Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ điều khiển giám sát tự động để tối ưu năng suất và cỡ hạt máy nghiền bột đá siêu mịn cỡ micromet trên cơ sở công nghệ điều khiển lập trình với sự trợ giúp của máy tính

t BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN MÁY VÀ DỤNG CỤ CÔNG NGHIỆP BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI MÃ SỐ: 142.11RD/ HĐ-KHCN Tên đề tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT TỰ ĐỘNG ĐỂ TỐI ƯU

t BỘ CÔNG THƯƠNG

VIỆN MÁY VÀ DỤNG CỤ CÔNG NGHIỆP

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

MÃ SỐ: 142.11RD/ HĐ-KHCN

Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT

TỰ ĐỘNG ĐỂ TỐI ƯU NĂNG SUẤT VÀ CỠ HẠT MÁY NGHIỀN BỘT

ĐÁ SIÊU MỊN CỠ µM TRÊN CƠ SỞ CÔNG NGHỆ ĐIỀU KHIỂN LẬP

TRÌNH VỚI SỰ TRỢ GIÚP CỦA MÁY TÍNH

CƠ QUAN CHỦ TRÌ CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI

TS NGUYỄN ĐỨC MINH ThS PHAN ANH DŨNG

9065

BÁO CÁO TÓM TẮT TÌNH HÌNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP BỘ NĂM 2011

1 Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ điều khiển giám sát tự động để

tối ưu năng suất và cỡ hạt máy nghiền bột đá siêu mịn cỡ µm trên cơ sở công nghệ điều khiển lập trình với sự trợ giúp của máy tính

2 Chủ nhiệm đề tài: ThS Phan Anh Dũng

3 Thời gian thực hiện đề tài: Từ 01/01/2011 đến 30/11/2011

4 Nội dung và kết quả đạt được

Sau thời gian nghiên cứu và triển khai đề tài, nhóm nghiên cứu đã thực hiện được các công việc sau:

+ Thu thập và nghiên cứu tài liệu về ứng dụng của hệ điều khiển cho máy nghiền bột đá siêu mịn

+ Khảo sát các hệ thống điều khiển cho máy nghiền bột đá siêu mịn hiện đang được sử dụng trong nước và trên thế giới

+ Thiết kế, lựa chọn thiết bị phần cứng cho hệ thống điều khiển máy nghiền bột đá siêu mịn phù hợp với điều kiện Việt Nam

+ Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển cho máy nghiền bột đá siêu mịn + Xây dựng phần mềm điều khiển giám sát tự động cho máy nghiền bột

đá siêu mịn

+ Thử nghiệm hệ thống điều khiển trên cơ sở mô phỏng thiết bị đầu vào

+ Khảo nghiệm đánh giá chất lượng của hệ thống

+ Hoàn thiện thiết kế nguyên lý, thiết kế mạch in, phần mềm xử lý và quy trình lắp ráp sản phẩm

5 Tài chính

Kinh phí của đề tài đã được sử dụng hết phục vụ cho công tác khảo sát nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và hoàn thiện sản phẩm Kinh phí sử dụng theo đúng quy định của nhà nước

6 Kiến nghị

Nhóm thực hiện đề tài đã thực hiện đúng các yêu cầu của đề tài đã đăng

ký, các nội dung công việc về khảo sát, thiết kế, chế tạo và hoàn thiện sản phẩm Hiện nay các nội dung cơ bản của đề tài đã được hoàn thành Đề nghị cho phép báo cáo nghiệm thu đề tài

Chủ nhiệm đề tài

ThS.Phan Anh Dũng

DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN CHÍNH

môn

Cơ quan

1 Phan Anh Dũng Thạc sỹ Điện tử-Viễn Thông Viện Máy và DCCN

2 Nguyễn Hoài Anh Thạc sỹ Tự động hóa Viện Máy và DCCN

3 Ngô Xuân Cường Thạc sỹ Điện tử-Viễn Thông Viện Máy và DCCN

4 Đỗ Tùng Linh Thạc sỹ Chế tạo máy Viện Máy và DCCN

5 Nguyễn Bá Diệu Kỹ sư Chế tạo máy Viện Máy và DCCN

6 Lê Hoàng Hải Kỹ sư Tự động hóa Viện Máy và DCCN

7 Nguyễn Trung Kiên Kỹ sư Tự động hóa Viện Máy và DCCN

8 Dương Văn Nghĩa Kỹ sư Tự động hóa Viện Máy và DCCN

9 Nguyễn Hữu Vĩnh Kỹ sư Tin học Viện Máy và DCCN

10 Nguyễn Hồng Giang Kỹ sư Điện tử -Viễn Thông Viện Máy và DCCN

MỤC LỤC

Lời nói đầu 6

Phần 1: Tổng quan 8

1 Công nghệ nghiền bột đá siêu mịn 8

2 Một số máy nghiền bột đá siêu mịn đặc trưng 11

3 Ứng dụng của bộ điều khiển tự động trong máy nghiền bột đá siêu mịn 13

4 Tình hình nghiên cứu ở trong nước và ngoài nước 13

5 Một số thiết bị điều khiển nghiền tự động ở Việt Nam 15

Phần 2: Nội dung nghiên cứu của đề tài 19

1 Xây dựng cấu trúc hệ điều khiển các máy nghiền bột đá siêu mịn 19

2 Lựa chọn cấu hình thiết bị phù hợp điều kiện Việt Nam 21

3 Thiết kế mạch nguyên lý các mô đun 23

3.1 Mô đun điều khiển cấp liệu 23

3.2 Mô đun điều khiển nghiền 26

3.3 Mô đun điều khiển phân ly 29

3.4 Mô đun điều khiển lọc giũ 30

3.5 Mô đun điều khiển áp lực khí 31

3.6 Mô đun truyền thông 32

3.7 Mô đun nguồn 32

4 Phương án chế tạo phần cứng cho các mô đun 33

5 Thiết kế phần mềm giám sát điều khiển 34

Phần 3: Kết quả chế tạo và thử nghiệm 52

1 Kết quả chế tạo 52

2 Kết quả thử nghiệm hiện trường 53

Phần 4: Kết luận và kiến nghị .61

Phụ lục 1: Sơ đồ mạch in các mô đun 62

Phụ lục 2: Mã nguồn phần mềm điều khiển hệ thống 67

Phụ lục 3: Sơ đồ điện hệ thống nghiền 86

Phụ lục 4: Biểu đồ năng suất theo độ mở van và tốc độ phân ly 93

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời gian qua, cùng với sự phát triển của đất nước, các sản phẩm cơ điện tử công nghệ cao có mặt ở khắp mọi nơi Trong sự phát triển chung của các sản phẩm cơ điện tử, các máy nghiền siêu mịn cũng có mặt ở khắp mọi nơi

Với hệ thống cơ khí chính xác và tính chất vật liệu siêu bền, các hệ thống nghiền đã tạo ra rất nhiều hạt vật liệu phục vụ cho trong nước và xuất khẩu

Tuy nhiên, các máy nghiền trên, mà tiêu biểu là máy nghiền của hãng Hosokawa, có hệ điều khiển được thực hiện theo kiểu bán thủ công Việc đặt các thông số tối ưu cho hệ thống được thực hiện theo kinh nghiệm người vận hành Ngoài ra, trong quá trình vận hành, người vận hành sẽ luôn quan sát các thông

số cấp liệu, dòng nghiền, tốc độ phân ly và lưu lượng gió để kịp thời hiệu chỉnh đảm bảo cho cỡ hạt đúng yêu cầu và năng suất đạt tối đa Vì vậy, việc nghiên cứu để hệ thống tự động giám điều chỉnh các thông số phù hợp là rất cần thiết

Trong những năm gần đây, công nghệ vi điều khiển đã có nhiều tiến bộ vượt bậc Ngoài vấn đề tốc độ xử lý, dung lượng bộ nhớ, các mô đun hỗ trợ ngày càng nhiều thì các dòng vi điều khiển đã chú trọng nhiều hơn đến việc tăng dòng phát/thu, đặc biệt là tăng khả năng chống nhiễu, rất thuận lợi cho việc sử dụng trong công nghiệp

