Đồ Án Tìm Hiểu, Nghiên Cứu Phân Xưởng Xeo – Nhà Máy Giấy Bãi Bằng

Phân chia các bài toán điều khiển quá trình Nhìn từ trên lưu đồ P&ID thì trong hệ thống điều khiển quá trình của Máyxeo, các bài toán luôn nằm xen kẽ nhau trong toàn bộ dây chuyền như b

PHẦN MỘT TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY GIẤY BÃI BẰNG – TỔNG CÔNG TY

GIẤY VIỆT NAM

Nhà máy giấy Bãi Bằng được xây dựng vào những năm 70 của thế kỷ XX,đây là một công trình hợp tác giữa hai quốc gia là Việt Nam và Thụy Điển.Công trình này được xây dựng trên một diện tích là 82 hécta tại thị trấn PhongChâu – huyện Phù Ninh – Tỉnh Phú Thọ, là nhà máy giấy có dây truyền hiện đạibậc nhất ở nước ta nói riêng và Đông Nam Á nói chung Nhà máy giấy đã đi vàohoạt động vào ngày 26/11/1982 với công suất thiết kế là 48.000 tấn bột/ năm và55.000 tấn giấy/năm

Cũng không ít khó khăn ban đầu mà nhà máy đi vào hoạt động, từ năm1982-1990 là thời gian có sự trợ giúp của Thụy Điển về chuyên gia, cố vấn kỹthuật, tài chính, quản lý, điều hành và tình hình máy móc, trang thiết bị còn mới,phù tùng thay thế luôn có sẵn Tuy nhiên sản lượng năm cao nhất (1986) cũngchị đạt 30.499 tấn giấy/năm (bằng 55% công suất thiết kế)

Tuy nhiên trong quá trình hoạt động, nhà máy giấy đã liên tục phát triểnsản xuất để ngày càng đạt được sản lượng cũng như năng suất lớn hơn Qua việcđào tạo đội ngũ cán bộ, công nhân viên, kỹ sư lành nghề và đầu tư nâng cấp dâytruyền sản xuất sản lượng của nhà máy đã ngày càng được nâng cao Năm 1996ghi nhận lần đầu tiên nhà máy giấy đạt và vượt năng suất thiết kế với sản lượngđạt 57.000 tấn Giấy Tiếp đó năm 2001 nhà máy giấy sản xuất đạt 72.850 tấngiấy, năm 2002 đạt 75.865 tấn giấy Do yêu cầu của thị trường, năm 2003 nhàmáy tiến hành đầu tư mở rộng giai đoạn 1 nhằm nâng công suất lên 61.000 tấn bột/năm và đến năm 2006 đã đạt 100.000 tấn giấy/năm đánh dấu một quá trình phát triển

đi lên của mình

Trong năm 2004 nhà máy giấy Bãi Bằng đã đổi thành Tổng công ty giấyViệt Nam hoạt động theo mô hình công ty mẹ - công ty con Xí nghiệp vận tảiđược tách ra thành công ty Vận Tải Và Chế Biến Lâm Sản bên cạnh nhà máysản xuất giấy.Hiện nay, nhà máy sản xuất của tổng công ty bao gồm :

+ Phân xưởng giấy

+ Phân xưởng hoàn thành

PHẦN HAI TỔNG QUAN VỀ CÁC NHÀ MÁY, PHÂN XƯỞNG VÀ QUÁ

TRÌNH SẢN XUẤT GIẤY

I TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT GIẤY

Để hình thành nên giấy từ những nguyên liệu cơ bản ban đầu là tre, nứa, gỗphải qua một loạt các quá trình xử lý tại các nhà máy và các phân xưởng trong nhà máy giấy Tuy nhiên quá trình sản xuất giấy có thể chia thành các công đoạn

(Hình vẽ quy trình sản xuất giấy – trang sau)

1 Chuẩn bị nguyên liệu

Nguyên liệu làm bột giấy là tre, nứa, gỗ được chứa tại các bãi, sau đó đượccẩu trục đưa lên bãi máy chặt và chia làm 2 tuyến: một tuyến sợi dài là tre, nứa

và một tuyến sợi ngắn là gỗ

Tre, nứa từ bãi chứa được đưa vào băng truyền và được phun rửa trước khiđưa vào máy chặt Tại máy chặt, tre được đập dập, chặt thành mảnh nhỏ sau đóđược đưa qua hệ thống sàng chọn và được rửa rồi qua băng tải đến sân chứamảnh

Gỗ được đưa đến bộ phận bóc vỏ bằng băng tải xích và được đưa vàothùng bóc vỏ Sau khi bóc vỏ chúng được phun rửa sạch rồi đi vào máy chặtmảnh Mảnh gỗ thu được phải có kích thước: dài từ 25 -35 mm, rộng 10 -20mm., dày 3 - 4 mm Năng suất máy chặt gỗ là 40 tấn/h Sau đó, mảnh gỗ đượcđưa qua hệ thống sàng chọn vì nếu mảnh quá dày sẽ không thực sự thẩm thấutrong khi nấu và sẽ cho nhiều mảnh sống trong bột Còn nếu mảnh quá dài sẽgây ra sự cố khi nạp mảnh và phóng bột Sau khi sàng, mảnh được băng tải đưa

ra sân chứa mảnh gỗ Những mảnh không hợp quy cách được chặt lại

Từ các đống mảnh, mảnh được vận chuyển tới các nồi nấu bằng hệ thốngbăng tải và vít tải Lúc này tỉ lệ của mảnh gỗ và mảnh tre nứa được các hệ thốngcác bàn cào cào lấy mảnh từ bãi chứa Sau đó tất cả được trộn chung vào xilôđưa lên băng tải bằng các vít Tỉ lệ mảnh tre nứa cũng như quá trình vận hànhcủa hệ thống chặt mảnh gỗ, tre nứa đều được giám sát và điều khiển từ hệ thốngDCS trong khu vực nấu bột

Gỗ được đưa đến bộ phận bóc vỏ bằng băng tải xích, băng tải xích đưa gỗvào thùng bóc vỏ Sau đó, mảnh gỗ được đưa qua hệ thống sàng chọn để lọc ranhững mảnh gỗ chặt không đúng kích thước yêu cầu, vì nếu mảnh quá dày sẽkhông thực sự thẩm thấu trong khi nấu và sẽ cho nhiều mảnh sống trong bột.Còn nếu mảnh quá dài sẽ gây ra sự cố khi nạp mảnh và phóng bột Sau khi sàng,mảnh được băng tải đưa ra sân chứa mảnh gỗ Còn những mảnh không hợp quycách được chặt lại Sau đó tất cả được trộn chung vào xilô đưa lên băng tải bằngcác vít Các băng tải sẽ đưa mảnh tre, gỗ đến nồi nấu để thực hiện công đoạnnấu bột.

2 Nấu bột

Trong công đoạn nấu bột, các quá trình lần lượt được thực hiện để nấu từmảnh tre, gỗ thành bột giấy Các quá trình lần lượt sẽ là: Quá trình nấu; quátrình rửa; quá trình sang; quá trình tẩy

Mảnh nguyên liệu từ xilô chứa ở công đoạn chuẩn bị nguyên liệu được nạpvào nồi nấu, quá trình này sảy ra theo mẻ Cùng với các mảnh nguyên liệu là hơicông nghiệp (quá trình xông hơi) và dịch nấu được nạp vào nồi nấu Nồi nấuđược duy trì các điều kiện trong một thời gian để cho phân rã được các mảnhnguyên liệu thành bột (đây là thời gian bảo ôn)

Sau khi bột được nấu xong, sẽ qua quá trình phóng đỉnh và phóng đáy đểđưa sang bể chứa Bột được đánh tơi thành các sơ sợi riêng biệt rồi đưa tới quátrình rửa bột

Sau khi bột được đưa tới máy rửa lọc, quá trình rửa nhằm mục đích táchdịch ra khỏi bột đồng thời thu hồi lại hóa chất, tránh ô nhiễm môi trường và bêncạnh đó là thu hồi lại các chất hòa tan trong hỗn hợp bột – dịch làm nhiên liệu

Để thu hồi hóa chất, dịch được đưa qua hệ chưng bốc

Bột sau khi được rửa sẽ đến quá trình sàng Sàng bột được thực hiện quanhiều giai đoạn từ sàng thô đến sàng tinh Sàng bột nhằm đạt được bột đạt yêucầu, các sợi tách rời nhau, bên cạnh đó là phải loại hết cát, tạp chất và các mấu,mắt gỗ chưa hình thành nên sợi bột Sau khi sàng, bột được đưa đến bể chứa đểđưa sang quá trình tẩy trắng

Tẩy trắng là quá trình cuối cùng trong công đoạn nấu bột tại phân xưởngbột Sau khi qua quá trình tẩy trắng, bột sẽ có những hóa tính và lý tính theomong muốn Trong quá trình tẩy trắng, bột sẽ lại được đi qua 4 giai đoạn nhỏ:Bột được Clo hóa bằng Cl2 tiếp đó là kiềm hóa để loại bỏ hợp chất màu, sau đótẩy tiếp bằng NaClO và cuối cùng là đưa vào bể chứa để đưa sang quá trình Xeogiấy

vào các bể đánh tơi Sau đó được bơm sang các bể trộn để được một thành phần(dung dịch) bột có chỉ tiêu về nồng độ mong muốn

Bột trong các bể trộn được đưa qua hệ thống nghiền thô và nghiền tình(trong đó có cả hai loại: nghiền đĩa và nghiền côn) nhắm cho độ mịn của bột đạtyêu cầu Sau quá trình nghiền, bột được đưa vào bể trộn cuối cùng, bể này chính

là bể quyết định nồng độ bột đưa vào Xeo giấy Bột từ bể trộn đưa sang bể máy

và bơm đến bộ phận đưa bột lên lưới

Sau khi bột được bơm từ bể máy, bột sẽ được trộn các loại hóa chất, phụgia để có các đạt các chỉ tiêu chất lượng: độ tro, độ trắng, màu sắc, độ bền… Bộtđược đưa qua hai hệ thống lọc và sàng để loại bỏ bỏ cát, tạp chất đồng thời thulại lượng bột lẫn trong đường thải của chính các hệ thống đó

