệ thống vào sản xuất tự động hoàn toàn ABSTRACT In this thesis, I studied and developed paper recycling technology as well as SCADA system I have built algorithms, programming methods for process system to make sure that the system works in a safe and optimal way, based on flow sheet technology I built a SCADA system with full features, which can assist manufacturing and bring the manufacturing process into absolutely automatic world LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết nghiên cứu thực luận văn kết đạt từ cơng sức nổ lực thân Các kết tham khảo từ nghiên cứu cá nhân hay tổ chức khác trích dẫn nguồn gốc rõ ràng Nếu có kết không với lời cam kết này, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm trước nhà trường pháp luật Tp.HCM, ngày 25 tháng 07 năm 2012 Người viết cam đoan Trần Văn Trung MỤC LỤC CHƯƠNG 1.1 Tính cấp thiết đề tài trang 1.2 Mục đích luận văn trang CHƯƠNG CƠ SƠ LÝ THUYẾT 2.1 Quy trình sản xuất bột giấy từ giấy carton trang 2.2 Quy trình sản xuất giấy trắng từ bột giấy UKP trang 2.3 Nguyên lý làm việc đặc tính kỹ thuật thành phần nhà máy giấy trang 14 2.3.1 Bể nghiền thủy lực trang 14 2.3.2 Sàng tách rác nặng trang 15 2.3.3 Sàng tách rách nhẹ trang 16 2.3.4 Tang trống trang 16 2.3.5 Lọc cát nồng độ cao trang 17 2.3.6 Lọc cát nồng độ thấp trang 18 2.3.7 Sàng thô sàng tinh trang 20 2.3.8 Máy cô đặc trang 22 2.3.9 Máy nghiền trang 23 2.3.10 Hệ thống bể chứa trang 23 2.3.11 Bô phận tiếp cận trang 24 2.3.12 Hòm phun bột trang 25 2.3.13 Lô lưới trang 26 2.3.14 Phần ép trang 26 2.3.15.Bộ phận sấy trang 27 2.3.16 Hệ thống dịch tráng trang 28 2.3.17 Thùng xi lô trang 29 2.3.18 Xử lý khí khơng ngưng trang 29 2.4 Lập trình điều khiển hệ thống trang 29 2.4.1 Sơ lược phương pháp lập trình trang 29 2.4.2 Các vấn đề khó khăn gặp phải lập trình hệ thống điều khiển nhà giấy trang 32 2.4.3 Hướng giải trang 33 2.4.4 Các điều khiển sử dụng hệ thống trang 33 2.4.5 Cấu hình hệ thống SCADA trang 36 CHƯƠNG THI CÔNG HỆ THỐNG SCADA CHO NHÀ MÁY GIẤY 3.1 Tiêu chuẩn kỹ thuật thi công phần cứng trang 38 3.2 Lập trình PLC SCADA cho nhà máy giấy trang 46 3.2.1 Dây chuyền sản xuất giấy carton trang 46 3.2.2 Dây truyền sản xuất giấy trắng trang 84 3.3 Các thành phần hệ thống SCADA trang 100 3.3.1 Hệ thống cảnh báo Alarm trang 100 3.3.2 Biểu đồ thời gian thực Real time trang 101 3.3.3 Biểu đồ thời gian khứ trang 101 3.3.4 Phân quyền điều khiển trang 102 3.3.5 Điều khiển mẻ trang 103 3.3.6 Tạo báo cáo trang 104 CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ trang 105 CHƯƠNG TÀI LIỆU THAM KHẢO trang 107 LUẬN VĂN THAC SĨ CHƯƠNG 1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Ngành công nghiệp giấy bột giấy Việt Nam ngành quan trọng lĩnh vực sản xuất hàng tiêu dùng Mặc dù ngành đóng góp lớn cho thu nhập quốc dân lại cung cấp sản phẩm thiết yếu phục vụ phát triển giáo dục, văn hoá xã hội nhiều ngành công nghiệp khác Mặt khác công nghiệp giấy bột giấy coi ngành mũi nhọn góp phần xố đói giảm nghèo, chuyển dịch cấu kinh tế, phát triển kinh tế xã hội vùng sâu vùng xa Hiện công nghệ sản xuất giấy Việt Nam hạn chế, sản lượng giấy nhà máy sản xuất chưa tương xứng với nguồn tài ngun nhà máy tính tự động nhiều nhà máy cịn chưa cao Thêm vào đó, chất lượng giấy Việt Nam cịn thiếu kiểm tra