Viện IMI đã có nhiều năm hoạt động trong lĩnh vực thiết kế, chế tạo máy móc phục vụ lĩnh vực xây dựng Do vậy Viện đã có nhiều công trình nghiên cứu

và cho ra đời nhiều sản phẩm đo lường điều khiển dùng máy CNC, dùng Máy tính công nghiệp, dùng PLC và dùng vi điều khiển Nhiều sản phẩm hiện đang được ứng dụng trên các máy với độ tin cậy cao cũng như khả năng bảo hành, bảo trì sản phẩm một cách dễ dàng, tiết kiệm được rất nhiều ngoại tệ cho đất nước Riêng về lĩnh vực vi điều khiển, IMI đã nghiên cứu và chế tạo thành công nhiều hệ thống điều khiển đang được sử dụng như cân đóng bao, bộ điều khiển trạm trộn bê tông IMIDAT, bộ điều khiển định lượng 3 thành phần,

Với khả năng nắm bắt nguyên lý hoạt động của hệ thống nghiền siêu mịn,

sự phát triển của công nghệ Vi điều khiển cùng kinh nghiệm trong lĩnh vực đo

lường điều khiển của IMI, chúng tôi đã quyết định lựa chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ điều khiển giám sát tự động để tối ưu năng suất và cỡ hạt máy nghiền bột đá siêu mịn cỡ µm trên cơ sở công nghệ điều khiển lập trình với sự trợ giúp của máy tính”

Mục đích của đề tài là sử dụng máy tính kết hợp vi điều khiển và các linh kiện phụ trợ để xây dựng một bộ điều khiển giám sát tự động để tối ưu năng suất

và cỡ hạt máy nghiền bột đá siêu mịn cỡ µm được sản xuất tại Việt Nam như sau:

+ Nghiên cứu, thiết kế hoàn chỉnh hệ thống điều khiển kết nối với máy nghiền bột đá siêu mịn trên cơ sở thiết bị lập trình

+ Chế tạo hoàn chỉnh chế tạo hệ thống điều khiển giám sát tự động kết nối với thiết bị máy nghiền của hãng HOSOKAWA - CHLB Đức Xây dựng phần mềm điều khiển và giám sát tự động để tối ưu năng suất và cỡ hạt cho máy nghiền bột đá siêu mịn

Vì thời gian có hạn nên không thể tránh khỏi những sai sót nhất định, chúng tôi rất mong nhận được các ý kiến đóng góp chân tình để đề tài ngày càng hoàn thiện hơn, có tính thực tế cao hơn, góp phần nâng cao khả năng nội địa hoá các sản phẩm cơ điện tử cũng như góp phần nâng cao trình độ nhóm ngành điện

tử công nghiệp tại Việt nam

Nhóm đề tài xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ cũng như những ý kiến đóng góp của Lãnh đạo Viện, lãnh đạo Trung tâm và các đồng nghiệp trong quá trình thực hiện đề tài

Hà nội, ngày 15 tháng 11 năm 2011

TM Nhóm đề tài Chủ nhiệm đề tài

ThS Phan Anh Dũng

Phần 1 TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ

1 Công nghệ nghiền bột đá siêu mịn

Làm thế nào để nghiền các vật liệu có độ cứng khác nhau thành bột siêu mịn tới độ hạt nhỏ hơn 40 µm ( 1µm = 0.001 mm) đang được rất nhiều hãng trên thế giới nghiên cứu và cải tiến hàng ngày Qua quá trình nghiên cứu phát triển

đã cho ra đời một số công nghệ nghiền như sau:

Máy nghiền rung : Máy nghiền siêu mịn phương pháp rung được sáng

chế từ những năm 50 thế kỷ 20 Nguyên lý hoạt động gần giống như máy nghiền

bi Năng lượng nghiền được chuyển đến vật liệu nghiền thông qua hệ thống bi nghiền rung cao tần Máy nghiền rung hiện là máy có hiệu suất truyền năng lượng nghiền cao nhất Nếu như ở thiết bị nghiền thông thường, để nghiền nhỏ đến 5 um là rất khó, thì ở thiết bị loại này có thể giải quyết được Mặt hạn chế cơ bản của phương pháp này là năng suất nghiền thấp do khó khăn trong việc truyền toàn bộ năng lượng cao rung tầng hiệu quả tới số bi nghiền rất lớn Vì vậy các thiết bị này chỉ được dùng phổ biến trong phòng thí nghiệm hoặc sản xuất với quy mô nhỏ Rất nhiều hãng tên tuổi trên thế giới đang phát triển theo hướng này với mong muốn đạt được công suất cao, song dẫn đến giá thành chế tạo vô cùng đắt, ví dụ như sử dụng bi nghiền là loại bi gốm ( sứ )

Máy nghiền kiểu khí nén: Vào những năm 90 của thế kỷ 20, một nguyên

lý nghiền siêu mịn kiểu “ thổi khí nén “ nhờ hệ thống máy nén khí đã được ứng dụng tại các nước Châu Âu Nguyên liệu cần nghiền được “thổi” vào buồng nghiền do một dòng không khí cực mạnh tạo nên Dòng không khí này do một

hệ thống khí nén công suất cực mạnh với áp lực rất lớn tạo ra Tất nhiên, quả tim của hệ thống này là máy nén khí đặc biệt rất đắt tiền, được chế tạo đơn chiếc Phương pháp này có 3 nhược điểm cơ bản:

- Thứ nhất, tỷ suất nghiền thấp và tiêu hao năng lượng cao hơn rất nhiều

so với nguyên lý nghiền bi và nghiền rung, phần lớn năng lượng do máy nén khí cung cấp chủ yếu để đẩy không khí chứ không phải để nghiền sản phẩm

- Thứ hai, nhược điểm cơ bản là vấn đề tách và thu hồi sản phẩm lẫn trong dòng khí với áp lực lớn Việc tách được ra rất tốn kém Với những hạt sản phẩm với kích thước từ 10 um trở xuống, muốn tách được phải dùng đến hệ thống xilo khổng lồ và những túi lọc rất tốn kém

- Thứ ba, độ bào mòn rất lớn các tấm lót trong buồng nghiền do áp lực khí tạo nên với áp lực lên tới 200 m/s

Máy nghiền kiểu rotor : Hiện nay, người ta nói đến công nghệ nghiền

rotor siêu mịn áp dụng trong lĩnh vực quốc phòng Nga, Tây Âu và Mỹ Các thiết

bị nghiền kiểu này đều không được công bố và chỉ được mô tả một cách chung chung là : bộ phận chính của máy là một rotor quay với vận tốc cực lớn Làm sao để quay rotor với tốc độ cực lớn Không một tài liệu nào được công bố và chưa biết liệu có loại động cơ nào đang phổ biến đáp ứng được đòi hỏi đó Vì vậy, khả năng ứng dụng trong thực tiễn là xa vời và có thể là không khả thi bởi tính kinh tế của nó

Máy nghiền bi

Hình 1.1: Máy nghiền bi

Nghiền bi động năng cao hay Nghiền bi năng lượng cao (xuất phát từ tên gốc là High-energy ball milling) là một kỹ thuật luyện kim bột cho phép tạo ra các bột vật liệu có kích thước vài chục nanomet bằng cách nghiền các vật liệu dựa trên sự va đập từ các bi thép cứng được quay trong buồng kín với tốc độ rất cao Đây là một dạng công nghệ đang được dùng phổ biến, vì vậy, ta sẽ tìm hiểu

sâu hơn về loại công nghệ này

Nguyên lý hoạt động:

Phương pháp nghiền bi động năng cao là kỹ thuật dựa trên việc nghiền các vật liệu nhờ sự va đập của các bi thép (không rỉ) với vật liệu khi được đặt vào buồng kín được quay ly tâm với tốc độ rất cao (có thể đạt 650 vòng/phút đến vài ngàn vòng phút)