Bột được đưa vào Head Box – Hòm phun để phun lên lưới hình thành nên

tờ giấy, kết thúc quá trình chuẩn bị bột và đưa bột lên lưới

Sau khi bột được đưa lên lưới, các hệ thống lưới, hút chân không sẽ tách bỏthành phần nước ra và hình thành nên tờ giấy Sau đó là giấy bắt đầu đưa vào hệthống sấy Hệ thống sấy có tác dụng loại bỏ dần thành phần nước để cho giấyđạt được đến một độ ẩm yêu cầu Cuối của quá trình sấy (ở đây là sấy nóng) làmột lô sấy lạnh nhằm giảm nhiệt độ của giấy sau khi ra khỏi hệ thống sấy

Nằm giữa quá trình sấy là quá trình ép giấy Quá trình ép gồm có ép Keo

và ép Quang nhằm cho giấy có độ dai và bề mặt đạt được chỉ tiêu đặt ra

Cuối của công đoạn Xeo giấy chính là quá trình cuộn lại và cắt cuộn Giấy

đi ra khỏi hệ thống sấy và hệ thống ép sẽ được các lô cuộn lại thành các cuộn,sau đó được chuyển sang bộ phận cắt cuộn để được các khổ giấy theo yêu cầu

4 Hoàn thành sản phẩm

Giấy cắt cuộn sẽ qua công đoạn hoàn thành sản phẩm, đây là công đoạncuối cùng để thành phẩm giấy, trở thành một sản phẩm thương mại Giấy sẽđược cắt ra theo các khổ, được đóng gói, kết thúc quá trình sản xuất giấy

II TỔNG QUAN VỀ CÁC NHÀ MÁY, CÁC PHÂN XƯỞNG

Nhà máy giấy Bãi Bằng là một nhà máy theo kiểu khép kín, bên cạnh cácphân xưởng sản xuất như: Phân xưởng nguyên liệu, phân xưởng nấu bột, phânxưởng Xeo giấy, phân xưởng hoàn thành thì nhà máy còn có hai nhà máy conbên trong nó nhằm phục vụ cho chính quá trình sản xuất Đó là nhà máy điện vànhà máy hóa chất

Trong đồ án này, chúng em xin trình bày tổng quan về một số phân xưởng vànhà máy

1 Nhà máy điện

Nhà máy điện có nhiệm vụ cung cấp điện năng, hơi công nghiệp, nước vàkhí nén cho dây truyền sản xuất bột và giấy Ngoài ra nó còn phục vụ cho nhucầu đời sống sinh hoạt của nhà máy và khu dân cư xung quanh

Nhà máy nhiệt điện hoạt động với công suất tổng cộng là 28 Kw Nhà máygồm hai lò đốt sinh hơi Lò chính gọi là lò hơi Động lực sử dụng than đốt (tiêuthụ 145 tấn than /h) cho công suất phát điện là 16 Kw Lò phụ gọi là lò hơi Thu hồi

sử dụng việc đốt dịch đen để phát điện (tiêu thụ 36 tấn dịch /h) cho công suất phátđiện là 12 Kw

Nhà máy có trạm động lực gồm: Trạm hút nước từ sông Lô cung cấp lượngnước cho toàn bộ nhà máy; trạm sử thô lý nước từ trạm hút; trạm xử lý bổ xung.Phần chính trong nhà máy điện chính là hệ thống các lò hơi và cung cấp hơi.Hai lò hơi Động lực và Thu hồi hoạt động tạo ra hơi công nghiệp phục vụ chocác phân xưởng khác trong nhà máy (hệ thống hơi thứ cấp) Tuy nhiên phầnchính hai lò hơi cung cấp hơi cho hai tuabin đối áp 12 Mw và tuabin ngưng tụ

16 Mw (hệ thống hơi sơ cấp) Hệ thống điều khiển sử dụng các bộ điều khiểnnhư: Bộ điều chỉnh áp lực, điều chỉnh quá trình cháy, điều chỉnh áp suất buồngđốt… giúp cho các nồi hơi ổn định trong quá trình vận hành

Để phân phối điện năng do hai cặp tuabin sinh ra, nhà máy điện có hệ thốngphân phối điện năng được nối với lưới điện quốc gia 110 Kv theo hai tuyếnriêng biệt 110 Kv Thác Bà và 110 Kv Việt Trì Hệ thống có một biến thế chínhcông suất 25 MVA, 110Kv/10Kv, hai thanh cái để cung cấp cho những nhu cầucủa các phân xưởng trong nhà máy giấy Bãi Bằng Nhà máy điện có thể cungcấp đủ điện cho nhu cầu và một phần hòa vào lưới điện quốc gia, tuy nhiên khikhông đủ công suất thì nó có thể nhận điện từ lưới điện

Bên cạnh việc cung cấp điện năng, thì nhà máy điện còn có ba máy nén khíhoạt động bằng mô tơ điện để cung cấp khi nén cho nhu cầu toàn nhà máy giấyBãi Bằng Có một trạm cung cấp nước, với xử lý thô và xử lý nước sạch để cungcấp cho nhu cầu sử dụng nước vào việc rửa nguyên liệu (tre, nứa, gỗ), hay nướcsản xuất, nước sinh hoạt

Nhà máy điện được giám sát và điều khiển hoàn toàn bằng hệ thống điềukhiển phân tán

2 Phân xưởng nấu bột

Phân xưởng nấu bột có nhiệm vụ chính là nấu các mảnh tre, gỗ, tạo chúngthành bột giấy (tạo ra các sơ sợi bột) để Xeo thành giấy

Phân xưởng nấu bột có ba nồi nấu hình trụ đứng (và đang nâng cấp thêmmột nồi thứ tư) để nấu mảnh thành bột Các nồi nấu này hoạt động theo mẻ, sửdụng hơi công nghiệp để nấu mảnh Năng suất nấu bột là 150 tấn/ngày

Bên cạnh các nồi nấu là các bể phóng có dung tích 400 m3 để phóng bột rahỏi nồi nấu Sau bể phóng là các bể chứa, các bể này có cánh khuấy hai tầngnhằm đánh tơi các dăm mảnh đã được nấu thành các sơ sợi riêng biệt

Hệ thống rửa bột gồm bốn máy lọc rửa vận hành bằng mô tơ điện thôngqua bộ giảm tốc bánh răng – trục vít Mỗi máy lọc rửa có lô quay bọc lưới bênngoài, và hoạt động theo nguyên tắc hút chân không

Hệ thống sàng gồm rất nhiều loại sàng, các loại sàng này sẽ được đặt liêntiếp nhau trong hệ thống sàng để có thể thực hiện sàng qua nhiều giai đoạn từsàng thô đến sàng tinh.

Phục vụ cho nấu bột, rửa, sàng, tẩy có các hệ thống phụ trợ như: Hệ thốngkhông khí, hệ thống pha loãng, hệ thống điều khiển mức, hệ thống làm mát… vàmột hệ chưng bốc nhằm thu hồi lại hóa chất và tận dụng nhiên liệu Toàn bộphân xưởng được điều khiển, giám sát bằng hệ thống điều khiển phân tán kếthợp với các panel cấp trường

3 Phân xưởng xeo giấy

Phân xưởng xeo giấy có nhiệm vụ từ bột giấy của phân xưởng nấu bột, quaquá trình xeo hình thành nên tờ giấy

Trong phân xưởng xeo có hai máy Xeo hoạt động song song với nhau Cácmáy Xeo đều có các hệ thống: Chuẩn bị bột, sấy, ép, cắt cuộn vận hành theokiểu liên tục, trình tự từ đầu đến cuối Chuẩn bị bột là hệ thống gồm các phần cóchức năng riêng biệt: phần bể trộn, phần nghiền, phần hóa chất phụ gia, phầnsàng – lọc, phần lên lưới và hình thành giấy

Phần đầu cảu hệ thống chuẩn bị bột của mỗi máy Xeo là phần tiếp nhận bột(phần này được cả hai máy Xeo xử dụng chung), nó gồm có sáu thùng trộn (haithùng trộn bột nội – bột do nhà máy tự sản xuất, ba thùng trộn bột nhập ngoại vàmột thùng trộn bột hỏng tái sử dụng) Sáu thùng nầy có tác dụng đánh tơi bộttrước khi được đưa sang các thiết bị khác trong hệ thống Sau đó là hệ thống các

bể trộn để pha loãng dần nồng độ bột Mỗi máy Xeo có 5 bể trộn, trong đó bốn

bể trộn sơ cấp để trộn bột ở cấp trung gian và một bể trộn chính dể quyết địnhnồng độ bột trước khi đưa lên lưới để xeo giấy

Phần nghiền trong máy Xeo sẽ giúp cho bột có độ mịn đạt yêu cầu Hệthống nghiền gồm có nghiền thô và nghiền tinh Nghiền thô lại có hai loại thiết

bị là nghiền đĩa và nghiền côn, có một máy nghiền đĩa còn lại có bốn máynghiền côn Nghiền tinh gồm hai máy loại nghiền côn

Hóa chất và phụ gia: Chất bảo lưu, Bentonite, màu, OBA, Keo AKD, chấtđộn CaCO3, mỗi loại đều có 1 hệ thống các bể chứa và bơm để cấp cho máyXeo Phần lên lưới và hình thành hay còn gọi là đầu máy Xeo là một loạt thiết bịliên hợp gồm có hòm phun bột, bộ phận lưới kết hợp với các bơm hút chânkhông và các chăn ép

Hệ thống sấy trong máy Xeo gồm có sáu nhóm sấy, hoạt động chủ yếu trênnguyên tắc sấy tiếp, tức là giấy tiếp xúc trược tiếp với các lô nóng Mỗi nhómsấy có nhiều lô sấy được cung cấp nhiệt bởi hơi công nghiệp Ngoài các lô sấy là

hệ thống các bình ngưng, bơm và giàn trao đổi nhiệt giúp cho sự tuần hoàn hơi,nước ngưng và thu hồi nhiệt

Ép keo là ép tinh bột lên bề mặt tờ giấy nhằm đạt độ dai và độ thấm hútcủa tờ giấy Ép quang làm cho tờ giấy mịn hơn Hai hệ thống này sử dụng kiểu

ép thủy lực, sử dụng các lô chế tạo đặc biệt, bên cạnh đó là hai máy nén thủy lực

để phục vụ cho hệ thống ép

Toàn bộ phân xưởng Xeo được điều khiển thông qua 2 hệ thống là hệthống điều khiển phân tán (DCS – Distributer Control System) và hệ thống điềukhiển chất lượng (QCS – Quality Control System), ngoài ra còn có các panelđiều khiển ở cấp hiện trường Hai hệ thống DCS và QCS này gần như độc lậpvới nhau, chỉ một vài thiết bị là chịu sự điều khiển của cả hai hệ thống này Hệthống DCS phụ trách điều khiển phần chuẩn bị bột còn QCS thì phụ trách hệthống sấy và ép Các thiết bị điều khiển chính là các biến tần và các PLC