chất lượng cách kịp thời Ở Việt Nam cịn có nhiều loại giấy chưa thể sản xuất, phải nhập từ nước Để giúp ích phần cho ngành công nghệ giấy Việt Nam nên em chọn đề tài Nghiên cứu phát triển quy trình cơng nghệ hệ thống SCADA cho nhà máy giấy Trong đề tài mình, em nghiên cứu phát triển quy trình cơng nghệ sản xuất giấy, xây dựng giái pháp điều khiển hệ thống tự động cho nhà máy giấy, nhằm giúp cho ngành sản xuất giấy Việt Nam phát triển tạo sản lượng giấy nhiều chất lượng tốt TRẦN VĂN TRUNG Page LUẬN VĂN THAC SĨ Chu trình khởi động chạy hệ thống máy nghiền: Hình 3.52 Chu trình khởi động hệ thống máy nghiền TRẦN VĂN TRUNG Page 94 LUẬN VĂN THAC SĨ Khi dừng hệ thống, để rửa bột dư lại trước tắt hệ thống máy nghiền nên có hệ thống sối nước để rửa trước bơm tắt, có chọn lựa đường bột rửa (có thể đến bể chứa sau nghiền quay bể chứa trước nghiền) Hình 3.53 Module giao diên điều khiển nước rửa máy nghiền 3.2.3.4 Hệ thống trộn xơ sợi Các xơ sợi dài, xơ sợi ngắn giấy thải từ phần xeo (những phần giấy bìa cắt ra) đưa vào bể trộn để trổn lẫn theo tỷ lệ định trước đưa sang bể máy TRẦN VĂN TRUNG Page 95 LUẬN VĂN THAC SĨ Để điều khiển trổn lẫn ba bể chứa: xơ sợi dài, xơ sợi ngắn, giấy thải đưa theo tỷ lệ định có lắp điều khiển lưu lượng đường ống trước đổ vào bể trộn Tỷ lệ phần trăm xơ sợi dài xơ sợi ngắn ảnh hưởng đến chất lượng tờ giấy: giấy với hàm lượng xơ sợi dài nhiều làm độ kéo tăng, độ mịn giảm, độ đục Giấy thông thường tỷ lệ xơ sợi dài từ 10-20% Tùy thuộc vào mục đích sử dụng Hình 3.54 Giao diện điều khiển trộn thành phần Để điều khiển tỷ lệ thành phần trộn từ ba bể trên, điều khiển điều khiển lưu lượng Điều khiển điều khiển lưu lượng cách:  Điều khiển bẳng tay góc mở van  Điều khiển tự động lưu lượng van  Điều khiển lưu lượng van theo tỷ lệ đặt trước TRẦN VĂN TRUNG Page 96 LUẬN VĂN THAC SĨ 3.2.2.5 Hệ thống lọc cát trước sàng tinh Lưu lượng bôt chảy qua hệ thống lọc cát nặng nồng độ thấp để loại bỏ hoàn toàn hạt cát sỏi có khối lượng bột Hệ thống sàng lọc cát xếp với theo cấp, đầu sàng lọc cát cấp tới sàng, bột thải sàng sàng lọc cát cấp 2… Các bơm có nhiệm vụ tạo áp lực cho sàng Các điều khiển HIC để điều khiển mực nước bơm vào sàng điều khiển áp suất cho sàng Hình 3.55 Giao diện sàng lọc cát nồng độ thấp phần tiếp cận đầu xeo 3.2.2.6 Hệ thống điều khiển tiếp cận đầu xeo Đây phần trực tiếp ảnh hưởng đến hình thành tờ giấy: để điều khiển tạo tờ giấy có định lượng ý: định lượng tờ giấy 50, 60, 70…250 g/m2 Thì phải điều khiển lưu lượng lên xeo với lưu lượng định với tốc độ cho trước lô giấy máy xeo TRẦN VĂN TRUNG Page 97 LUẬN VĂN THAC SĨ Hình 3.56 Giao diện điều khiển sàng tinh phần tiếp cận đầu xeo 3.2.2.7 Khâu xử lý giấy thu hồi Trong trình tạo hình cho giấy, tức từ đầu lô lên lưới hình thành cuộn giấy tượng bột giấy rơi vãi, giấy rách từ lô sấy, giấy từ thủy lực trục bụng, giấy cắt lề hành thành cuộn giấy nhiều Do vậy, cộng việc thu hồi quan trọng Dòng bột loại đưa đến sàng đặc Sau bơm đến lọc cát nồng độ cao, có khơng qua máy deflaker, loại máy giống máy nghiền nhỏ, có động gắn vào dao nghiền Cuối bơm vào bể để chuẩn bị cho việc trộn bột để đưa lên xeo TRẦN VĂN TRUNG Page 98 LUẬN VĂN THAC SĨ Hình 3.57 Giao diện điều khiển phần xử lý giấy thu hồi từ xeo 3.2.2.8 Hệ thống sấy giấy Hệ thống sấy gồm chia