Khi mở máy quay, bi nghiền phía trong vỏ lúc đầu quay cùng nhờ lực ma sát, sau đó một số bi tách ra khỏi vỏ và rơi xuống theo quỹ đạo parabol, một số

bi khác lăn trượt lên nhau Kết quả là vật liệu được nghiền nhỏ do sự trượt tương đối giữa các viên bi và do va đập của bi vào vật liệu

Hình 1.2: Nguyên lý nghiền bi

Máy nghiền bi là sự lựa chọn trong nhiều năm của công nghiệp sản xuất bột khoáng sản cao cấp hoặc dùng để nghiền các loại quặng sắt và các vật liệu khác, là thiết bị quan trọng trong việc nghiền mịn Máy nghiền bi sử dụng rộng rãi vào các ngành nghiệp sản xuất như xi măng, sản phẩm si-li-cát, vật liệu xây dựng kiểu mới, vật liệu chịu lửa, phân hóa học, chọn quặng kim loại màu và đen, thủy tinh sự gốm …

- Theo kết cấu máy nghiền :

+ Hình trụ 1 bi nghiền + 2 buồng nghiền + Hình trụ nhiều buồng nghiền + Hình nón

+ Theo tỉ số L/D + Nghiền bi tang + Nghiền bi ống

- Theo phương pháp nạp và thoát liệu :

+ Nạp và xả qua 1 cửa + Nạp vào 1 cửa, xả theo chu vi + Nạp qua tâm trục chính, xả theo lỗ rỗng

- Theo kết cấu truyền động:

+ Truyền động tâm + Truyền động chu vi

- Theo sơ đồ vận chuyển của vật liệu bị nghiền:

+ Sơ đồ hở + Sơ đồ kín

Hình 1.3: Cấu trúc khoang nghiền bi

2 Một số máy nghiền siêu mịn đặc trưng

2.1 Máy nghiền quả lô Series

Loại máy nghiền quả lô này thích hợp để nghiền hơn 280 loại nguyên vật liệu sử dụng trong các ngành khoáng sản, hóa chất, vật liệu xây dựng, luyện kim v.v có độ cứng không lớn hơn cấp 7, độ ẩm dưới 6% như các vật liệu: đá vuông, đá nhọn, đá trượt, đá vôi, gốm sứ, kính,v.v…cỡ hạt liệu thành phẩm có thể điều chỉnh trong phạm vi là 100- 425mesh

Hình 1.4: Máy nghiền quả lô Series 2.2 Máy nghiền Alpine AG của hãng HOSOKAWA

Đây là dạng máy nghiền bi thông dụng ở Việt nam hiện nay, được dùng rất nhiều ở các tỉnh có mỏ đá trắng lớn như Nghệ An, Yên bái, Máy sử dụng công nghệ của Đức, được phân phối bởi hãng HOSOKAWA của Nhật Bản Do vậy, các kết cấu cơ khí cũng như thiết bị điều khiển của máy nghiền có chất lượng rất tốt

Hình 1.5: Quả nghiền trong máy nghiền Alpine tự động

3 Ứng dụng của bộ điều khiển trong các máy nghiền siêu mịn

Các máy nghiền siêu mịn hiện nay được thiết kế theo quy trình khép kín gồm cấp liệu, nghiền, phân ly và lọc nguyên liệu Việc đặt các thông số các cụm thiết bị cho phù hợp với nhau là rất cần thiết Tuy nhiên, nhóm thông số này chỉ nhận được thông qua kinh nghiệm hoạt động thực tế Người vận hành thường đặt các thông số trong quá trình chạy máy để đảm bảo tối ưu năng suất.Do vậy, các bộ điều khiển tự động cho các máy nghiền đã được nghiên cứu từ lâu

Các bộ điều khiển nghiền tự động có thể ở một trong các dạng sau:

+ Sử dụng máy tính kết hợp các mô đun thu thập xử lý dữ liệu cho việc điều khiển chung

+ Sử dụng PLC kết hợp với các mô đun I/O và ADC, DAC cho việc quản

lý dữ liệu và điều khiển

+ Sử dụng kết hợp máy tính và các mô đun vi điều khiển cho việc quản lý điều khiển hệ thống

4 Tình hình nghiên cứu ở trong nước và ngoài nước

Trong các sản phẩm cơ điện tử công nghệ cao ngày nay, ngoài các yêu cầu về cơ khí chính xác đạt độ ổn định cao còn cần các hệ thống điều khiển giám sát tự động cùng phần mềm quản lý dữ liệu tốt phục vụ cho quá trình sản xuất và quản lý

Trong công nghiệp sản xuất vật liệu cho các ngành công nghiệp nhẹ, các nguyên liệu đầu vào dưới dạng hạt chiếm tương đối lớn Để tạo ra nguyên liệu

dưới dạng hạt cung cấp cho dây chuyền trên thường sử dụng các máy nghiền vật liệu, tùy theo yêu cầu hạt đầu ra sẽ sử dụng máy nghiền thích hợp

Trên thế giới, để phục vụ cho đầu vào cho các dây chuyền sản xuất vật liệu đầu vào của thiết bị hạt mịn là rất lớn Vì vậy đã hình thành những hãng sản xuất thiết bị máy nghiền siêu mịn rất lớn như: Hosokawa Alpine, Christian Pfeiffer, Hazemag - CHLB Đức, Bằng nghiên cứu rất kỹ về công nghệ và ứng dụng những thành tựu khoa học mới nhất đặc biệt là công nghệ điều khiển các thiết bị của các hãng này càng tối ưu, chất lượng sản phẩm cao hơn và đặc biệt cỡ hạt càng bé hơn Việc giải quyết các bài toán tối ưu trong máy nghiền tạo ra đặc trưng riêng và bí quyết công nghệ của từng hãng tạo ra sự cạnh tranh cho sản phẩm của mình Hiện nay, trong các hãng sản xuất thiết bị máy nghiền thì chỉ có thiết bị máy nghiền của một vài hãng nghiền được sản phẩm cỡ µm, chủ yếu tập trung ở các nước công nghệ cao đặc biệt là CHLB Đức

Bột đá siêu mịn (cỡ µm) là nguyên liệu cho rất nhiều ngành sản xuất cao cấp như: sơn, mỹ phẩm, men cho gốm sứ, do vậy rất cần các thiết bị máy nghiền bột đá siêu mịn cho sản xuất nguyên liệu cao cấp này Hiện nay máy nghiền bột đá siêu mịn được sản xuất chủ yếu từ các nước công nghiệp phát triển (G7) trong đó chủ yếu là các hãng của CHLB Đức như: Hosokawa Alpine,

Tại các nước công nghiệp đang phát triển như: Trung Quốc, Hàn Quốc, do nhu cầu cấp bách của thực tiễn đang đầu tư nghiên cứu để tạo ra các máy nghiền bột đá siêu mịn cạnh tranh với sản phẩm của các nước công nghiệp phát triển nói trên Sản phẩm máy nghiền bột đá siêu mịn của các nước này mới đáp ứng được trong các dây chuyền bột đá siêu mịn cỡ trung bình và lớn, do vậy cần tiếp tục nghiên cứu kỹ và cải tiến nhiều về chất lượng mới đáp ứng được nhu cầu của sản xuất hiện đại

Để đạt được bột đá siêu mịn (cỡ vài chục µm) thì việc điều khiển máy nghiền phải giải quyết rất nhiều bài toán về năng suất và kích cỡ hạt Vì vậy đây chính là bí quyết công nghệ mà chỉ có những hãng từ các nước công nghiệp phát triển có được Đây chính là chìa khóa giúp giá trị thiết bị máy nghiền bột đá siêu mịn của các nước công nghiệp phát triển rất cao

