Bài giảng Tự động hóa quá trình công nghệ

Bộ lao động thương binh xà hội Trường đại học sư phạm kỹ thuật nam định Th.s nguyễn đức hỗ - Th.s nguyễn tiến hưng tập giảng T NG HểA QU TRèNH CễNG NGH Nam định 2011 LI NÓI ĐẦU Trong năm gần đây, việc ứng dụng cơng nghệ tự động tự động hóa vào sản xuất nhu cầu bắt buộc tối thiểu Tự động hóa q trình cơng nghệ thực mang lại hiệu to lớn cho kinh tế giới nói chung Việt Nam nói riêng Việc giảng dạy mơn học Tự động hóa q trình cơng nghệ đưa vào trường, nhiên nội dung cịn sơ sài cịn gói phạm vi cho chuyên ngành hẹp Hiện nước gần chưa có giáo trình hay giảng viết Tự động hóa q trình cơng nghệ phục vụ học tập nghiên cứu cho chuyên ngành Điện, Điện tử Qua nhiều năm nghiên cứu giảng dạy, tham khảo tài liệu liên quan đến tự động hóa tham gia sản xuất sửa chữa q trình cơng nghệ nhà máy biên soạn giảng “Tự động hóa q trình cơng nghệ” nhằm mục đích phục vụ cho học tập nghiên cứu học sinh – sinh viên khoa Điện – Điện tử trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định Bài giảng biên soạn dựa theo nội dung chương trình giảng dạy mơn học: “Tự động hóa q trình cơng nghệ” dành cho sinh viên đại học ngành công nghệ kỹ thuật điện, công nghệ tự động Nội dung tập giảng gồm hai chương sau: Chương 1: Cơ sở tự động hóa q trình cơng nghệ Chương 2: Tự động hóa số q trình cơng nghệ Bài giảng trình bày rõ dàng ngắn gọn dễ hiểu Nội dung phần thể rõ gắn liền lý thuyết với thực tế sản xuất đại ngày Cuối chương có câu hỏi tập kèm theo để sinh viên dễ dàng củng cố nội dung kiến thức có khả áp dụng trực tiếp vào trình sản xuất Để có tập giảng “Tự động hóa trình cơng nghệ” chúng tơi xin cảm ơn giúp đỡ nhà máy Xi măng Duyên Hà, Xi măng Bút Sơn, Cơng ty Bia Hương Sen Thái Bình nhiều nhà máy khu vực Chúng xin cảm ơn quan tâm tạo điều kiện Ban Giám hiệu, hội đồng khoa học cấp, phòng ban chức trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định Bài giảng biên soạn lần đầu hẳn không tránh khỏi khiếm khuyết mong nhận ý kiến góp ý bạn đồng nghiệp em sinh viên Mọi ý kiến góp ý xin gửi mơn Kỹ thuật điều khiển - Khoa Điện Điện tử - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định Nam định, tháng 10 năm 2011 Các tác giả MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA TỰ ĐỘNG HĨA Q TRÌNH CƠNG NGHỆ 1.1 Vai trị chức tự động hóa q trình cơng nghệ 1.1.1 Vai trị tự động hố q trình cơng nghệ 1.1.2 Chức hệ thống TĐH QTCN 1.2 Một số khái niệm hệ thống ĐK TĐH QTCN 1.3 Cấu trúc hệ tự động hóa trình cơng nghệ 1.3.1 Cấu trúc hệ thống lớn – hệ 1.3.2 Cấu trúc phân cấp 23 1.4 Các kiểu ghép máy tính với q trình cơng nghệ 25 1.4.1 Máy tính chế độ cố vấn cho trình điều khiển 25 1.4.2 Máy tính điều khiển đơn vị điều khiển trung tâm (điều 26 1.4.3 Máy tính thực chức điều khiển trực tiếp 28 1.5 Thiết bị kỹ thuật hệ thống TĐH QTCN 30 1.5.1.Các loại thiết bị hệ TĐH QTCN 30 1.5.2 Các ký hiệu sơ đồ chức hệ thống tự động 33 1.6 Nguồn cung cấp lượng cho hệ thống thiết bị điều khiển tự động 43 1.6.1 Nguồn cung cấp khí nén 43 1.6.2 Nguồn cung cấp điện 45 1.7 Cơ sở thiết kế hệ thống tự động hóa – QTCN 46 Câu hỏi chương 49 Chương TỰ ĐỘNG HĨA MỘT SỐ Q TRÌNH CƠNG NGHỆ 50 2.1 Tự động hóa q trình xử lý nước (nước nấu bia) 50 2.1.1 Đặc điểm công