PHẦN BA TÌM HIỂU PHÂN TÍCH CÁC BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN QUÁ

TRÌNH TRONG PHÂN XƯỞNG XEO

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH TRONG

PHÂN XƯỞNG XEO

I CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

1 Điều khiển quá trình

a Điều khiển quá trình (Process control): được hiểu là ứng dụng kỹ thuật

điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình côngnghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho conngười, máy móc và môi trường (“Cơ sở điều khiển quá trình” – PGS.TS HoàngMinh Sơn)

Điều khiển quá trình có đặc thù riêng của nó:

- Quy mô (quy mô về phạm vi chức năng điều khiển hoặc quy mô về mặt

tổ chức quản lý ) điều khiển quá trình là vừa và lớn

- Độ tin cậy và tính sẵn sàng luôn là yêu cầu quan trọng đặt ra cho hệ thốngđiều khiển quá trình

- Điều khiển quá trình quan tâm nhất đến bài toán điều chỉnh Các phươngpháp điều khiển được áp dụng là các phương pháp rất tin cậy và đã được kiểmchứng nhiều trong thực tế

- Điều khiển quá trình phải chú ý đến thiết kế công nghệ và các ràng buộcliên quan Vì điều đó quyết định đến khả năng vận hành và điều khiển của quátrình

- Điều khiển quá trình có đặc thù về mô hình đối tượng, có thể không cầnquan tâm đến mô hình hay có thì đó là những mô hình (mô hình toán học) gầnđúng

b Quá trình: Quá trình là một trình tự các diễn biến vật lý, hóa học hoặc

sinh học, trong đó vật chất, năng lượng hoặc thông tin được biến đổi, vậnchuyển hoặc lưu trữ (IEC60050-351 [1], ANSI/ISA 88.01 [2], DIN 19222 [4]).Quá trình thì có quá trình công nghệ và quá trình kỹ thuật Quá trình côngnghệ là những quá trình liên quan tới biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ vật chất

và năng lượng, nằm trong một dây chuyền công nghệ hoặc một nhà máy sảnxuất năng lượng Quá trình kỹ thuật là một quá trình với các đại lượng kỹ thuậtđược đo hoặc/ và được can thiệp Quá trình kỹ thuật hiểu là một quá trình côngnghệ cùng với các phương tiện kỹ thuật như thiết bị đo và thiết bị chấp hành.Quá trình có thể phân loại trên cơ số lượng biến vào, biến ra là: quá trìnhđơn biến, quá trình đa biến Quá trình còn có thể phân loại trên cơ sở đặc tính

của các đại lượng đặc trưng là: quá trình liên tục, quá trình gián đoạn, quá trìnhrời rạc, quá trình mẻ.

c Biến quá trình: Biến quá trình là nơi thể hiện trạng thái và diễn biến của

một quá trình Biến quá trình gồm ba loại:

Biến vào: là một đại lượng hoặc một điều kiện phản ánh tác động từ bênngoài vào quá trình Có thể nói nó thể hiện nguyên nhân của quá trình

Biến ra: là một đại lượng hoặc một điều kiện thể hiện tác động của quátrình ra bên ngoài Có thể nói nó thể hiện kết quả của quá trình

Biến trạng thái: là các biến mang thông tin về trạnh thái bên trong quátrình Trong trường hợp nào đó biến trạng thái cũng có thể coi là biến ra

2 Nhiệm vụ của bài toán điều khiển quá trình

Nhiệm vụ của bào toán điều khiển quá trình là can thiệp các biến vào củaquá trình một cách hợp lý để các biến ra của nó thỏa mãn các chỉ tiêu cho trước,đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng xấu của quá trình kỹ thuật đối với con người vàmôi trường xung quanh Trong một quá trình thì có thể chỉ can thiệp được đếnbiến vào nào đó, hay cũng chỉ cần điều khiển một biến ra nào đó Trong bài toánđiều khiển quá trình, người ta phân ra có: biến cần điều khiển, biến điều khiển

và nhiễu

- Biến cần điều khiển (controlled variable): là một biến ra hoặc một biến

trạng thái của quá trình được điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với một giá trịmong muốn hay giá trị đặt hoặc bám theo một biến chủ đạo/ tín hiệu mẫu nàođó

- Biến điều khiển (manipulated variable): là một biến vào của quá trình có

thể can thiệp trực tiếp từ bên ngoài, qua đó tác động tới biến ra theo ý muốn

- Nhiễu: là những biến vào mà không can thiệp được một cách trực tiếphay gián tiếp trong phạm vi quá trình đang quan tâm Nhiễu có thể phân biệt hai

loại: nhiễu quá trình (disturbance), nhiễu đo (noise).

3 Mục đích và chức năng của bài toán điều khiển quá trình

Những mục đích và chức năng của một bài toán điều khiển quá trình đượcđặt ra là để cho bài toán điều khiển quá trình đó có khả năng thực hiện đượcnhiệm vụ của mình, đó là đảm bảo điều kiện vận hành an toàn, hiệu quả và kinh

tế cho quá trình công nghệ Phân tích mục đích điều khiển giúp xây dựng cácchức năng cần thực hiện của hệ thống điều khiển quá trình Các chức năng củamột hệ thống được phân loại và sắp xếp nhằm phục vụ năm mục đích:

• Đảm bảo vận hành hệ thống ổn định, trơn tru: giữ cho hệ thống hoạt

động ổn định tại điểm làm việc cũng như chuyển chế độ một cách trơn tru đảmbảo các điều kiện theo yêu cầu của chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ máy móc,vận hành thuận tiện

• Đảm bảo năng suất và chất lượng của sản phẩm: đảm bảo lưu lượng sản

phẩm theo kế hoạch sản xuất và duy trì các thông số liên quan chất lượng sảnphẩm

• Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn: giảm thiểu các nguy cơ xảy ra sự cố

cũng như bảo vệ cho con người, máy móc, thiết bị và môi trường trong trườnghợp xảy ra sự cố

• Bảo vệ môi trường: giảm ô nhiễm môi trường thông qua giảm nồng độ khí

thải độc hại, giảm lượng nước sử dụng và nước thải, hạn chế lượng bụi và khói,giảm tiêu thụ nhiên liệu và nguyên liệu

• Nâng cao hiệu quả kinh tế: đảm bảo năng suất và chất lượng theo yêu cầu

trong khi giảm chi phí nhân công, nguyên liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanhvới yêu cầu thay đổi của thị trường

II ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH TRONG PHÂN XƯỞNG XEO

Trong phân xưởng xeo có hai Máy xeo là Máy xeo 1 và Máy xeo 2, haiMáy xeo này tuy có những phần khác nhau trong bộ phận lưới hình thành giấy,

hệ thống ép quang, hệ thống éo keo nhưng về mặt công nghệ, hay bài toán điềukhiển quá trình thì không có gì là khác nhau Vì vậy trong nội dung đồ án này,chúng em chọn Máy xeo 1 cũng như các lưu đồ công nghệ của Máy xeo 1 để tìmhiểu và phân tích

Quá trình sản xuất trong phân xưởng xeo là một quá trình liên tục, cácphần phía trước hoạt động luôn liên quan và ảnh hưởng tới hoạt động của cácphần sau Đặc biệt là tính liên tục luôn được đặt lên hàng đầu (đây cũng là đặctrưng của quá trình sản xuất giấy trong phân xưởng Xeo) không chỉ vì yêu cầucông nghệ và còn vì hiệu quả kinh tế

Các lưu đồ P&ID của Máy xeo được trình bày ở các bản vẽ đi kèm

1 Phân chia các bài toán điều khiển quá trình

Nhìn từ trên lưu đồ P&ID thì trong hệ thống điều khiển quá trình của Máyxeo, các bài toán luôn nằm xen kẽ nhau trong toàn bộ dây chuyền như bài toánđiều khiển mức, điều khiển nồng độ Các quá trình đều có liên quan ảnh hưởngqua lại với nhau, biến ra của quá trình này có thể là biến vào của quá trình kiahay cũng có khi nó đóng vai trò là nhiễu của một quá trình khác Vấn đề phânchia ra các bài toán điều khiển quá trình để tìm hiểu cũng như phân tích khôngđơn giản chỉ là việc tách ra các khối gần nhau, hay là phân chia theo chức nănghoạt động Việc phân chia ra các bài toán điều khiển quá trình trong hệ thốngđiều khiển quá trình của Máy xeo chủ yếu dựa vào mục đích và mối liên hệ lẫnnhau của các bài toán điều khiển nhỏ tại các thiết bị

Tại các Máy xeo, sách lược điều khiển được sử dụng chủ yếu và cũng rất

quan trọng là sách được điều khiển phản hồi (feedback control), một vòng đơn Tuy nhiên sách lược điều khiển truyền thẳng (), sách lược điều khiển tỉ lệ (ratio

control), điều khiển tầng (cascade control) cũng được sử dụng trong hệ thống.