Nước ta có nhiều núi đá trắng nên nguồn nguyên liệu để sản xuất bột đá siêu mịn rất dồi dào đáp ứng thoải mái cho nhu cầu trong nước và có khả năng xuất khẩu rất lớn nguyên liệu bột đá siêu mịn này Trước nhu cầu cấp bách rất nhiều

các cơ sở sản xuất trong nước đã tự đầu tư nhập dây chuyền sản xuất bột đá siêu mịn từ các nước công nghiệp phát triển Các dây chuyền tập trung chủ yếu tại những vùng có nguồn nguyên liệu lớn như: Nghệ An, Yên Bái, , những thiết bị nghiền bột đá siêu mịn nổi tiếng trên thế giới cũng được nhập về trong nước như thiết bị của hãng Hosokawa Alpine - CHLB Đức

Bột đá siêu mịn sản xuất trong nước không những đáp ứng nhu cầu sản xuất trong nước mà còn xuất khẩu sang thị trường nhiều nước như: Đài Loan, Thái Lan, Trước nhu cầu của thị trường hiện nay và trong thời gian tới rất nhiều các cơ sở sản xuất cần mở rộng và xây mới tại nhiều tỉnh trong cả nước như: Đồng Nai, Ninh Bình,

Hiện nay, hầu hết các máy nghiền bột đá siêu mịn trong nước ta được nhập từ các nước công nghiệp phát triển chủ yếu là CHLB Đức Các doanh nghiệp nhập về theo hai hướng: nhập nguyên sản phẩm bao gồm hệ thống cơ khí nghiền mịn và hệ thống điều khiển tự động hóa nâng cao năng suất theo cỡ hạt, hoặc là nhập riêng hệ thống cơ khí nghiền mịn và vận hành thủ công tùy theo giá thành đầu tư cho hệ thống Trong quá trình vận hành và sản xuất bột

đá siêu mịn tại nước ta có một số bài toán cần giải quyết như là thay thế hệ thống điều khiển tự động hóa cho những thiết bị hư hỏng mà không thể nhờ chuyên gia nước ngoài sửa chữa, hay là lắp thêm hệ thống điều khiển tự động hóa nâng cao năng suất theo cỡ hạt cho những máy đang vận hành thủ công, ngoài ra còn cần thêm chức năng quản lý bằng máy tính cho các hệ thống trên Trước những yêu cầu thực tế kể trên, việc trong nước tiếp cận và xây dựng được bộ điều khiển giám sát cho máy nghiền bột đá siêu mịn là điều hết sức cần thiết cho việc chủ động trong sản xuất và vận hành trong nước

Với việc đầu tư vào nghiên cứu ứng dụng của kỹ thuật điều khiển lập trình cho các thiết bị cơ - điện tử công nghệ cao, Viện IMI đã thành công trong việc xây dựng nhiều thiết bị cơ - điện tử tương đương các nước công nghiệp phát triển (G7) như: trạm trộn bê tông, cân băng định lượng, dây chuyền đập đá, và đặc biệt giải quyết một số bài toán tối ưu trong các sản phẩm này Đây chính là tiền đề giúp cho Viện IMI có khả năng triển khai thành công đề tài này

5 Một số thiết bị điều khiển nghiền tự động ở Việt nam

5.1 Hệ thống điều khiển Alpine Controller

Hệ thống sử dụng PLC S7 200 cùng các mô đun mở rộng EM221, EM231

và một số mô đun con khác trên cơ sở điều khiển phân tán Bộ điều khiển trung tâm sẽ điều khiển toàn bộ hệ thống cấp liệu, hệ thống nghiền, hệ thống phân ly

và hệ thống lọc cũng như hệ thống vận chuyển liệu ngược trở lại máy nghiền Đây là hệ thống tương đối lạc hậu dùng cho các máy nghiền đơn giản được áp dụng trong những năm đầu thế kỷ 21

Các bộ phận chính của hệ thống như sau:

PLC Siemens S7-200, CPU 226, 24 đầu vào, 16 đầu ra relay, nguồn 220 VAC

Hình 1.7: Thiết bị điều khiển áp lực gió

5.2 Hệ thống điều khiển Y1100

Hệ thống sử dụng Bộ điều khiển trung tâm là PLC S7-300 cùng 06 mô đun mở rộng Hệ thống điều khiển tập trung, bộ điều khiển trung tâm sẽ điều khiển toàn bộ hệ thống cấp liệu, hệ thống nghiền, hệ thống phân ly

và hệ thống lọc cũng như hệ thống vận chuyển liệu ngược trở lại máy nghiền

Đầu ra số tích hợp sẵn:16 DO

Đầu vào tương tự tích hợp sẵn: 4 AI, 1 Pt100

Đầu ra tương tự tích hợp sẵn: 2 AO

Hình 1.8: Màn hình điều khiển Y1100 Tổng kết:

Qua tìm hiểu một vài thiết bị trên, có thể thấy một vài nhược điểm sau:

+ Việc ra quyết định cho các thông số làm việc là do con người dựa theo các kinh nghiệm đã đạt trước đó

+ Các mô đun phân tán cần có tính năng linh hoạt hơn, như trong trường hợp nhà máy tại Nghệ An hỏng quạt gió và muốn thay bằng biến tần nhưng không có thiết bị tương ứng nên không thay thế quạt được

Có thể rút ra một số đặc điểm cần phải có đối với một hệ thống điều khiển nghiền tự động để đảm bảo khả năng kỹ thuật và kinh tế Đó là:

+ Có khả năng điều khiển phân tán các mô đun riêng lẻ

+ Việc tính toán các thông số cần phải thực hiện thông qua thực nghiệm, lấy mẫu đơn lẻ, sau đó xây dựng hàm lấy mẫu để hệ thống tự động cập nhật

+ Độ ổn định cao: khả năng chống nhiễu điện và nhiễu rung tốt

+ Tính chủ động trong sửa chữa, lắp đặt tốt

+ Chia thành các mô đun thuận tiện cho việc mở rộng hệ thống

+ Giá thành phù hợp

PHẦN 2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

1 Xây dựng cấu trúc hệ điều khiển máy nghiền bột đá siêu mịn

Sơ đồ khối của hệ thống được mô tả trong Hình 1:

Trong đó:

+ Mô đun nguồn: cung cấp nguồn đầy đủ cho các mô đun khác Từ nguồn đầu vào 220 Vac, qua mô đun này chuyển thành các nguồn 24Vdc, ±12Vdc,

±5Vdc có độ ổn định cao và dòng lớn

+ Mô đun điều khiển cấp liệu: gồm hai mô đun cấp liệu sơ cấp và thứ cấp,

có nhiệm vụ điều khiển liệu đầu vào máy nghiền thô cấp 1 và máy nghiền thô cấp 2, đảm bảo năng suất đầu vào hợp lý cho máy nghiền Việc điều khiển sẽ thông qua các biến tần điều khiển băng tải dẫn liệu Việc điều khiển tối ưu hệ thống này cho phép tăng năng suất của hệ thống

Tại đầu vào có 2 máy nghiền thô để nghiền đá kích cỡ 500mm x 500 mm đưa về kích cỡ đá 5-10mm đưa vào đầu vào quả nghiền

+ Mô đun điều khiển quả nghiền: là mô đun điều khiển đóng, ngắt các động cơ nghiền, giám sát nhiệt độ động cơ nghiền, điều khiển hệ thống làm mát đảm bảo hệ thống hoạt động trong dải cho phép

Máy tính điều khiển trung tâm

Mô đun nguồn

Mô đun điều khiển nghiền

Mô đun điều

khiển phân

ly

Mô đun điều khiển áp lực khí

Mô đun đk

cấp liệu

Mô đun lọc giũ

Hình 2.1: Sơ đồ khối bộ điều khiển nghiền

Tại các quả nghiền có hệ thống trợ nghiền để giảm ma sát nghiền làm nóng hệ thống Việc điều khiển lưu lượng phụ gia phụ thuộc vào vật liệu và năng suất cần thực hiện