nghệ thiết bị 50 2.1.2 Hệ thống điều khiển trình xử lý nước 54 2.2 Tự động hóa trình sản xuất bia 70 2.2.1 Đặc điểm công nghệ thiết bị 72 2.2.2 Tự động hóa số cơng đoạn sản xuất bia 92 2.3 Tự động hóa q trình sản xuất xi măng 111 2.3.1 Giới thiệu công nghệ sản xuất xi măng 111 2.3.2 Tự động hoá sản xuất xi măng 123 2.3.3 Một số cố thường gặp 136 2.3.4 Hệ thống điều khiển nhà máy 140 2.4 Tự động hóa hệ thống xử lý nước thải 151 2.4.1 Tổng quan hệ thống xử lý nước thải 151 2.4.2 Hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt 160 2.4.3 Tự động hóa xử lý nước thải nhà máy bia 166 Câu hỏi chương 188 TÀI LIỆU THAM KHẢO .190 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA TỰ ĐỘNG HĨA Q TRÌNH CƠNG NGHỆ 1.1 Vai trị chức tự động hóa q trình cơng nghệ 1.1.1 Vai trị tự động hố q trình cơng nghệ Xu phát triển khoa học kỹ thuật ngày ứng dụng kỹ thuật điện tử, kỹ thuật tin học, khí xác để thực tự động hoá Tự động hoá áp dụng cho máy, tổ hợp máy đến dây chuyền công nghệ, nhà máy tiến tới tự động hoá ngành sản xuất Trong trình phát triển tự động hố (TĐH), lượng thơng tin trao đổi người với máy, máy với máy không ngừng tăng lên Ngày để sản xuất sản phẩm có chất lượng tốt người ta phải khống chế điều chỉnh hàng chục, hàng trăm thông số hay tiêu kinh tế kỹ thuật khác Để điều khiển phân xưởng xí nghiệp hoạt động nhịp nhàng, người điều khiển quản lý hàng ngày hàng giờ, phải thu nhận xử lý lượng thông tin lớn kỹ thuật, kinh tế, nhu cầu thị trường vv… Để điều khiển trình sản xuất, để định xác, kịp thời, thông thường người ta phải xử lý qua nhiều cấp với nhiều thông tin khác Nếu việc xử lý thơng tin khơng xác không kịp thời dẫn đến định sai lầm gây tổn hại lớn cho sản xuất Để thu nhập, gia công, xử lý, truyền tải lưu trữ thông tin thông thường phải sử dụng máy đông người để ghi chép thống kê, báo cáo phức tạp nặng nề chậm chạp Từ máy tính đời tình hình nói thay đổi Máy tính dùng thiết bị vạn đặt trực tiếp dây chuyền công nghệ để điều khiển thông số kỹ thuật Hơn máy tính cịn dùng hệ thống giám sát, quản lý q trình cơng nghệ, trình sản xuất để thu nhập xử lý khối lượng lớn thông tin - kỹ thuật nhằm trợ giúp người điều khiển tối ưu trình sản xuất Như nhờ máy tính người ta xây dựng hệ thống điều khiển (quản lý) tự động hố q trình cơng nghệ (sản xuất) Nếu khí hố giảm nhẹ sức lao động chân tay người TĐH khơng ngừng giảm nhẹ sức lao động chân tay mà lao động trí óc người Điều làm cho TĐH trở thành đặc trưng công nghiệp đại Các hệ thống điều khiển tự động hóa qúa trình công nghệ (ĐK TĐH QTCN) đưa lại hiệu kinh tế xã hội rõ rệt như: nâng cao chất lượng sản phẩm tăng suất lao động, hạ giá thành sản phẩm, sử dụng hợp lý nguyên liệu lượng, giảm số người trực tiếp sản xuất vv… Các hệ thống ĐK TĐH QTCN với kích thước ngày gọn nhẹ vận hành thuận tiện, áp dụng vào hầu hết lĩnh vực kinh tế quốc dân 1.1.2 Chức hệ thống TĐH QTCN Tuỳ thuộc vào q trình cơng nghệ, hệ thống TĐH - QTCN hoàn thiện với chức chủ yếu sau đây: - Chức thông tin - Chức trao đổi trực tiếp - Chức điều khiển - Chức bổ trợ 1) Chức thơng tin Hệ thống tự động hố q trình cơng nghệ phải đảm bảo vấn đề thơng tin cho tồn hệ Nội dung thơng tin cần phải giải bao gồm: - Chọn, soạn thảo thu nhận thơng tin