Ngoài việc dựa vào đặc điểm của hệ thống điều khiển quá trình của Máyxeo, vấn đề phân chia hệ thống thành các bài toán điều khiển quá trình nhỏ hơn

để có thể tìm hiểu, phân tích chúng em còn dựa vào những mục đích, chức năng

mà một bài toán điều khiển luôn hướng đến Trong nội dung đồ án chúng em xinphân chia hệ thống điều khiển quá trình Máy xeo ra làm năm bài toán:

- Điều khiển quá trình đánh bột và bể trộn

- Điều khiển quá trình nghiền

- Điều khiển quá trình đưa bột lên lưới

- Điều khiển quá trình thu hồi bột nổi và giấy rách

- Điều khiển quá trình bể hỗn hợp

- Điều khiển quá trình hệ thống sấy

2 Các ký hiệu và

CHƯƠNG 2 ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐÁNH BỘT VÀ BỂ TRỘN

I QUÁ TRÌNH HOẠT ĐỘNG CỦA BỂ ĐÁNH BỘT VÀ BỂ TRỘN

Lưu đồ P&ID của hệ thống bể đánh bột và bể trộn

(hìnH vẽ)

Nhà máy Xeo sử dụng 3 nguồn nguyên liệu chính là bột nội (từ nhà bột),bột nhập ngoại và bột từ phế phẩm (bột rẻ rách) Với bột nội và bột nhập ngoạithì trước khí đưa vào quá trình chuẩn bị bột để xeo giấy thì phải được đánh tan

và hòa loãng ra Với nồng độ hòa loãng là khoảng 5%, sau đó nồng độ bột mớitiếp tục được các bể trộn hòa loãng hơn nữa

Bột nội chứa trong bể Ch70 và Ch71, được bơm sang nhà máy Xeo, cấp cho

2 máy Xeo Bột được pha loãng đến một nồng độ cần thiết nhờ đường nước cấpvào trước bơm quạt, sau đó đổ vào bể Ch63 (nồng độ là 4,5%) Bột vào Ch63được khuấy đều và bơm lên bể Ch66 hoặc máy nghiền đĩa, tuỳ vào chế độ vậnhành Nếu được bơm lên máy nghiền đĩa thì sau đó bột được đưa vào bể Ch65,tuy nhiên trong chế độ vận hành khác bột sẽ được bơm lên bể Ch66 sau khi quamáy nghiền đĩa Các chế độ vận hành này nhằm đảm bảo lượng bột cấp cho nhàmáy, chủ động được chất lượng bột và thuận tiện khi vận hành Ví dụ: khi bộtđảm bảo chất lượng hay cần sửa chữa, thay thế máy nghiền đĩa thì dùng chế độ

BY PASS tức là bột không qua nghiền đĩa nữa Nếu độ nghiền của bột chưa đápứng yêu cầu thì cần phải cho bột qua máy nghiền

Bột ngoại được chứa trong 3 bể Ch60, Ch61 và Ch62 Bột trong các bể nàyđược pha loãng nhờ một đường nước pha loãng cấp vào mỗi bể, được nghiền rồiqua một sàng để làm sạch bột, tách các cục bột và làm cho bột đồng đều về nồng

độ Bột từ các bể này tiếp tục được khuấy trộn, pha loãng đến nồng độ mongmuốn trong các bể ChN64-1 và ChN64-2 (nồng độ là 4,5%) Bột từ bể ChN64-2được bơm lên máy nghiền đĩa hoặc tới bể Ch65

Từ máy nghiền đĩa có một đường hồi lưu bột trở về lại các bể Ch63 vàChN64-2, nhằm đảm bảo chất lượng bột sau khi nghiền và lượng bột vào cácmáy nghiền nằm trong giới hạn cho phép

Từ bể Ch65 và Ch66, bột được bơm đến hệ thống nghiền thô Hai bể nàycũng có 2 đường để nhận hồi lưu trở lại từ hệ thống nghiền thô

II PHÂN TÍCH BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

Mục đích chính của phần này trong máy Xeo chính là đảm bảo cho bộtđược đồng đều, nồng độ đạt đến 1 mức yêu cầu và ổn định, ở đây nồng độ yêucầu là 4,5% cho các bể trộn thứ nhất và 4% cho các bể trộn thứ hai Còn máynghiền đĩa chỉ đóng vai trò phụ và hỗ trợ cho hệ thống nghiền phía sau

Từ mục đích đặt ra, ta thấy bài toán điều khiển quá trình được sử dụng chocác bể trộn đó chính là bài toàn về ổn định mức trong các bể và bài toán về ổnđịnh nồng độ

Mức bột trong bể Ch63 được điều khiển bằng bộ điều khiển L01, điềukhiển độ mở van của 2 van cấp bột từ 2 đường bột là từ Ch70 và Ch71 Điềukhiển mức cho bể ChN64-2 bằng bộ điều khiển L02 còn bể ChN64-1 thì thôngqua điều khiển 2 van cấp bột từ bể chứa bột ngoại tới bể ChN64-1 và ChN64-2.

Ổn định mức cho bể Ch65 là bộ điều khiển mức L03, cho bể Ch66 là bộ điềukhiển mức L04

Nồng độ tại các bể được điều khiển bằng việc cấp nước trắng tại các đườngbơm ra của bể trước bơm vào bể sau Để điều khiển nồng độ tại bể ChN64-1 thìtại ba bể chứa bột ngoại Ch60, Ch61, Ch62 nước trắng được cấp vào, các vanđược điều khiển thông qua việc đặt cho bộ điều khiển B001, B004, B007 Điềukhiển nồng độ của bể ChN64-2 được thực hiện bằng bộ điều khiển Q11N Điềukhiển nồng độ cho bể Ch63 được thực hiện bằng bộ điều khiển Q07 Các bộ

điều khiển trên đều điều khiển các van cấp nước trắng từ bể Ch69 (White water

storage chest).

Nồng độ tại bể Ch65 được điều khiển bởi bộ điều khiển Q02, nồng độ tại

bể Ch66 được điều khiển bở bộ điều khiển Q01 Còn trước khi bột được đưa vào

hệ thống nghiền thô, thì nồng độ lại được điều khiển bởi 2 van cấp nước trắngvào đường bơm ra Hai bộ điều khiển 2 van đó là Q03 ứng với đường bột ra sau

bể Ch65 và Q04 ứng với đường bột ra sau bể Ch66

1 Nhìn từ quan điểm công nghệ

Từ những đặc điểm công nghệ của hệ thống đánh bột và bể trộn, các đạilượng biến vào và biến ra được phân chia:

• Các đại lượng vào:

+ Lưu lượng bột nội vào: FBP- in

+ Lưu lượng bột ngoại vào: FPP - in

+ Lưu lượng nước trắng cấp vào các bể: Fw.w (w.w – white water)

• Các đại lượng ra:

+ Nồng độ bột nội ra: QBP

+ Nồng độ bột ngoại ra: QPP

+ Lưu lượng bột nội đra: FBP– out

+ Lưu lượng bột ngoại ra: FPP- out

2 Nhìn từ quan điểm điều khiển quá trình

Lượng nước trắng cấp vào đường bơm bột ra của các bể quyết định đếnnồng độ bột của bể sau đó Mức trong các bể đóng vai trò làm giảm sự bất đồngđều của nồng độ bột, bên cạnh đó còn giữ cho hệ thống luôn luôn vận hành liêntục Phân tích bài toán điều khiển quá trình đánh bột và bể trộn trên cơ sở mụcđích của điều khiển quá trình

• Đảm bảo vận hành hệ thống ổn định, trơn tru:

Việc duy trì hệ thống vận hành ổn định, trơn tru là yêu cầu đặt ra hàng đầuđối với dây truyền sản xuất giấy nói chung và hệ thống các Máy xeo trong phânxưởng xeo nói riêng Việc vận hành ổn định, trơn tru càng có ý nghĩa qua trọnghơn khi mà hệ thống đánh bột và bể trộn lại là phần đầu tiên trong hệ thốngchuẩn bị bột của máy xeo, nó cần phải được vận hành ổn định, trơn tru để khônglàm ảnh hưởng đến các quá trình sau.

Các bể đánh bột và các bể trộn đóng vai trò trong việc duy trì cho hệ thốngluôn được vận hành trơn tru Một lượng bột luôn có sẵn trong các bể giúp choviệc cung cấp liên tục cho các bơm bơm đi cung cấp cho những phần sau đó nhờviệc điều khiển duy trì mức trong các bể luôn ổn định Bên cạnh đó các bơmcũng được vận hành liên tục (không có sự can thiệp của các bộ điều khiển vàoquá trình vận hành vào các bơm) vì thế quá trình luôn được đảm bảo sao cho ổnđịnh và trơn tru nhất

• Đảm bảo năng suất và chất lượng của sản phẩm:

Năng suất của hệ thống bể đánh bột và bể trộn quyết định đến năng suấtcủa máy xeo Để có được năng suất cao nhất, tức là các Máy xeo phải hoạt độngliên tục thì việc duy trì cho hệ thống luôn ổn định, trơn tru là điều kiện đầu tiên.Sau đó hệ thống hệ thống luôn vận hành liên tục để sao cho cung cấp lượng bộtliên tục cho Máy xeo sản xuất giấy

Chất lượng của giấy được đánh giá dựa theo các chỉ tiêu về độ mịn, độ dai,

độ tro… Mà các chỉ tiêu đó phần lớn phụ thuộc vào độ đồng đều và nồng độ củabột Mặc dù sau hệ thống các bể đánh bột và các bể trộn này thì còn rất nhiềucác bể khác, nhưng hệ thống các bể đánh bột và bể trộn giúp cho dây truyền sảnxuất đạt được các chỉ tiêu Hệ thống ba bể đánh bột ngoại và hai bể đánh bột nộigiúp cho bột luôn được đồng đều, bên cạnh đó các bể trộn đều có các cánhkhuấy để đảm bảo sự đồng đều của bột tại các bể đó Hệ thống các bể trộn liêntiếp nhau có khả năng hòa loãng và ổn định nồng độ bột dễ dàng hơn, khả năngđiều khiển nồng độ dễ hơn dẫn đến đảm bảo chất lượng sản phẩm tốt hơn

Bên cạnh đó, các đường hồi lưu của những bể chứa phía sau được bơm vềcác bể phía trước nhằm nâng cao sự đảm bảo các chỉ tiêu của bột, nâng cao chấtlượng sản phẩm

• Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn:

Vấn đề an toàn trong nhà máy luôn được đặt lên hàng đầu, vì thế trong bất

cứ một hệ thống, một thiết bị nào cũng luôn được tính đến vấn đề an toàn Việcđảm bảo an toàn cho hệ thống thì trong thiết kế, hệ thống luôn được trang bị cácthiết bị phục vụ cho công tác giám sát và cảnh báo Các thiết bị đó có thể là cácvan an toàn, các thiết bị hiển thị và cảnh báo

Tuy nhiên không chỉ hệ thống được thiết kế an toàn bằng việc lắp đặt cácthiết bị phục vụ cho công tác giám sát, cảnh báo mà ngay trong bài toán điềukhiển quá trình, vấn đề an toàn hệ thống cũng được giải quyết Trong các bộđiều khiển mức, để đảm bảo cho bột không tràn khỏi bể, hay trong bể không cóbột (khi đó bơm sẽ vận hành không tải sẽ có thể gây ra nguy hiểm) bộ điều

khiển luôn có hai mức là H (Hight) và L (Low) Bên cạnh đó là việc thiết kế

nhiều chế độ vận hành để đảm bảo sửa chữa thiết bị, tránh gây hỏng hóc mất antoàn mà vẫn đảm bảo tính vận hành liên tục

• Bảo vệ môi trường:

Bột luôn được chứa trong các bể kín hoặc các bể này luôn được điều khiển

để đảm bảo mức trong bể, vì thế vấn đề bảo vệ môi trường luôn được đảm bảo.Bên cạnh đó hệ thống được vận hành bởi các thiết bị điện hoặc thủy lực nêncũng không gây ra ô nhiễm môi trường

• Nâng cao hiệu quả kinh tế:

Đảm bảo hệ thống ổn định, trơn tru, vận hành an toàn, đạt năng suất chấtlượng sản phẩm cũng chính là đảm bảo mục đích nâng cao hiệu quả kinh tế.Việc sử dụng máy nghiền đĩa và các chế độ hoạt động khác nhau chính là đểđảm bảo chất lượng sản phẩm mà vẫn đạt được hiệu quả kinh tế Các chế độhoạt động chính là quá trình nghiên cứu và phát triển thêm trong quá trình vậnhành sản xuất của nhà máy Đây chính là phần mang lại tiết kiệm về nhiêu liệu,nguyên liệu, đạt hiệu quả kinh tế rất lớn

Bên cạnh đó việc sử dụng tách biệt hai loại bột nội, bột ngoại để đưa đến

bể trộn hỗn hợp giúp cho tiết kiệm về chi phí sản xuất (vì giá thành của bột nhậpngoại cao)

Từ những phân tích theo quan điểm công nghệ và quan điểm điều khiểnquá trình thì hệ thống đánh bột và các bể trộn được thể hiện qua sơ đồ khối nhưsau:

•Biến điều khiển:

+ Lưu lượng nước trắng cấp vào các bể: Fw.w

•Nhiễu quá trình:

+ Lưu lượng bột nội vào: FBP- in

+ Lưu lượng bột ngoại vào: FPP- in

•Biến cần điều khiển:

+ Nồng độ bột nội ra: QBP

+ Nồng độ bột ngoại ra: QPP

III CÁC BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN CƠ BẢN

Trong bài toán tổng quát về điều khiển quá trình hệ thống đánh bột và bểtrộn như đã được phân tích ở trên, xét về mặt điều khiển nó có thể chia ra đượcthành các bài toán điều khiển ở cấp độ nhỏ hơn Những bài toán điều khiển nhỏnày rất điển hình không chỉ trong phần đánh bột và bể trộn hay trong phânxưởng xeo mà còn điển hình trong cả nhà máy giấy và trong các nhà máy côngnghiệp khác Trong nội dung về phần này, chúng em sẽ trình bày về hai bài toánđiều khiển quá trình nhỏ, đó là: bài toán điều khiển mức, bài toán điều khiểnnồng độ

1 Bài toán điều khiển mức

Nhìn trên lưu đồ P&ID, phần bể đánh bột và các bể trộn, điều khiển mứcđược sử dụng cho tất các các bể: Ch63, ChN64-2, Ch65, Ch66

Tổng quát về một bài toán điều khiển mức có lưu đồ P&ID như dưới đây:

Hình Bài toán điều khiển mức

Mức trong bể luôn được ổn định, có hai mức đó là; H (hight) – mức cao nhất và L (Low) – Mức thấp nhất Mức được đo thông qua một cảm biến đo mức truyền tín hiệu về bộ điều khiển mức (LC – Level Control), bộ điều khiển mức

sẽ tạo tín hiệu điều khiển van cấp vào bể Thông qua việc điều khiển van cấp,

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống đánh bột và các bể trộn

FPP- in

Fw.w

QPP

mức trong bể sẽ được điều khiển ổn định ở một giá trị đặt nào đó hoặc được giữgiữa hai mức H và L

Phân tích bài toán điều khiển quá trình này, nhìn vào quan điểm công nghệ

thì đây là một quá trình đơn biến - SISO (single-input single-output), bài toán

điều khiển phản hồi một vòng đơn Cụ thể:

•Biến điều khiển: lưu lượng cấp vào bể Fin

•Nhiễu quá trình: lưu lượng bơm ra Fout

•Biến cần điều khiển: mức trong bể LCh

Có cấu hình điều khiển của bài toán điều khiển mức như sau:

Điều khiển mức đóng một vai trò rất quan trọng đó là ổn định mức trongcác bể trộn Hay nói một cách tổng quát đó là ổn định chế độ làm việc của hệthống, tránh các trường hợp xảy ra sự cố của hệ thống: như tràn mức khỏi bể gâynguy hiểm, hay mức trong bể cạn dẫn đến hệ thống bị ngừng hoạt động… Vìvậy với một nhà máy sản xuất như nhà máy giấy bãi bằng thì bài toán về điềukhiển mức là rất phổ biến

Không chỉ có đóng vai trò là ổn định mức trong các bể mà điều khiển mứccòn giám tiếp quyết định đến chất lượng đầu ra của điều khiển nồng độ Nếuchất lượng của quá trình điều khiển mức được tốt, thì sẽ đảm bảo yêu cầu chobài toán điều khiển nồng độ ở quá trình sau Khi đó góp phần cho nâng cao đượcchất lượng cũng như năng suất của sản phẩm ra

L

Ch

GnĐối tượng

Hình 1.6 Sơ đồ mạch điều khiển mức trong bể

Lưu lượng cấp vào bể

(Biến điều khiển)

Lưu lượng bơm ra (Nhiễu quá trình)

Fout

LCh

Fin

Trong phần bể đánh bột và bể trộn này, có bốn bộ điều khiển mức là bộ

điều khiển LRCA (Level Record Control Alarm – Bộ điều khiển mức có chế độ

ghi và cảnh báo) Mặc dù cùng là một bài toán điều khiển mức nhưng bốn bộ

điều khiển này đều có điểm khác nhau tùy vào các yêu cầu công nghệ đặt ra chocác bể trộn

đềuđược bộ điều khiển L01 điều khiển đồng thời

Trong bài toán điều khiển này, thì nhiễu của quá trình không chỉ là lưulượng bơm ra mà còn là lưu lượng hồi lưu từ máy nghiền đĩa về Và mặc dù bộđiều khiển L01 điều khiển hai van nhưng thực chất vẫn chỉ là một biến đượcđiều khiển, bài toán vẫn là quá trình SISO

Bộ điều khiển này còn có chức năng được mở rộng đó là truyền tín hiệu chỉ

thị và cảnh báo (LIA – Level Indicate Alarm) về cho hệ thống điều khiển phân

tán, nhằm thực hiện chức năng giám sát

• Bể trộn ChN64-2

Hình Bể trộn ChN64-2

Bộ điều khiển LRCA – L02 thực hiện điều khiển một van cấp cho bểChN64-2, và cũng như bộ điều khiển L01, nó truyền tín hiệu về cho hệ thốngđiều khiển phân tán nhằm thực hiện chức năng giám sát Cũng như trên nhiễucủa quá trình không chỉ là lưu lượng bơm ra mà còn là lưu lượng hồi lưu từ máynghiền đĩa về.

b Bể trộn Ch65 và bể trộn Ch66

Cả hai bộ điều khiển L03 và L04 điều có hai khả năng hoạt động Có thể làtạo tín hiệu điều khiển trực tiếp cho van cấp, hay tạo tín hiệu đặt cho một bộđiều khiển khác để điều khiển van cấp cho bể

• Bể trộn Ch65:

Hình Bể trộn Ch65

Bộ điều khiển LRCA – L03 có thể tạo tín hiệu đặt cho bộ điều khiển F11N

(FRC – Flow Record Control) để điều khiển van cấp từ máy nghiền đĩa

(DDR-1) hay tạo tín hiệu điều khiển trực tiếp cho van cấp từ Máy xeo 2 (PM2) tới bểCh65, hai khả năng này được thực hiện nhờ vào khóa chuyển Tuy nhiên giữađường cấp từ PM2 đến bể Ch65 có van thường đóng, nên chế độ hoạt động này

là chế độ hoạt động phụ, thường chỉ sử dụng khi có sự cố hay theo yêu cầu côngnghệ sản xuất Bể Ch65 được cấp chính vẫn là từ mày nghiền đĩa DDR-1

• Bể trộn Ch66:

Bộ điều khiển LRCA – L04 có khả năng tạo tín hiệu điều khiển van cấpcho bể Ch66 từ bể Ch70, bên cạnh đó nhờ vào khóa chuyển thì nó còn tạo tínhiệu đặt cho bộ điều khiển F11N để điều khiển van cấp từ máy nghiền đĩa(DDR-1) Tuy nhiên từ DDR-1 đến bể Ch66 có một van thường đóng, cho nênchế độ hoạt động này chỉ là chế độ hoạt động phụ, chỉ sử dụng khi có sự cố haytheo yêu cầu công nghệ sản xuất Bể Ch66 được cấp chính vẫn là từ bể Ch70

Hình Bể trộn Ch66

2 Bài toán điều khiển nồng độ

Nhìn trên lưu đồ P&ID bài toán điều khiển nồng độ có ở các bể: Ch70,Ch71, Ch63, ChN64-1, ChN64-2, Ch65, Ch66

Tổng quát về một bài toán điều khiển mức có lưu đồ P&ID như dưới đây:

Hình Bài toán điều khiển nồng độ bột

Ở đây nồng độ được điều khiển không phải là trước khi bột được cấp vào

bể mà là sau khi được bơm ra khỏi bể Một cảm biến đo nồng độ được lắp đặtsau đường bơm ra khỏi bể, tín hiệu phản hồi về sẽ truyền tới bộ điều khiển nồng

độ QRC (Quantity Record Control) Bộ điều khiển này điều khiển van cấp nước

trắng trộn vào đường bơm ra của bể, từ đó nồng độ bột đi tới phần sau được đảmbảo với một giá trị đặt trước Nước trắng được trộn vào sau khi bột được bơm rakhỏi bể nhằm mục đích giảm nhiễm của quá trình Trong bể có các cánh khuấy

để khuấy đều bột, làm cho bột trong bể được đồng nhất, bên cạnh đó mức trong

bể ổn định cũng góp phần làm giảm nhiễu quá trình là lưu lượng bơm bột rakhỏi bể

Phân tích bài toán điều khiển quá trình này, nhìn vào quan điểm công nghệ

thì đây là một quá trình đơn biến - SISO (single-input single-output), bài toán

điều khiển phản hồi một vòng đơn Cụ thể:

•Biến điều khiển: lưu lượng nước trắng Fw.w

•Nhiễu quá trình: lưu lượng bơm ra Fout

•Biến cần điều khiển: nồng độ của bột bơm ra Qout

Cấu hình điều khiển của bài toán điều khiển mức như sau:

Bài toán điều khiển nồng độ là một trong những bài toán quan trọng quyếtđịnh đến chất lượng của sản phẩm đầu ra Tờ giấy có đạt chất lượng tốt haykhông phụ thuộc rất nhiều vào nồng độ bột khi đưa lên xeo thành giấy Nồng độ

có đảm bảo theo yêu cầu của công nghệ hay không phụ thuộc hoàn toàn vào việcgiải quyết bài toán điều khiển nồng độ tại các bể chứa Bên cạnh việc đảm bảo