thành nhiều cụm, dây truyền xeo, có nhiều cụm giấy khác độ ẩm, độ giãn,… có cụm sấy khác Hệ thống sấy gồm có van tổng để điều chỉnh tổ sấy, lơ có van điều khiển nhỏ để điều khiển lơ Các dịng nóng cấp vào lịng lơ sấy Nước ngưng lô sấy lấy ra, chuyển đến bình nước ngưng, nhiệt độ nước ngưng tương đối cao gần 1000C nên nhiệt nước ngưng thu hồi để cáp nhiệt cho hệ thống khác việc làm nóng hóa chất…Thêm vào đó, làm giảm nhiệt nước ngưng bơm nước ngưng bồn nước ngưng, tránh tượng xâm thực cánh bơm ly tâm TRẦN VĂN TRUNG Page 99 LUẬN VĂN THAC SĨ Hình 3.58 Giao diện điều khiển phần sấy 3.3 Các thành phần hệ thống SCADA 3.3.1 Hệ thống cảnh báo Alarm Để báo cho người sử dụng cố, hay tình trạng bất thường, cần phải ý điều khiển: mực nước đầy, động khởi động,… Hình 3.59 Giao diện Alarm TRẦN VĂN TRUNG Page 100 LUẬN VĂN THAC SĨ 3.3.2 Biểu đồ thời gian thực (real time trend) Dùng để vẽ đáp ứng điều khiển thời gian thực, với giúp đỡ công cụ real trend, việc phân tích q trình điều khiển dễ dàng nhiều, người điều khiển có nhìn tổng quan điều khiển Hình 3.60 Giao diện real time 3.3.3 Biểu đồ thời gian khứ Historical trend Để vẽ biểu đồ biến, giá trị lưu lại khứ, để đánh giá, phân tích điều khiển TRẦN VĂN TRUNG Page 101 LUẬN VĂN THAC SĨ Hình 3.61 Giao diện Historical trend Chúng ta lưu liệu vào file hisdata.csv để kết nối, hay đưa liệu đến chương trình khác điều khiển Hình 3.62 Dữ liệu historical 3.3.4 Phân quyền điều khiển Cho phép người có quyền hạn khác nhau, có khả can thiệp, điều khiển chương trình khác nhau: Administrator có quyền cao cấu hình hệ thống TRẦN VĂN TRUNG Page 102 LUẬN VĂN THAC SĨ Engineer có quyền cao thấp Administrator điều khiển phần cho phép Operator giám sát điều khiển bên với quyền hạn thấp Hình 3.63 Giao diện đăng nhập quyền điều khiển 3.3.5 Điều khiển mẻ Trong sản xuất giấy, có nhiều loại ngun liệu khác nhau, có cơng thức sản xuất giấy khác nhau, điều khiển mẻ giúp cho việc điều khiển dễ dàng Phần mềm wonderware cho phép lập trình mẻ cách nhanh chóng dễ dàng Cấu hình điều khiển mẻ Hình 3.64 Giao diện cấu hình lập trình mẻ TRẦN VĂN TRUNG Page 103 LUẬN VĂN THAC SĨ Giao diện lập trình wonderware để lấy cơng thức điều khiển Hình 3.65 Giao diện điều khiển mẻ 3.3.6 Tạo báo cáo (report) Đơi q trình điều khiển cần ghi lại số liệu quan trọng, hay trình vận hành, ca vận hành sau cần biết vài số liệu ca vận hành trước,… lúc nay2 chức tao report phần mềm SCADA quan trọng Phần mềm Intouch hãng Wonderware cho phép tạo report, kết nối với Microsoft SQL, Microsoft Access,… Hình 3.66 Bảng liệu tạo report Microsoft Access TRẦN VĂN TRUNG Page 104 LUẬN VĂN THAC SĨ CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Xây dựng hệ thống điều khiển tự động để điều khiển dây truyền công nghệ cho nhà máy giấy đạt kết sang: Thiết kế tủ động lực (MCC) điều khiển động cơ: trực tiếp, sao-tam giác, khởi động mềm…đúng tiêu chuẩn kỹ thuật cung cấp cho tủ điều khiển đầy đủ tín hiệu để điều khiển: tín hiệu báo nguồn, tín hiệu báo động chạy… Thiết kế tủ điều khiển DCS để điều khiển hệ thống: xếp PLC, module vào ra, sơ đồ đấu nối, cách đấu nối tín hiệu vào ra, cách đấu nối thiết bị on/off analog, cách đấu nối loại thiết bị cảm biến đầu đo khác nhau… Tìm hiểu nhiều loại thiết bị đo khác từ xác định cách lấy tín hiệu từ thiết