Ví dụ: đo lường thơng số q trình, tín hiệu trạng thái hệ thống…; - Kiểm tra, ghi lại thông số trình, trạng thái kỹ thuật thiết bị so với ban đầu, u cầu tín hiệu hố giá trị vượt giới hạn ; - Phân tích hoạt động hệ thống, ghi nhận trạng thái khơng an tồn ; - Ghi lại q trình công nghệ theo thông số công nghệ yêu cầu Ví dụ: đồ thị, ảnh… *) Chức trao đổi trực tiếp: Các hệ thống dùng trao đổi trực tiếp có nhiệm vụ xử lý logic thơng tin hệ thống, lấy thông tin quan trọng trạng thái hệ thống Dựa vào xử lý hệ thống trạng thái cố điều khiển hoạt động bình thường cho hệ Các nhiệm vụ có: - Trao đổi điều kiện công nghệ, trạng thái thiết bị công nghệ; - Kiểm tra thông tin, cho kết quả; - Thơng báo trước tình trạng cố, khả giảm chất lượng sản phẩm 2) Chức điều khiển Chức nhằm đưa công nghệ thực đạt mục tiêu hiệu Các hệ chức điều khiển phải đảm bảo: - Điều chỉnh, bảo vệ, điều khiển logic…(theo yêu cầu công nghệ ) thông số hệ: - Ổn định thông số công nghệ; - Đảm bảo chống nhiễu lên hệ thống; - Dừng khởi động liên động thay đổi ca sản xuất; - Điều khiển hoạt động bổ trợ, lượng…; - Kiểm tra hoạt động luật điều khiển; - Chọn chế độ tối ưu cho hoạt động máy; - Cùng với người vận hành, phải đảm bảo điều khiển hệ chế độ hệ thống; - Đảm bảo kế hoạch tối ưu cho trình sản xuất 3) Chức bổ trợ Ngồi chức nói hệ TĐH QTCN phải đáp ứng số u cầu khác có liên quan đến mơi trường sức khỏe người ngồi mơi trường làm việc Ví dụ như: - Bảo vệ sức khoẻ người (người vận hành, quanh khu vực ) - Bảo vệ chống cháy; - Bảo vệ an toàn, kỹ luật lao động; - Bảo vệ chống cố lên người vận hành, môi trường - Bảo vệ vấn đề mơi trường khí thải, nước thải Mức độ chức phụ thuộc vào phát triển kỹ thuật mức độ đầu tư tự động hoá, yêu cầu chất lượng sản phẩm 1.2 Một số khái niệm hệ thống ĐK TĐH QTCN Cấu trúc phân cấp điều khiển Hệ thống điều khiển tùy theo u cầu cơng nghệ mơ tả theo hình tháp phân làm cấp điều khiển hình 1 Cấu trúc gọi cấu trúc phân cấp điều khiển Management’ system Supervision Hệ ĐK TĐH QTSX Process control Hệ ĐKTĐ-GS Local control điều khiển cục Individual control Cơ cấu chấp hành Supervisory control Central computer Cấp Computers Terminals Cấp Controllers PID, PLC Cấp Sensors Measurement actuators Cấp Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc phân cấp điều khiển Cấp cấp trường (Field) cấp tiếp xúc hệ điều khiển QTCN Ở có cảm biến (sensor), thiết bị dùng để thu nhận tin tức từ QTCN Ở cấp cịn có cấu chấp hành (Actuator) rơle, động cơ, van vv… Dùng để nhận thông tin điều khiển chấp hành lệnh điều khiển Cấp cấp điều khiển cục (local control) Ở thực việc điều khiển máy, phận QTCN Các hệ thống ĐKTĐ nhận thông tin QTCN cấp thực thao tác (operation) tự động theo chương trình người cài đặt sẵn Một số thông tin QTCN kết việc điều khiển chuyển lên cấp Ở cấp thường đặt điều khiển PC, Controllers, phổ biến dùng điều khiển logic khả trình (PLC) PLC xây dựng sở thiết bị vi xử lý (microprocessor) cổng vào (I/O) tương tự (analog) số (digital) nên thuận tiện việc trao đổi thơng tin với QTCN máy tính Nhờ có khả lập trình, PLC có tính mềm dẻo, dùng cho cơng nghệ khác coi PLC thiết bị điều khiển vạn Cấp điều khiển TĐH QTCN Ở cấp có máy tính (MT) mạng máy tính MT thu nhận thơng tin