ổn định nồng độ để đạt được chất lượng tốt cho tờ giấy thì việc ổn định nồng độcòn có một ý nghĩa quan trọng nữa đó là hiệu quả kinh tế trong sản xuất Nếunồng độ bột không ổn định thì khi đưa lên xeo thành giấy, giấy có thể không đạtđược chất lượng như mong muốn (nồng độ nhỏ hơn yêu cầu – giấy sẽ trở thànhphế phẩm hay nồng độ lớn hơn so với yêu cầu – sẽ gây ra lãng phí)

Chất lượng và hiệu quả kinh tế quyết định đến sự hoạt động của toàn bộnhà máy, vì thế bài toán điều khiển nồng độ tuy không phải là một bài toán phứctạp những lại là bài toán rất điển hình và đóng vai quan trọng, trực tiếp trong hệthống, trong bài toán điều khiển quá trình lớn của toàn bộ nhà máy

Qout

GnĐối tượng

Hình 1.6 Sơ đồ mạch điều khiển nồng độ bột

Fout

SP

Đường bột ra khỏi bể

Nồng độ bột bơm ra (Biến cần điều khiển)

Lưu lượng nước trắng

(Biến điều khiển)

Lưu lượng bơm ra (Nhiễu quá trình)

CHƯƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NGHIỀN

I QUÁ TRÌNH HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG NGHIỀN

Hệ thống nghiền của Máy xeo gồm hai phần (ở đây không xét đến nhữngmáy nghiền đĩa): phần nghiền thô và phần nghiền tinh Phần nghiền thô là một

tổ hợp gồm có sáu máy nghiền côn, phần nghiền tinh là tổ hợp gồm có hai máynghiền côn kết hợp với bể máy để đưa bột đến quá trình sau đó Lưu đồ P&ID (2 hình vẽ)

Trong khi vận hành thì hệ thống nghiền có các chế độ vận hành khác nhau.Các chế độ vận hành này nhằm đảm bảo lượng bột cấp cho nhà máy, chủ độngđược chất lượng bột và thuận tiện khi vận hành Ở Máy xeo 1, khi bột đảm bảochất lượng hay cần sửa chữa, thay thế máy nghiền đĩa thì dùng chế độ BYPASS, không qua nghiền đĩa nữa Nếu độ nghiền của bột chưa đáp ứng yêu cầuthì cần phải cho bột qua máy nghiền côn (hệ thống nghiền thô) Và ở điều kiệnvận hành bình thường như hiện nay, chế độ BY PASS được sử dụng cho chấtlượng rất tốt, và hiệu quả kinh tế

Bột sau khi đi ra khỏi bể Ch65 và Ch66 được pha loãng (điều khiển để ổnđịnh nồng độ bột đạt yêu cầu công nghệ) rồi đưa và hệ thống các máy nghiềnthô (là các máy nghiền côn) Trong hệ thống nghiền thô, sáu máy nghiền chialàm hai nhóm: bột nhập ngoại do chất lượng đã tốt nên chỉ cần qua hai máynghiền thô, còn bột nội do chất lượng kém hơn nên cần cho qua bốn máy nghiềnthô Việc điều khiển máy nghiền côn được thực hiện thông qua đo nhiệt độ, ápsuất trong máy nghiền, từ đó đưa ra các giá trị đặt thích hợp cho các bộ điềukhiển từ C001 tới C006

Các bột sau khi nghiền thô được đưa đến bể hỗn hợp Ch67 (do có nhiềunguồn nguyên liệu, cần phải tạo ra loại bột hỗn hợp có chất lượng đồng đều) Cả

ba loại bột: bột nội, bột ngoại, bột giấy rách sau khi được nghiền và pha loãngtới một nồng độ thích hợp thì được đưa vào bể hỗn hợp Ch67 để tạo ra một hỗnhợp bột với các tỉ lệ mong muốn Vấn đề về bài toán điều khiển quá trình bể trộnCh67 chúng em xin trình bày ở phần bên dưới Tại đây, người ta cũng trộn màu

và chất OBA vào bột rồi đưa vào hai máy nghiền tinh Hai máy nghiền tinh ởđây cũng không khác nhiều so với các máy nghiền thô, chỉ khác ở chỗ là nóchạy chậm hơn (tốc dộ vòng quay cao) Sau khi qua nghiền tinh, bột được đưađến bể máy Ch68 Tại đây người ta cũng trộn tinh bột lấy từ bộ phận phụ gia, tất

cả được khuấy trộn và bơm đi Bột bơm đi từ bể máy được pha với nước loãng

để tạo thành bột có nồng độ theo yêu cầu Nồng độ này được điều khiển từ QCS(Hệ thống điều khiển giám sát chất lượng) Bột từ đây là bột hợp cách, bột đảmbảo các chỉ tiêu về chất lượng về nồng độ cũng như là độ mịn, độ nghiền

II PHÂN TÍCH BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

Trong bài toán điều khiển quá trình của hệ thống nghiền mục đích đặt rachính là chỉ tiêu về độ mịn của bột sau khi ra khỏi hệ thống Nhìn từ lưu đồ

P&ID, hệ thống nghiền có nghiền thô và nghiền tinh Nghiền thô gồm sáu máynghiền chia làm hai nhóm: một nhóm gồm bốn máy có nhiệm vụ nghiền bột nột,một nhóm gồm hai máy có nhiệm vụ nghiền bột ngoại Nghiền tinh gồm có haimáy nghiền Ở chế độ hoạt động bình thường, thì các máy nghiền côn trong cácnhóm là hoạt động nối tiếp nhau Trong hệ thống nghiền thô, để đảm bảo chấtlượng nghiền thì ở đường ra của hệ thống bên cạnh việc cấp bột cho bể Ch67 nócòn có hai đường hồi lưu trở lại các bể: nhóm bốn máy nghiền bột nội đưađường hồi lưu về bể Ch66, còn nhóm hai máy nghiền bột ngoại đưa đường hồilưu về bể Ch65.

Mỗi một máy nghiền côn có công suất 132 kw, dòng bột vào từ đầu nhỏđến đầu to của máy nghiền côn Máy nghiền tạo thành một chuyển động hìnhxoáy ốc và đi qua dao bay và dao đế Khe hở giữa dao bay và dao đế có thể điểukhiển được và đó chính là phụ tải của động cơ Máy nghiền tinh thì chạy chậmhơn máy nghiền thô Mỗi máy nghiền thì được điều khiển bởi một bộ điều khiển

HIC (Hardness Indicate Control – Điều khiển chỉ thị độ nghiền), bên cạnh đó nó

còn có các bộ cảm biến, bộ ghi và bộ khóa chuyển để có thể phục vụ cho bàitoán điều khiển và giám sát Bộ ER – Ghi lại điện thế hoạt động của máy nghiền

(Voltage Record), bộ TS – Là công tắc chuyển khi nhiệt độ nằm ngoài vùng cho phép (Temperature Switch), bộ PS – Là công tắc chuyển khi áp suất nằm ngoài vùng cho phép (Pressure Switch).

Từ những vấn đề ở trên ta thấy bài toán điều khiển quá trình đặt ra cho hệthống nghiền cũng chính là bài toán điều khiển quá trình đặt ra cho từng máynghiền Khi mỗi bài toán điều khiển quá trình trên từng máy nghiền được giảiquyết thì cũng là thực hiện được bài toán chung cho toàn bộ hệ thống nghiền.Lưu đồ P&ID của hệ thống điều khiển máy nghiền

Hình Hệ thống điều khiển máy nghiền

1 Nhìn từ quan điểm công nghệ

Từ những đặc điểm công nghệ của hệ thống nghiền, các đại lượng biến vào

và biến ra được phân chia:

• Các đại lượng vào:

+ Lưu lượng bột vào: Fin

(có thể là cả lưu lượng bột ngoại và bột nội)

+ Độ nghiền bột vào: in

(có thể là cả độ nghiền bột ngoại và bột nội)

+ Phụ tải động cơ:

• Các đại lượng ra:

+ Độ nghiền bột ra: out

(có thể là cả độ nghiền bột ngoại và bột nội)

+ Lưu lượng bột ra: Fout

(có thể là cả lưu lượng bột ngoại và bột nội)

2 Nhìn từ quan điểm điều khiển quá trình

• Đảm bảo vận hành hệ thống ổn định, trơn tru:

Các máy nghiền được vận hành liên tục, và trước mỗi hệ thống nghiền luôn

có các bể trộn – bể chứa nhằm đảm bảo cung cấp bột liên tục cho các máynghiền Vì thế hệ thống nghiền luôn được vận hành trơn tru

Việc điều khiển các máy nghiền được thực hiện bởi bộ điều khiển HIC,bên cạnh đó là các bộ đo ER và các công tắc chuyển TS, PS giúp cho các máynghiền vận hành ổn định từ đó hệ thống cũng đảm bảo tính ổn định

• Đảm bảo năng suất và chất lượng của sản phẩm:

Độ nghiền – độ mịn của bột quyết định đến chất lượng của sản phẩm Đểđảm bảo cho bột có độ nghiền theo yêu cầu công nghệ thì hệ thống nghiền thựchiện nghiền qua hai giai đoạn là nghiền thô và nghiền tinh Bên cạnh đó bộtngoại và bột nội được nghiền riêng biệt ở hệ thống nghiền thô, các máy nghiềnđược nối tiếp với nhau nhằm nâng cao chất lượng của bột sau khi nghiền

Ngoài việc thực hiện đảm bảo yêu cầu công nghệ của bột sau khi đượcnghiền bằng các giải pháp về thiết bị, bài toán điều khiển quá trình cũng đảmbảo thực hiện chức năng này Hệ thống nghiền thô có các đường hồi lưu trở về

bể chứa phía trước nhằm đảm bảo tăng chất lượng nghiền Các bộ điều khiển vàcác bộ đo giúp cho vấn đề điều khiển độ nghiền được thực hiện triệt để

• Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn:

Hệ thống nghiền được vận hành cùn với sự hoạt động của bộ ghi điện áp

ER, khóa chuyển quá áp suất PS, khóa chuyển quá nhiệt độ TS Ba thiết bị trêngiúp cho hệ thống luôn làm việc trong chế độ an toàn, khi xảy ra bất cứ một hiệntượng bất thường nào thì người vận hành có khả năng nhận biết và xử lý kịpthời Hoặc là các thiết bị sẽ tự động vận hành để khống chế sự cố

• Bảo vệ môi trường:

Hệ thống nghiền hoạt động kép kín nên luôn đảm bảo vấn đề bảo vệ môitrường Bên cạnh đó các máy nghiền được vận hành bởi hệ thống các động cơđiện, điều đó giúp cho hệ thống hoạt động mà không gây ảnh hưởng đến môitrường

• Nâng cao hiệu quả kinh tế:

Việc đảm bảo vận hành ổn định, trơn tru, hệ thống an toàn luôn đảm bảochất lượng sản phẩm đã giúp cho đạt được hiệu quả kinh tế

Từ những phân tích theo quan điểm công nghệ và quan điểm điều khiểnquá trình thì hệ thống được thể hiện qua sơ đồ khối như sau:

• Biến điều khiển:

+ Công suất hoạt động của máy nghiền:

• Nhiễu quá trình:

+ Lưu lượng bột vào: Fin

(có thể là cả lưu lượng bột ngoại và bột nội)

+ Độ nghiền của bột vào: Hin

(có thể là cả độ nghiền bột ngoại và bột nội)

• Biến cần điều khiển:

+ Độ nghiền bột ra: Hout

(có thể là cả độ nghiền bột ngoại và bột nội)

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống đánh bột và các bể trộn

FPP- in

Fw.w

QPP

CHƯƠNG 4 ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH BỂ HỖN HỢP

I QUÁ TRÌNH HOẠT ĐỘNG BỂ HỖN HỢP

Trong nhà máy giấy sử dụng 3 tuyến bột: bột nhập ngoại, bột nội và bộtgiấy rách Các đường bột này sau khi được nghiền, pha loãng… thì đều đượcđưa vào bể hỗn hợp Bể hỗn hợp là một bể trộn các dòng bột vào Bên trong bể

có cánh khuấy để đảm bảo hỗn hợp các dòng bột được trộn đều Tại đây, người

ta còn bổ sung thêm màu (DYE) và chất tăng trắng (OBA)

Mục đích của bể hỗn hợp là để chứa hỗn hợp các bột sau khi chuẩn bị và để trộnchúng lại theo tỉ lệ do người sản xuất quyết định

II PHÂN TÍCH BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

1 Nhìn từ quan điểm công nghệ

Các dòng bột được đưa vào bể trộn, được cánh khuấy trộn đều Đáy bể,người ta sử dụng một bơm để bơm bột sản phẩm ra ngoài Nhìn từ quan điểmcông nghệ, quá trình trộn bột bao gồm các đại lượng vào, đại lượng ra đượcphân chia như sau:

• Các đại lượng vào:

+ Lưu lượng dòng bột ngoại vào F1

+ Lưu lượng dòng bột nội vào F2

+ Lưu lượng dòng bột giấy rách F3

• Các đại lượng ra:

+ Lưu lượng dòng bột ra F

2 Nhìn từ quan điểm điều khiển quá trình

Tốc độ cánh khuấy ảnh hưởng nhiều đến chất lượng, đến độ đồng đều củahỗn hợp bột Do đó, khi thiết kế thì đại lượng này coi như là không đổi, đạt yêucầu

• Đảm bảo vận hành hệ thống ổn định

Để đảm bảo hệ thống vận hành ổn định và trơn tru, yêu cầu trước tiên làcác thiết bị cảm biến, thiết bị đo mức, các van điều khiển và động cơ trộn phảiđảm bảo hoạt động tốt Ngoài ra trong quá trình trộn, việc đảm bảo hệ thống vậnhành ổn định thể hiện ở việc duy trì mức trong bình trộn Nồng độ bột trong bộtsau trộn, ở đây không cần điều khiển, vì nồng độ các dòng bột vào đã được điềukhiển đạt một giá trị cao hơn một mức đặt trước Dòng bột sản phẩm ra khỏi bểtrộn sẽ được pha loãng xuống nồng độ thấp hơn bằng cách sử dụng một đườngnước pha loãng

Việc duy trì mức trong bể trộn sẽ đảm bảo được các yêu cầu như tránhtràn, tránh cạn, đảm bảo sự hoạt động liên tục của cả hệ thống sản xuất giấy.Xuất phát từ nguyên lý cân bằng vật chất của hệ thống ở trạng thái xác lập thì,khi mức được duy trì ổn định thì lượng sản phẩm lấy ra đúng bằng tổng cácdòng bột đầu vào và lượng hóa chất vào Lượng hóa chất vào bao gồm màu vàchất tăng trắng nhưng không nhiều, ta có thể coi là nhiễu Vì nó ảnh hưởngkhông đáng kể tới giá trị mức nên ta có thể bỏ qua.

• Đảm bảo chất lượng sản phẩm

Chất lượng sản phẩm được đặc trưng bởi chất lượng bột, độ mịn, độ đồngđều của các dòng bột trong hỗn hợp Độ mịn, độ đồng được quyết định bởi cánhkhuấy đặt trong bể trộn Như ta đã nói ban đầu, ta đã coi như cánh khuấy đã hoạtđộng đạt yêu cầu nên hệ thống luôn đảm bảo độ mịn, độ đồng đều Tuy nhiên,sản phẩm bột sau khi trộn là hỗn hợp của 3 loại bột có tính chất và nguồn gốckhác nhau, chất lượng của chúng cũng không giống nhau Nếu coi chất lượngcủa mỗi dòng bột vào là ổn định thì chất lượng của bột sản phẩm như vậy phụthuộc vào tỉ lệ lượng các dòng bột vào Tuy nhiên để đánh giá chất lượng củabột thì cần phải sử dụng rất nhiều thiết bị hiện đại, phức tạp Do vậy, việc đochất lượng của bột đầu ra là không hợp lí Ta có thể xác định trước chất lượngcác dòng bột đầu vào, rồi từ đó định ra tỉ lệ các dòng bột sao cho hợp lí

• Vận hành hệ thống an toàn

Các khả năng có thể gây mất an toàn cho thiết bị cũng như là người vậnhành có liên quan đến các thông số thiết bị đều đã được đo, cảnh báo và bảo vệnhư thiết bị ngắt cách ly, thiết bị bảo vệ… Do đó, ta chỉ quan tâm đến khả nănggây mất an toàn xuất phát từ sự thay đổi của các biến trạng thái trong quá trình,

đó là mức bột trong bể trộn Nếu quá cao có thể gây tràn bể, làm quá tải động cơtruyền động cánh khuấy, tạo áp suất quá cao trong bể sẽ gây nguy hiểm cho cácthiết bị và người vận hành Nếu quá thấp sẽ ảnh hưởng đến toàn bộ dây chuyềnsản xuất giấy, gây nguy hiểm cho bơm đầu ra, có thể dẫn tới hỏng bơm Vì thế

để đảm bảo hệ thống vận hành an toàn thì cần phải duy trì mức bột trong bể ổnđịnh trong phạm vi cho phép

• Hiệu quả kinh tế

Hiệu quả kinh tế ở đây chính là đảm bảo năng suất theo yêu cầu cũng nhưtiết kiệm năng lượng Việc sử dụng dòng bột tái chế từ giấy rách, giấy hỏngtrong các công đoạn không nằm ngoài mục đích này Tuy nhiên nếu sử dụng quánhiều bột này có thể làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm đầu ra Dòng bộtngoại nhập cũng được sử dụng để phòng khi bột nội sản xuất không đủ cũng nhưlàm tăng chất lượng sản phẩm (vì bột ngoại nhập thường chất lượng rất tốt), tuynhiên, giá thành cũng vì thế mà sẽ tăng lên Hơn nữa, vì nhà máy sản xuất nhiềuloại giấy để phù hợp với nhu cầu của thị trường, mỗi loại lại có một yêu cầuriêng nên, việc định tỉ lệ lượng các dòng bột đầu vào sao cho hợp lí sẽ ảnhhưởng rất lớn đến hiệu quả kinh tế trong sản xuất

Mặt khác, nếu chúng ta đảm bảo được hệ thống vận hành ổn định, an toànthì chúng ta cũng sẽ giảm được chi phí nhiều vào việc bảo trì và sửa chữa cácthiết bị.

• Bảo vệ môi trường

Hệ thống vận hành an toàn, không gây ra sự cố là đã góp phần vào việcbảo vệ môi trường Các nguyên liệu được sử dụng ở đây chủ yếu là bột, chúngđược dẫn trong các đường dẫn kín nên vấn đề ô nhiễm môi trường cũng rất hạnchế

Từ những phân tích theo quan điểm công nghệ và quan điểm điều khiểnquá trình thì hệ thống đánh bột và các bể trộn được thể hiện qua sơ đồ khối nhưsau:

• Biến điều khiển:

+ Lưu lượng dòng bột ngoại vào F1

+ Lưu lượng dòng bột nội vào F2

+ Lưu lượng dòng bột giấy rách F3

• Nhiễu:

+ Lưu lượng dòng bột ra F (vì lưu lượng bột ra do yêu cầu sản xuất)

• Biến cần điều khiển:

+ Mức bột trong bể

III BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN CƠ BẢN TRONG BỂ HỖN HỢP

Bài toán cơ bản ở đây chính là bài toán điều khiển mức trong bình trộn.Lưu đồ P&ID điều khiển mức trong bình trộn được thể hiện như hình sau

Quá trình trộn

F

F1 F2 F3

Hình 1.1 Sơ đồ khối quá trình trộn bột

Sơ đồ khối mạch vòng điều khiển mức

Trong đó:

+ FCi là bộ điều khiển lưu lượng dòng i

+ Ri là tỉ lệ lượng bột dòng bột thứ i (so với lưu lượng tổng do bộ LCđưa ra)

+ LC là bộ điều khiển mức

Ta có thể thấy rằng, lưu lượng dòng bột vào không chỉ phụ thuộc vào độ

mở van mà còn phụ thuộc vào áp suất dòng bột (do nguồn cấp quyết định) Vìthế một sự thay đổi trong áp suất bột sẽ dẫn đến thay đổi lưu lượng trong khi độ

mở van không đổi Hậu quả là bộ điều khiển mức LC phản ứng không kịp thời

Hình 1.3 Sơ đồ khối điều khiển mức

Bể hỗn hợp

Hình 1.2 Lưu đồ P&ID điều khiển mức

VI, VII

H L

FFRC

Vấn đề này được giải quyết bởi bộ điều chỉnh lưu lượng FCi Tín hiệu điềukhiển đưa ra từ bộ điều khiển mức LC không được đưa trực tiếp xuống van màđóng vai trò là giá trị đặt cho bộ điều chỉnh lưu lượng FCi.