bị cảm biến Nói chung quy, có loại đấu dây cho thiết bị cảm biến: loại dây cấp nguồn dây tín hiệu, loại dây cấp nguồn riêng dây tín hiệu riêng Căn chỉnh cảm biến theo dải thích hợp để phù hợp với tín hiệu thực tế tín hiệu điều khiển: cảm biến áp suất đo mực nước, cảm biến áp suất đo áp suất, cảm biến nồng độ để đo nồng độ, đầu đo lưu lượng,… Căn chỉnh van điều khiển: van tuyến tính van ON/OFF để điều khiển cách xác, đưa đáp ứng phù hợp với trình điều khiển, đảm bảo đồng tín hiệu điều khiển góc mở thực tế van Xây dựng module điều khiển: PID, PI, điều khiển xung, khối điều khiển động cơ, khối điều khiển van,… cách tin cậy, đáp ứng yêu cầu cơng nghệ Lập trình khóa lẫn thiết bị hệ thống, để đảm bảo khơng có cố xảy ra, lập trình process, đảm bảo tất thành phần có liên quan với sơ đồ cơng nghệ phụ thuộc lẫn qua trình điều khiển, vận hành sai quy cách dẫn đến lỗi nguy nguy hiểm loại bỏ TRẦN VĂN TRUNG Page 105 LUẬN VĂN THAC SĨ Lập trình linh hoạt ngơn ngữ lập trình khác nhau: ngơn ngữ khối, ngơn ngữ Ladder, ngôn ngữ SFC,… tùy vào chức nhiệm vụ, làm cho chương trình mạch lạc, dễ hiểu, sửa lỗi Cấu hình điều khiển nhiều nhiều module vào ra: analog, digital I/O remote, module Ethernet để điều khiển mạng PLC SCADA Thiết kế giao diện SCADA điều khiển thân thiện, có đầy đủ tính hệ thống điều khiển SCADA: giao diện, cảnh báo, biểu đồ khứ, biểu đồ thời gian thực, cảnh báo khứ, làm báo cáo, phân quyền điều khiển, điều khiển qua mạng… Điều khiển kết nối SCADA PLC cách tin cậy, thời gian trễ tín hiệu điều khiển nhỏ đảm bảo hệ thống hoạt động tốt Tuy nhiên, hệ thống mặt hạn chế: Hệ thống chưa có tính điều khiển qua web, tạo web report, giới hạn quyền thành phần phần mềm Wonderware Xây dựng hệ thống điều khiển cho sơ đồ công nghệ chưa phải công nghệ sản xuất giấy tối ưu ngày Bởi cơng nghệ thiết thay đổi ngày, lập trình tự động thay đổi theo TRẦN VĂN TRUNG Page 106 LUẬN VĂN THAC SĨ CHƯƠNG TÀI LIỆU THAM KHẢO ANALYSIS OF TECHNOLOGY AND INFRASTRUCTURE OF THE PAPER RECYCLING INDUSTRY IN NEW YORK CITY Scott M Kaufman DỰ ÁN SẢN XUẤT GIẤY VÀ BỘT GIẤY Bộ tài nguyên môi trường PAPER RECYCLING TECHNOLOGY BY Dr Richard A Venditti TRẦN VĂN TRUNG Page 107 PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Trần Văn Trung Ngày, tháng, năm sinh: 09/01/1987 Nơi sinh:Hải Phòng Địa liên lạc: Phước Tín - Phước Long - Bình Phước Q TRÌNH ĐÀO TẠO Từ 2005 – 2009 Học trường đại học Cơng Nghiệp TP.Hồ Chí Minh Từ 2010 – 2012 Học cao học trường Đại Học Bách Khoa TP HCM Q TRÌNH CƠNG TÁC Từ 2009 – 2011 Cơng tác trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Từ 2012 – Công tác công ty cổ phần Mỹ Việt ... TÀI: NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ VÀ HỆ THỐNG SCADA CHO NHÀ MÁY GIẤY NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:  Tìm hiểu, nghiên cứu phát triển quy trình cơng nghệ cho nhà máy sản xuất giấy từ nguồn giấy. .. tơi nghiên cứu phát triển hệ quy trình cơng nghệ xây dựng hệ thống SCADA cho nhà máy sản xuất, tái chế giấy Tơi xây dựng giải thuật, phương pháp lập trình cho lập trình Process, xây dựng hệ thống. .. loại giấy chưa thể sản xuất, phải nhập từ nước ngồi Để giúp ích phần cho ngành cơng nghệ giấy Việt Nam nên em chọn đề tài Nghiên cứu phát triển quy trình cơng nghệ hệ thống SCADA cho nhà máy giấy