QTCN ( từ cấp đưa lên) xử lý thông tin trao đổi thơng tin với người điều khiển (NĐK) Thơng qua MT, NĐK can thiệp vào QTCN, hệ thống điều khiển thuộc hệ người - máy Cấp cấp điều khiển tự động hố q trình sản xuất – ĐK TĐH QTSX Ở cấp có trung tâm máy tính (TTMT) Ở khơng xử lý thơng tin trình sản xuất tình hình cung ứng vật tư, nguyên liệu, tài chính, lực lượng lao động, tình hình cung cầu thị trường vv… Trung tâm MT xử lý khối lượng thông tin lớn đưa giải pháp tối ưu để người điều khiển lựa chọn Người điều khiển lệnh để can thiệp sâu vào trình sản xuất chí thay đổi tiêu sản xuất Cũng ĐKTĐ (Ở cấp 2) hệ thống ĐK TĐH QTCN hệ người – máy cấp cao hơn, phạm vi điều khiển rộng Định nghĩa phân biệt hệ ĐKTĐ hệ ĐK TĐH QTCN QTSX - Hệ ĐKTĐ hệ thực thao tác sử dụng chương trình định trước (do người đặt trước) khơng có can thiệp người Con người đóng vài trị khởi động hệ Trong thực tế điều chỉnh PID, PLC, mạch rơle – contactor làm việc cấp điều khiển sơ đồ cấu trúc phân cấp hệ điều khiển hình 1.1 Con người thay đổi lệnh hệ ĐKTĐ cách cắt khỏi QTCN để thay đổi cấu trúc nạp lại chương trình - Hệ ĐK TĐH hệ tự động hố q trình xử lý thơng tin q trình cơng nghệ q trình sản xuất Trong hệ người phần quan trọng hệ Thường xun có trao đổi thơng tin người máy Hệ ĐK TĐH thuộc hệ người - máy Con người làm việc khâu quan trọng hoạch định mục tiêu hoạt động hệ định quan trọng đảm bảo mục tiêu định Trong thực tế hệ ĐK TĐH QTCN ĐK TĐH QTSX làm việc cấp điều khiển sơ đồ cấu trúc phân cấp hệ điều khiển hình 1 Thực chất vấn đề điều khiển trình thu thập, lựa chọn, xử lý, lựa chọn hàm truyền đạt thông tin điều khiển Trước việc xử lý thông tin người đảm nhiệm, ngày việc xử lý thông tin hệ ĐK TĐH QTCN QTSX đảm nhiệm 1.3 Cấu trúc hệ tự động hóa q trình cơng nghệ 1.3.1 Cấu trúc hệ thống lớn – hệ 1) Sơ đồ cấu trúc hệ thống Cấu trúc hệ thống lớn – hệ thuộc loại hệ thống lớn có cấu trúc phức tạp Hệ thường phân cấp thành hệ tổ chức kiểu phân cấp Các thông tin trước tiên xử lý cấp sau truyền cấp cao Ở cấp người điều khiển nhận thông tin qua xử lý cấp thông tin bổ sung để đưa định điều khiển Hệ ĐK TĐH QTCN phân thành hệ chức hệ đảm bảo hình 1.2 Kế hoạch sản xuất Các hệ chức Thiết bị vật tư Tài Đảm bảo thơng tin Đảm bảo tốn học Đảm bảo kỹ thuật Các hệ đảm bảo Hình 1.2.Cấu trúc hệ hệ TĐH QTCN Hệ chức đơn vị giải nhiệm vụ cụ thể định phận hệ TĐH QTCN Số lượng nhiệm vụ hệ chức phụ thuộc vào QTCN Đối với nhà máy, cơng ty sản xuất hệ chức phân hình 1.2 bao gồm phòng (ban) kế hoạch sản xuất, thiết bị vật tư, phịng tài chính, phịng kỹ thuật, phịng cơng nghệ Nếu QTCN sở đào tạo hệ chức là: phịng đào tạo, phịng cơng tác học sinh sinh viên, phịng kế tốn tài vụ, phịng Khi điều khiển tay, không cho phép mở lúc hai van NaOH HCl (liên động cấm chỉ) Khi muốn bơm NaOH bắt buộc phải mở van NaOH trước, trái lại van đóng khơng cho phép bơm Tương tự bơm HCl Đây điều kiện khố liên động để tránh hỏng bơm Điều kiện liên động đặt PLC Khi chế độ Manual người vận hành tự định bật bơm hoá chất để pH đạt yêu cầu (lượng hoá chất tỷ lệ với thời gian mở bơm) Nếu bơm hố chất dùng biến tần thiết kế núm điều chỉnh mịn cho lượng hoá chất bàn điều khiển HMI Điều khiển khoá liên động pH START Chọn Mode N Mode Auto Y Y DO_LoW