+ Mô đun điều khiển phân ly: là mô đun rất quan trọng trong việc quyết định cỡ hạt của vật liệu, dựa vào cấu hình hệ thống phân ly, đặc tính cỡ hạt trong thực nghiệm để quyết định điều khiển góc đóng mở tương ứng cỡ hạt cần đạt được Các hạt lớn hơn sẽ rơi xuống và được điều khiển đưa lại máy nghiền + Mô đun lọc giũ: đây là phần lấy liệu cuối cùng, các hạt bụi vật liệu được đưa vào các túi lọc, hệ điều khiển sẽ lần lượt điều khiển giũ từng túi Vật liệu sau khi giũ được đưa vào các silo chứa

Có tổng cộng 12 túi lọc và được điều khiển đóng mở liên tiếp để lọc vật liệu đưa về các silo chứa

Để đưa về silo chứa thì vật liệu được đưa qua đường dẫn có hai van đóng

mở đảm bảo ít nhất một van đóng để giữ áp suất trong hệ thống không bị suy hao quá nhanh

+ Mô đun điều khiển áp suất: để tạo áp suất hút bụi vật liệu từ máy nghiền lên tầng phân ly rồi qua túi lọc thì ở cuối của máy nghiền có hệ thống quạt hút tạo áp suất cao với động cơ quạt hút chạy với tốc độ không đổi Do đó, để thay đổi áp suất trong hệ thống phù hợp năng suất tối đa, ta cần điều chỉnh góc đóng

mở của cánh cửa thông gió Cánh cửa thông gió được chế tạo bằng vật liệu siêu mịn và siêu bền, đảm bảo cho việc đóng mở liên tục theo tín hiệu điều khiển Thiết bị trên hiện không có tại Việt Nam nên để thuận tiện cho việc sửa chữa sau này, ta sẽ nghiên cứu cải tạo bằng cách dùng biến tần điểu khiển tốc độ động cơ quạt hút thay vì đóng mở cửa như hiện nay

Tại tầng thoát khí có hệ thống đo áp suất để xác định áp suất hệ thống có đạt yêu cầu hay không

+ Máy tính điều khiển trung tâm: Các mô đun được kết nối với máy tính thông qua đường truyền RS485, tất cả các dữ liệu từ các mô đun được chuyển về máy tính, được máy tính tính toán xử lý và đưa ra các lệnh điều khiển phân tán

về các mô đun

Các tín hiệu đưa về máy tính gồm:

+ Công suất chạy của hệ thống cấp liệu, tình trạng đầy vơi của các phễu cấp liệu, các lỗi nếu có

+ Dòng nghiền, công suất máy nghiền, nhiệt độ động cơ

+ Các góc nghiền máy phân ly, tốc độ các động cơ phân ly

+ Các thông số máy điều khiển lọc giũ

+ Dòng động cơ quạt hút, áp suất đầu ra của hệ thống, góc mở hiện tại

2 Lựa chọn cấu hình thiết bị phù hợp điều kiện Việt Nam

Để chế tạo một hệ thống phù hợp điều kiện Việt Nam, cần nghiên cứu

một số đặc trưng về môi trường và công nghệ tại nước ta

2.1 Môi trường sử dụng thiết bị

Khác với thiết bị được sử dụng tại các nước phát triển, thiết bị được sử dụng tại Việt Nam phải chịu đựng môi trường làm việc khá khắc nghiệt Đó là: + Độ ẩm lớn

+ Hoá chất ăn mòn nhiều (ví dụ: hơi mặn từ biển)

+ Độ rung lớn: do kết cấu cơ khí không hoàn toàn vững chắc

+ Công nghệ chế tạo mạch in: một số công ty đã nhập về các máy móc chế tạo mạch in hiện đại, có thể chế tạo mạch in nhiều lớp

+ Công nghệ hàn: hiện nay trình độ hàn linh kiện khá cao với sự trợ giúp đắc lực của các mỏ hàn mũi nhỏ nhưng nhiệt độ cao

+ Công nghệ đo kiểm: với sự trợ giúp của các thiết bị đo kiểm có độ chính xác cao như ô xy lô, đồng hồ vạn năng, việc kiểm tra độ chính xác các thiết bị được thực hiện khá dễ dàng

2.3 Cấu hình thiết bị phù hợp tại Việt Nam

Hiện nay, PLC là một thiết bị sẵn có trên thị trường với độ ổn định cao, có nhiều mô đun mở rộng đáp ứng các tính năng cần phải có một cách dễ dàng Do vậy, việc sử dụng các mô đun PLC để phục vụ cho việc điều khiển giám sát nghiền là một lựa chọn hợp lý

Tuy nhiên, cùng với sự phát triển ngày càng lớn mạnh của vi điều khiển, khả năng xử lý các thuật toán phức tạp của máy tính, cũng như khả năng nắm bắt công nghệ thiết kế và chế tạo tại Việt Nam, nhằm mục đích nâng cao số lượng sản phẩm chế tạo trong nước, chúng ta lựa chọn phương án thiết kế sản phẩm trên cơ sở sử dụng vi điều khiển chế tạo các mô đun chức năng, kết nối với máy tính để thực hiện việc điều khiển hệ thống

Chi tiết lựa chọn như sau:

+ Dùng vi xử lý cho việc đo lường điều khiển hệ thống

+ Hệ thống được chia thành nhiều mô đun nhỏ có các tính năng khác nhau Thuận tiện cho việc mở rộng, kiểm tra, thay thế các mô đun

+ Điều khiển giám sát toàn bộ hệ thống trên cơ sở trợ giúp của máy tính + Số đầu vào ra là 32 hoặc hơn, đảm bảo khả năng linh hoạt khi mở rộng các thành phần của hệ thống

+ Phần mềm máy tính đảm bảo cho việc thu thập dữ liệu và quản lý dữ liệu

2.4 Lựa chọn công nghệ và thiết bị cho đề tài

- Lựa chọn vi điều khiển: Hiện nay có nhiều dòng vi điều khiển khác nhau như họ 8051, AVR, PIC, Lựa chọn dòng PIC vì các lý do sau:

+ Độ ổn định cao, khả năng chống nhiễu tốt

+ Có nhiều tính năng tiên tiến như ADC 10 bit, 3 timer, ngắt

+ Có khả năng kết nối USB với máy tính

+ Phần mềm hỗ trợ lập trình, mô phỏng đầy đủ, dễ sử dụng

+ Mạch nạp dễ chế tạo, nhỏ gọn, dễ mang đi thử nghiệm

- Lựa chọn loại linh kiện: các linh kiện được chọn là linh kiện chân cắm,

có khoảng cách chân khá rộng, đảm bảo không bị chập cháy khi muốn cho dây dẫn chạy ở giữa

- Lựa chọn phương pháp thiết kế mạch in: mạch in thiết kế có đường mạch không nhỏ hơn 0,3 mm, đảm bảo mạch không bị đứt khi thuê gia công

- Lựa chọn phương pháp kết nối: dùng chuẩn giao tiếp RS-485 giữa các

mô đun nhằm đảm bảo việc mở rộng các mô đun được dễ dàng, từ đó dễ dàng nâng cấp hệ thống lên nhiều thành phần

Dữ liệu được kết nối giữa trung tâm điều khiển với máy tính qua cổng COM thông qua bộ chuyển đổi RS-232/RS-485

- Lựa chọn tốc độ truyền và khung truyền dữ liệu: dữ liệu được truyền qua cổng COM tại tốc độ 9600 kb/s và định dạng của khung truyền là 9600, N, 8, 1 Định dạng này được dùng cho cả truyền thông tin giữa các mô đun với nhau cũng như giữa các mô đun với PC Trong trường hợp cần mở rộng hệ thống lên nhiều mô đun tương tự, ta có thể thay đổi tốc độ đường truyền lên 19.200 kb/s

để đảm bảo tốc độ truyền

3 Thiết kế mạch nguyên lý các mô đun

Các mô đun cần thiết kế bao gồm:

+ Mô đun điều khiển cấp liệu

+ Mô đun điều khiển nghiền

+ Mô đun điều khiển phân ly

+ Mô đun điều khiển lọc giũ

+ Mô đun điều khiển áp lực khí

+ Mô đun truyền thông

+ Mô đun nguồn

3.1 Mô đun điều khiển cấp liệu

Hoạt động:

Khi bật nguồn, mô đun điều khiển cấp liệu sẽ nhận thông tin từ máy tính, yêu cầu cấp liệu với năng suất đầu vào là bao nhiêu Trong mô đun sẽ tính toán giá trị điều khiển tốc độ biến tần phù hợp với đáp ứng của hệ thống băng tải và liệu đầu vào, cùng năng suất của 02 máy nghiền thô để đảm bảo năng suất đầu ra phù hợp

Mô đun điều khiển cấp liệu với thành phần chính là vi điều khiển PIC18F4550 có các tính năng sau:

+ Gồm 5 cổng vào ra với tối đa 35 chân I/O

+ Có 4 timer, cho phép xây dựng 4 luồng điều khiển độc lập

+ Dữ liệu lưu được 40 năm

Mô đun điều khiển cấp liệu kết nối dữ liệu với máy tính thông qua mạch truyền thông Max485

Khi kết nối với máy tính, các dữ liệu được truyền xuống gồm có các thông tin sau:

+ Dữ liệu năng suất của hai máy nghiền thô

+ Mức liệu thô trong các phễu chứa

Ngoài vi điều khiển chính, mô đun điều khiển cấp liệu còn bao gồm cả màn hiển thị, bàn phím nhập dữ liệu, mô đun truyền thông kết nối với máy tính

Màn hiển thị được lực chọn ở đây là màn hiển thị 2 dòng, dùng để hiển thị các thông số dữ liệu năng suất của hai máy nghiền thô

Sơ đồ nguyên lý của mô đun điều khiển cấp liệu được mô tả ở hình 2.2: Thuật toán điều khiển cho mô đun điều khiển cấp liệu được thực hiện như sau:

độ cấp liệu theo yêu cầu

Tiếp tục điều khiển tốc độ cấp liệu theo thông số mới

Kết thúc?

S

Đ

Có tín hiệu mới từ MT

S

Đ

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý mô đun điều khiển cấp liệu

3.2 Mô đun điều khiển nghiền

Đây là mô đun dùng để điều khiển tắt bật động cơ theo thứ tự và có độ trễ Ngoài ra, mô đun cũng giám sát nhiệt độ, điều khiển hệ thống làm mát động cơ

và điều khiển hệ thống cấp phụ gia trợ nghiền

Sử dụng PIC16F877A với những đặc điểm nổi bật như sau:

Điều khiển tốc độ động cơ nghiền theo tham số cũ

Kết thúc?

S

Đ

Hình 2.3: Lưu đồ thuật toán phần mềm điều khiển nghiền

Nếu trong dải cho phép

S

Đ

END

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý mô đun điều khiển nghiền

+ Tốc độ hoạt động : lên tới 20Mhz

+ Gồm 14,3 kbytes bộ nhớ flash

+ 368 x 8 bytes bộ nhớ SRAM

+ 256 x 8 bytes bộ nhớ EEPROM

+ 33 cổng vào ra chia làm 5 port

+ Gồm 3 timer: 2 timer 8 bit và 1 timer 16bit

+ Có cổng giao tiếp đồng bộ nối tiếp ( Synchronous Serial Port ) với 2 chế

độ Master (SPI) và Master/ Slave (I2C)

+ Có bộ chuyển đổi tương tự / số 10 bit gồm 8 kênh đầu vào tương tự + Bộ nhớ flash có khả năng ghi/đọc 100.000 lần

+ Bộ nhớ EEPROM có khả năng ghi/đọc 1000.000 lần

Sơ đồ nguyên lý của mô đun điều khiển cấp liệu được mô tả ở hình 2.3:

3.3 Mô đun điều khiển phân ly

Hoạt động:

Khi bật nguồn, mô đun điều khiển phân ly sẽ chờ xác nhận tín hiệu từ máy tính để bật máy phân ly, điều khiển tốc độ các động cơ phân ly nhằm đạt cỡ hạt thỏa mãn yêu cầu

Điều khiển tốc độ động cơ phân ly theo tham số cũ

S

Đ

END

3.4 Mô đun điều khiển lọc giũ

Hoạt động:

Sau khi xác định máy phân ly đã làm việc, mô đun điều khiển lọc giũ sẽ điều khiển lần lượt các pi tông mở đòng các túi lọc, đảm bảo các túi lọc được giũ sạch và đều Song song với quá trình đó là việc đưa vật liệu xuống các silo theo 2 van đóng mở luân phiên

Kết thúc?

S

Đ

Có thể lọc giũ?

S

Đ

END

3.5 Mô đun điều khiển áp lực khí

Hoạt động:

Năng suất của hệ thống phụ thuộc rất lớn đến mô đun điều khiển này Căn

cứ vào trạng thái của hệ thống như cỡ hạt cần có, năng suất tối đa, tình trạng các túi lọc, mô đun này sẽ điều khiển tốc độ biến tần để điều khiển áp suất trong ống hút

S

Đ

END

3.6 Mô đun truyền thông

Mô đun truyền thông được sử dụng trong tất cả các mô đun ở trên, có chức năng truyền thông tin về máy tính và nhận lệnh điều khiển từ máy tính Do

có nhiều mô đun kết nối với nhau và kết nối với máy tính trong khi khoảng cách truyền khá xa nên ta sử dụng đường truyền RS485 cho việc kết nối các mô đun Ngoài ra, do giao tiếp với máy tính qua đường truyền RS232 nên cần mạch chuyển đổi giao tiếp RS232/RS485 để kết nối đường truyền chung về máy tính Linh kiện chính được sử dụng trong mô đun này chính là 2 IC giao tiếp Max232

và Max485

Cấu trúc của mô đun truyền thông được mô tả qua hình 2.4:

Hình 2.7: Mạch chuyển đổi RS232/RS485

3.7 Mô đun nguồn

Đây là mô đun rất quan trọng đảm bảo tính ổn định cho hệ thống, trong thực tế sử dụng nguồn switch cho độ chống nhiễu khá tốt

Để cung cấp nguồn cho các thiết bị ta cần các nguồn sau:

+ Nguồn 5V dùng cho Vi điều khiển

+ Nguồn -5V dùng cho các IC ADC

+ Nguồn +12V, -12V dùng cho các hộp khuếch đại tín hiệu

4 Phương án chế tạo phần cứng cho các mô đun

Qua thiết kế các mô đun, để thuận tiện cho việc chế tạo phần cứng thì việc chế tạo thiết bị được thực hiện như sau:

- Trên tất cả các mô đun đều có mô đun nguồn, mô đun truyền thông, mô đun bàn phím, mô đun hiển thị, mô đun đầu vào, mô đun đầu ra Vì vậy ta chế tạo theo cùng một chỉ tiêu kỹ thuật, cụ thể các mô đun đều có các cụm sau như sau:

+ 01 bộ nguồn +5V, -5V, +12V, -12V

+ 01 bàn phím với 10 phím bấm

+ 01 màn hình theo dõi loại LCD 2 hàng x 20 ký tự

+ 01 mô đun truyền thông

+ 01 mô đun đầu vào 8 kênh

+ 01 mô đun đầu ra 16 kênh

- Tùy thuộc vào các mô đun có bao nhiêu đầu vào tương tự, ứng với số card ADC đầu vào, tất cả các mô đun ADC đầu vào đều dùng linh kiện ADC ICL7109 với chức năng chống nhiễu cao

Việc chế tạo tuân thủ nghiêm ngặt quy trình chống nhiễu cho thiết bị, bao gồm một số công việc cụ thể sau:

+ Chống nhiễu rung:

+ Chống nhiễu điện: Nhiễu điện được hạn chế trong hệ thống nhờ các biện

pháp sau:

+ Dùng tụ lọc nhiễu nguồn 104: lắp sát vào chân nguồn các IC

+ Thiết kế mạch nguồn Switch để chống ảnh hưởng thay đổi nguồn điện

áp

+ Lắp các Diod chống ngược để dập xung trước các rơ le

Ngoài ra

Mạch khuếch đại tín hiệu xoay chiều K= -1

+

Hình 2.8: Mạch triệt tiêu nhiễu rung

+ Việc lựa chọn PIC làm vi điều khiển trung tâm cũng góp phần chống nhiễu đáng kể do cấu tạo của họ PIC

+ Mạch chống rung ở trên cũng góp phần hạn chế nhiễu điện ở tần số thấp

5 Thiết kế phần mềm giám sát và điều khiển hệ thống nghiền

5.1 Nguyên lý chung

Phần mềm điều khiển giám sát có chức năng kiểm tra, kiểm soát toàn bộ tham số của các mô đun con, phát lệnh điều khiển tới các mô đun con để các mô đun con điều khiển đến các thiết bị riêng rẽ

Việc điều khiển giám sát hệ thống nghiền tương đối phức tạp và phụ thuộc rất nhiều vào các thông số thực tế Cùng một hệ thống như nhau nhưng khi lắp trong các điều kiện khí hậu, vật liệu đầu vào, khác nhau thì đặc tính đầu ra khác nhau Để phục vụ cho việc sản xuất được thuận lợi, nhà cung cấp yêu cầu người sử dụng lập bảng kê hàng ngày để tính toán ra tham số tối ưu nhất ứng với năng suất và cỡ hạt yêu cầu Sau đó người vận hành căn cứ theo bảng thông kê và đặt cho những lần sau theo kinh nghiệm của mình

Hình 2.9: Biểu đồ kinh nghiệm chạy máy nghiền

Tuy nhiên điều này dẫn đến những bất lợi sau:

+ Khi các tham số đầu vào thay đổi liên tục thì người vận hành phải chú ý thường xuyên để thay đổi giá trị Nếu không sẽ làm giảm năng suất của hệ thống

+ Khi tham số đầu vào không nằm đúng vào các giá trị thực nghiệm của

hệ thống thì người vận hành sẽ lựa chọn giá trị tương đối theo các giá trị gần đấy

mà không có một công thức nào Do đó năng suất của hệ thống có tối ưu hay không phụ thuộc khả năng của người vận hành

Các hệ thống điều khiển giám sát trạm nghiền trước đây luôn thực hiện theo những trình tự nhất định với các thao tác logic tương đối đơn giản Nghĩa là

từ khi được tạo ra, chúng luôn hoạt động với các thông số kỹ thuật nhất định hoặc được thay đổi bởi con người Mọi quyết định thay đổi tham số đều được con người thực hiện mà không có bất kỳ sự trợ giúp nào từ hệ thống Các hệ thống này không thể tự thay đổi được các tham số nội để chúng có thể hoạt động được tốt hơn trên cơ sở kinh nghiệm hoạt động Ngoài ra, việc thực hiện chức năng hệ thống đơn giản, chủ yếu tuân theo logic ON hoặc OFF

Sự bất tiện trên dẫn đến việc khi một vài thông số của hệ thống tự động đổi mà người vận hành không phát hiện kịp thời để điều chỉnh các thông số khác tương ứng thì năng suất của hệ thống sẽ bị kém đi Do đó, bài toán đặt ra là hệ thống cần được học để tự động điều chỉnh các thông số sao cho khi một trong số các thông số ban đầu thay đổi thì các thông số khác cũng tự động thay đổi theo nhằm đạt được năng suất tối ưu cho hệ thống

Trong hệ thống nghiền, sự phụ thuộc lẫn nhau rất nhiều giữa cỡ hạt nghiền, tốc độ cấp liệu, tốc độ phân ly và góc mở van Do vậy, mong muốn của chúng ta là tạo ra được một hệ thống điều chỉnh tự động trên cơ sở các mẫu thực nghiệm được thực hiện trên hệ thống thực tế

Với mong muốn tạo ra các hệ thống có thể rút ra các kinh nghiệm thông qua quá trình hoạt động cũng như thực hiện được các chức năng phức tạp, con người đã cố gắng xây dựng nên các lý thuyết xử lý tín hiệu nhằm xây dựng các

hệ thống hỗ trợ quyết định hay còn gọi là các hệ thống thông minh mà chúng có thể tự thay đổi một số thông số trong hệ thống hay thực hiện những chức năng phức tạp khác nhau

Sự phát triển nhanh chóng của khoa học máy tính đã giúp cho việc tính toán mô phỏng các bài toán trở nên rất dễ dàng Do vậy, nhiều lý thuyết mới đã

ra đời như lý thuyết mạng nơ ron (Neural Networks: NN), lý thuyết mờ (Fuzzy Inference Systems: FIS), lý thuyết suy luận thống kê (Probabilistic Reasoning

PR), Trong phần này ta sẽ tìm hiểu qua hai lý thuyết rất quan trọng là lý thuyết mạng nơ ron và lý thuyết tập mờ

5.2 Lý thuyết mạng nơ ron

Khi nghiên cứu về bộ não con người, người ta đã phát hiện ra rằng các liên kết khớp thần kinh là khá mềm dẻo, có thể biến động và chỉnh sửa theo thời gian tuỳ thuộc vào các dạng kích thích Các nơ ron có thể tạo ra liên kết mới với các nơ ron khác và đôi khi, lưới nơ ron có thể di trú từ vùng này sang vùng khác trong bộ não con người Bộ não có thể kích hoạt cùng một lúc tại rất nhiều nơ ron và khớp nối Nhờ đó, con người có thể dễ dàng học, tính toán và xử lý dữ liệu nhanh hơn nhiều lần máy tính hiện đại với tốc độ tính toán cao

Vấn đề đặt ra là làm thế nào kết hợp được khả năng song song cao của bộ não và tốc độ tính toán cao của máy tính Để đạt được điều đó cần xây dựng các mạng nơ ron nhân tạo trên cơ sở mô hình mạng nơ ron sinh học đã được nghiên cứu

5.2.1 Định nghĩa mạng nơron

Mạng nơ ron nhân tạo là một mô hình toán học của một hệ thống “giống” não người Mạng gồm nhiều phần tử xử lý đơn giản (nơ ron nhân tạo) và hoạt động như mạng máy tính hoạt động song song Tính năng của hệ thống này tuỳ thuộc vào cấu trúc của hệ, các trọng số liên kết nơ ron và quá trình tính toán lại các nơ ron đơn lẻ

5.2.2 Các thành phần cơ bản của mạng nơ ron

Có rất nhiều kiểu mạng nơ ron khác nhau, tuy nhiên chúng đều có các thành phần cơ bản sau:

+ Các đơn vị xử lý

+ Các liên kết

Ngoài ra, để mạng có thể hoạt động được thì cần có thêm thủ tục huấn luyện mạng trên cơ sở các giải thuật tính toán

* Các đơn vị xử lý (các nơ ron)

Một mạng nơ ron chứa đựng trong nó một số lượng rất lớn các đơn vị xử

lý rất đơn giản, giống như các nơ ron trong bộ não, ta sẽ gọi chúng là các nơ ron Tất cả các đơn vị này hoạt động đồng thời, hỗ trợ một cơ chế xử lý song song có quy mô lớn

Nơ ron nhân tạo được xây dựng từ các phần tử sau:

Hình 2.10: Mô hình nơ ron nhân tạo

+ Các kết nối đầu vào (tương tự như các synapse và các dendrite của nơ ron sinh học): thể hiện các kết nối của các nơ ron khác đến nơ ron hiện tại, đặc trưng của các kết nối đầu vào là các trọng số liên kết của nó

+ Bộ cộng (adder): dùng cho việc tính tổng các tín hiệu vào, được lập trọng số tương ứng các khớp của nơ ron thần kinh, thao tác mô tả ở đây là bộ tổ hợp tuyến tính

+ Hàm hoạt hoá: để hạn chế biên độ đầu ra của một nơ ron Hàm hoạt hóa cũng được gọi là hàm ép (squashing funtion) ở chỗ nó hạn chế khoảng dao động của tín hiệu ra thành một số giá trị hữu hạn

Bộ cộng và hàm hoạt hoá thực hiện chức năng tương tự như thân tế bào ở

nơ ron sinh học

+ Kết nối đầu ra (tương tự dây thần kinh trong tế bào sinh học): có nhiệm

vụ truyền tín hiệu của nơ ron này qua các nơ ron khác trong mạng

Tất cả các tính toán trong hệ thống được thực hiện bởi các nơ ron, không

có một bộ xử lý nào khác kiểm soát hay điều hành các hoạt động của chúng Trong mỗi một thời điểm, mỗi nơ ron tính toán một cách đơn giản một hàm toán học vô hướng trên những đầu vào của nó, và truyền đạt kết quả tới những đơn vị lân cận của nó

Các nơ ron trong một mạng có thể được phân thành ba nhóm điển hình:

+ Các nơ ron vào (Input Units): là những nơ ron nhận dữ liệu từ môi trường, giống như là các thông tin cảm nhận thô đối với hệ thần kinh

+ Các nơ ron ẩn (Hidden Units): là những nơ ron có thể thay đổi một cách nội tại các sự biểu diễn của dữ liệu

+ Các nơ ron ra (Output Units): là các nơ ron miêu tả các quyết định hoặc các tín hiệu điều khiển Ví dụ: các tín hiệu có thể điều khiển hoạt động của động

cơ

Trong các hình vẽ mô tả mạng nơ ron, các nơ ron vào thường được vẽ ở dưới, các nơ ron ra được vẽ ở trên Vì vậy, quá trình xử lý được xem như là tiến hành từ dưới lên

* Các liên kết

Các nơ ron trong một mạng được tổ chức theo một cấu trúc nhất định bởi một tập các kết nối (connections), hoặc các tham số (weights), được chỉ ra bằng những đường kẻ trong biểu đồ Mỗi tham số sẽ có một giá trị thực trong khoảng

từ - ∞ tới + ∞, cũng có những trường hợp khoảng giá trị này lại bị giới hạn nhỏ lại

Giá trị của một tham số mô tả sự tác động của một nơ ron tới các nơ ron lân cận Các tham số thường là loại một chiều từ các điểm vào tới các điểm ra, nhưng đôi khi chúng có thể là các tham số hai chiều, đặc biệt là khi không có sự phân biệt nào giữa các nơ ron vào và nơ ron ra

* Thủ tục huấn luyện

Huấn luyện mạng thông thường là việc sửa đổi các tham số mạng theo một giải thuật nào đó, tức là làm thay đổi lại những vùng quyết định của mạng Tuy nhiên, trong một số trường hợp huấn luyện mạng lại là việc thay đổi một số liên kết trong mạng, tức là thêm những liên kết mới hay là xoá một số liên kết nào đó

Trong thực tế, việc sửa đổi liên kết mạng ít xảy ra hơn, bởi nếu sửa đổi cho một tham số nào đó bằng không thì hiệu quả của nó cũng như việc ta xoá bỏ liên kết tương ứng Tuy nhiên, vẫn có sự khác biệt Ví dụ, nếu xoá bỏ liên kết thì

có thể làm giảm thời gian huấn luyện cho mạng Vì vậy, chúng ta chủ yếu quan tâm đến những giải pháp sửa đổi tham số cho mạng

Nhìn chung các mạng thường huấn luyện mẫu bằng các giải thuật lặp, mỗi lần lặp sẽ đưa vào mạng một mẫu số liệu, và mạng phải có nhiệm vụ “học” được thông tin của mẫu số liệu đó, nó tương tự như việc một người học tập kinh nghiệm dựa trên những sự kiện đã xảy ra trong quá khứ

Sự tích luỹ kinh nghiệm như thế sẽ được phân bố cho tất cả các tham số của mạng, chính vì vậy mà mỗi lần học sẽ phải đảm bảo sự sửa đổi tham số không quá ảnh hưởng tới những gì đã học trước Để thực hiện điều đó, thông thường một hằng số ε sẽ được sử dụng để kiểm soát sự thay đổi của các tham

số, và nó được gọi là hằng số tốc độ học Vấn đề chọn hằng số này sao cho tối

ưu là tối quan trọng Hằng số học quá nhỏ thì có thể làm quá trình học không thể hội tụ, ngược lại nếu quá lớn nó sẽ làm phá huỷ những thông tin đã học trước

đó

*Giải thuật tính toán

Giải thuật thường bắt đầu bằng việc đưa những mẫu học vào mạng, tức là đưa chúng vào các nơ ron trên lớp vào Tiếp đến là việc thực hiện tất cả các hàm trên các nơ ron còn lại, những hàm này có thể được thực hiện theo cách đồng bộ

(tính đồng thời song song) hoặc không đồng bộ (lần lượt theo một thứ tự nào đó), tùy theo từng giải thuật

Với một nơ ron thì quá trình trên được chia làm hai giai đoạn: giai đoạn thứ nhất là tính toán thành phần vào, tiếp đến là giai đoạn tính toán thành phần

ra như là một hàm của thành phần vào

Trong những mạng thông thường thành phần vào xj của nơ ron j đơn giản được tính là tổng các tham số vào của nó

∑

=

i ji i

Trong đó yi lại là thành phần ra của một nơ ron vào khác, còn wji là tham

số liên kết từ nơ ron i tới nơ ron j

5.2.3 Phân loại mạng nơ ron

Việc phân loại mạng có thể thực hiện theo các tiêu chí khác nhau: theo số lớp, theo cách kết nối, theo phương pháp học

* Theo số lớp ta có:

+ Mạng một lớp: tức là mạng chỉ có một lớp xử lý dữ liệu Trong mạng này chỉ có lớp đầu ra là xử lý dữ liệu

+ Mạng nhiều lớp: ngoài lớp ra xử lý dữ liệu ta còn có các lớp ẩn phục vụ việc xử lý dữ liệu

* Theo cách kết nối: theo cách này ta có mạng truyền thẳng, mạng hồi quy

và mạng tích hợp

+ Mạng truyền thẳng: các lớp nơ ron được sắp xếp từ đầu vào tới đầu ra, mỗi nơ ron ở lớp trước có thể kết nối đến toàn bộ nơ ron ở lớp sau, không có tín hiệu phản hồi

+ Mạng hồi quy: các tín hiệu ra của lớp sau có thể quay trở lại làm tín hiệu vào của lớp trước

+ Mạng tích hợp: các nơ ron trong cùng một lớp có thể được phân chia thành từng nhóm liên kết với nhau, các nhóm này được kết nối tới các nơ ron lớp sau

* Theo phương pháp học ta có: học có giám sát, học nửa giám sát, học không có giám sát

+ Học có giám sát: một “giáo viên” sẽ cung cấp cho mạng cả đầu vào và đầu ra, như vậy việc học là việc sửa đổi các tham số sao cho lỗi giảm tối thiểu + Học nửa giám sát: trong phương pháp học này, “giáo viên” chỉ đơn thuần trả lời xem kết quả của mạng là tốt hay xấu

+ Học không có giám sát: Trong cách học này thì không có “giáo viên”, mạng sẽ phải tự học theo một luật cho trước nào đó

5.2.4 Huấn luyện mạng nơ ron nhân tạo

Trong phần này chúng ta sẽ đưa ra luật học lan truyền ngược áp dụng cho mạng nơ ron truyền thẳng nhiều lớp

Luật học lan truyền ngược là phương pháp phổ biến nhất dùng thuật toán học không giám sát cho mạng nơ ron nhiều lớp truyền thẳng

Hình 2.11: Mạng perceptron hai lớp liên tiếp

Trong đó Ok là đầu ra tính toán được

Để đơn giản ta xét đến mạng nơ ron chỉ có một lớp ẩn và một nơ ron ra như trên hình 2.6 Việc tính toán lỗi của một mẫu huấn luyện vào/ra (xk, yk) như sau:

2

) (

2

1 ) ,

W E

1

) , ( )