Ta đã biết mức bột trong bể nếu quá cao hay quá thấp đều có thể gây mất

an toàn cho thiết bị và con người, do đó, người ta sử dụng bộ điều khiển mứcngoài chức năng điều khiển còn có thêm chức năng cảnh báo khi mức vượtngưỡng trên và ngưỡng dưới

CHƯƠNG 5 ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐƯA BỘT LÊN LƯỚI

I QUÁ TRÌNH HOẠT ĐỘNG ĐƯA BỘT LÊN LƯỚI

Bột sau khi đã đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng về nồng độ cũng như độmịn, độ nghiền thì được bơm đến bộ phận đưa bột lên lưới Lưu đồ P&ID như(hình vẽ)

Một lượng bột xác định (được điều khiển nhờ bộ điều khiển lưu lượngF21) cùng với chất độn CaCO3 và keo AKD được bơm lên tổ hợp máy lọc cátSc220 – Sc221 – Sc222 Ở đó, chúng được lọc xong cũng được trộn với nhau

Do một lượng bột nhỏ luôn theo đường thải ra nên cần phải sử dụng bộ lọcnhiều giai đoạn nhằm thu lại lượng bột lẫn trong đó Sau hệ thống lọc, lượng bộtsạch cùng với chất bảo lưu được bơm lên hệ thống sàng Sc226 - Sc27 Lượngbột thải sẽ được lọc bỏ, lượng nước sẽ được thu hồi lại Sau khi sàng, bột cùngvới chất bảo lưu, chất độn được đưa đến bộ phận hình thành giấy

Ở phần đưa bột lên lưới này thì bộ phận quan trọng nhất là hòm phun bột.Giải quyết bài toán điều khiển quá trình đưa bột lên lưới cũng chính là giải quyếtbài toán điều khiển quá trình trong hòm phun bột

Chức năng của hòm phun bột là phân phối một lượng bột đồng đều trênlưới Đưa một lưu lượng ổn định, có một tốc độ không đổi trên toàn bộ bề ngangcủa lưới Giữ cho dòng bột xáo trộn chống chảy xoáy và phá vỡ sự vón cục củadòng bột đã được hình thành Hòm phun bột có 3 phần chính: Bộ phận phânphối bột, phần thân hòm, phần tháo bột (tấm môi)

Bộ phận phân phối bột bao gồm một ống hình côn hoặc một ống thuônnhỏ Nó được đặt ngang với máy Xeo đằng sau hoặc bên dưới thân hòm phunbột và được nối liền với thân hòm phun bột bằng một số nhánh hoặc tấm cókhoan lỗ

Bộ phận thân hòm có nhiệm vụ ngăn chặn sự rối loạn dòng phía bột vào ởloại hòm phun bột thuỷ lực khi nén có nhiệm vụ khống chế sự thay đổi áp suấttrong bột

Bộ phận tháo bột (tấm môi) chính là phần phun bột lên lưới để hình thànhnên tờ giấy Nó có nhiệm vụ phun bột lên lưới với yêu cầu đồng đều về bềngang và đồng đều theo thời gian (tức là đồng đều suốt chiều dọc của tờ giấy)

II PHÂN TÍCH BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

Trong phần đưa bột lên lưới, bài toán điều khiển quá trình mà ta quan tâmchính là bài toán điều khiển hòm phun bột hình thành nên tờ giấy Lưu đồ P&IDcủa bài toán điều khiển quá trình hòm phun bột:

Nhiệm vụ được đặt ra cho bài toán điều khiển quá trình ở đây là điều khiểnhòm phun bột sao cho nó phun bột lên lưới đồng đều theo chiều ngang của lưới(tức là đảm bảo giấy có chất lượng đồng đều theo khổ ngang) và đồng đều theothời gian (tức là giấy có chât lượng đồng đều theo khổ dọc).

Độ mở môi phun được điều chỉnh bằng một cơ cấu mà cơ cấu đó nâng toàn

bộ tấm môi theo toàn bộ khổ rộng Đồng thời cũng có những núm điều chỉnhtừng phần của bề rộng để có sự đồng đều của dòng chảy Thậm chí khoảng cáchtheo phương nằm ngang giữa các tấm môi ảnh hưởng tới dòng bột phun ra Vịtrí của tấm môi trên cũng phải có khả năng để điều chỉnh theo chiều nằn ngangcủa nó

Khi bài toán điều khiển nồng độ của những hệ thống trước đó đã được giảiquyết, thì lúc đó coi nồng độ bột cấp cho Headbox là không đổi, sự sai khác vềtốc độ giữa tốc độ phun và tốc độ lưới là một hệ số vô cùng quan trọng ảnhhưởng tới các đặc tính của giấy sau khi hoàn thành Với Máy xeo hiện đại, việcđảm bảo tốc độ lưới cố định là có thể duy trì chính xác và do đó, sự khác nhau

về tốc độ của vòi phun/lưới sẽ hầu như phụ thuộc hoàn toàn vào áp suất trongheadbox (hòm phun bột)

Phương pháp điều khiển là điều khiển bơm trộn để bù đắp sự lệch về ápsuất và dòng bột Tín hiệu áp suất đo được sẽ được so sánh với tín hiệu áp suấtđặt Tín hiệu sai lệch được đưa đến bộ điều khiển, được khuếch đại lên và làmtín hiệu đặt tốc độ cơ bản cho bộ chuyển đổi dòng điện Từ đó, tốc độ của bơmthay đổi tương ứng với sự chênh lệch áp suất trong hòm phun cho đến khi không

có sự chênh áp nữa Tuy nhiên, bơm trộn muốn hoạt động đòi hỏi phải tồn tạimột sự chênh áp nào đó Do đó sẽ luôn luôn tồn tại một sai lệch tĩnh (đây cũngchính là nhược điểm của bộ điều khiển P)

1 Nhìn từ quan điểm công nghệ

Từ những đặc điểm công nghệ của hệ đưa bột lên lưới, các đại lượng biếnvào và biến ra được phân chia:

• Các đại lượng vào:

+ Lưu lượng bột vào: Fin

+ Lưu lượng bột ra: Fout

2 Nhìn từ quan điểm điều khiển quá trình

• Đảm bảo vận hành hệ thống ổn định, trơn tru:

Bột được bơm liên tục từ bể máy, qua các hệ thống sàng, lọc rồi đưa lênđầu phun Đầu phun cũng là một loại bình chứa, vì thế hệ thống luôn được đảmbảo vận hành liên tục và ổn định

• Đảm bảo năng suất và chất lượng của sản phẩm:

Năng suất và chất lượng của sản phẩm được quyết định bởi sự hoạt độngcủa hòm phun bột Hòm phun bột được điều khiển để đảm bảo chất lượng của tờgiấy đạt yêu cầu đề ra Khi

• Đảm bảo vận hành hệ thống an toàn:

Hệ thống được vận hành an toàn nhờ

• Bảo vệ môi trường:

• Nâng cao hiệu quả kinh tế:

Từ những phân tích theo quan điểm công nghệ và quan điểm điều khiểnquá trình thì hệ thống được thể hiện qua sơ đồ khối như sau:

• Biến điều khiển:

• Nhiễu quá trình:

+ Lưu lượng bột vào: Fin

+ Độ nghiền của bột vào: Qin

• Biến cần điều khiển:

CHƯƠNG 6 ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH HỆ THỐNG SẤY

I QUÁ TRÌNH HOẠT ĐỘNG HỆ THỐNG SẤY

Sau khi ra khỏi bộ phận ép, giấy được đưa đến bộ phận sấy để sấy khô Khi

tờ giấy ra khỏi bột phận ép có độ khô vào khoảng 40% và nhiệt độ khoảng

25÷30OC Trong bộ phận sấy nước sẽ được tách ra bằng cách bốc hơi Nhiệtđược chuyển qua vùng bay hơi và hơi nước bốc lên, đi qua bề mặt từ giấy vàoluồng khí thông gió

Hơi đưa vào nhà máy Xeo được lấy từ đường hơi chính, có áp suất ổn định

Từ đường hơi này, hơi được phân phối vào các lô sấy, tại đó hơi truyền nhiệtcho giấy và bị ngưng tụ lại Lượng nước này được tập trung lại và bơm trở lại lòhơi

Bộ phận sấy được chia thành 6 nhóm sấy, mỗi nhóm sấy gồm các lô sấykhác nhau Các nhóm sấy được điều khiển bằng các bộ điều khiển áp suất PIC từP61 tới P66 và các bộ điều khển chênh áp PdIC từ P67 tới P71 (riêng nhóm 4không có bình phân ly riêng nên không có bộ điều khiển chênh áp) Nước ngưng

và hơi từ mỗi nhóm được dẫn tới các bình phân ly riêng biệt, ở đó, nước và hơiđược tách ra Riêng nhóm 4 không có bình phân ly riêng mà nước và hơi từnhóm 4 được chuyển trực tiếp tới bình phân ly chung là Ch90

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống đánh bột và các bể trộn

FPP- in

Fw.w

QPP

Áp suất hơi bên trong các lô sấy ở mỗi nhóm được khống chế ở các giá trịkhác nhau để tạo nên những tỉ lệ bay hơi thích hợp Do đó, hơi ở các bình phân

ly tương ứng cũng có áp suất khác nhau Để tận dụng, người ta đưa một phầnhơi này về lô sấy có áp suất thấp hơn Một phần khác thì đưa đến thiết bị ngưng

tụ He30 để Bộ điều khiển chênh áp sẽ điều khiển cả hai phần hơi này Trongđiều kiện vận hành bình thường, lượng hơi từ bình ngưng sẽ được hồi lưu hoàntoàn về nhóm hơi trước để tận dụng, chỉ khi có sự cố (thường là giấy đứt) thì đểtránh quá nhiệt trong các nhóm sấy, người ta sẽ đưa toàn bộ hơi này về thiết bịngưng để thu hồi nước

Tất cả các bình phân ly được trang bị thiết bị đo áp, van xả và bộ điềukhiển mức Bình thường mức trong các bình là 50% Các bộ điều khiển mứctrong các bình lần lượt từ L60 đến L65 Mức nước trong các bình được điềukhiển bằng cách điều khiển lượng nước ra Nước ngưng từ các thùng phân lyđược đưa vào bình Ch92 rồi được bơm tới bể chứa

II PHÂN TÍCH BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

1 Nhìn từ quan điểm công nghệ

Hơi nóng áp suất cao được đưa vào các lô trong nhóm sấy, truyền nhiệt chogiấy ướt bị ngưng tụ lại Bên trong các lô sấy đều có một ống nhỏ nối tới bểnước ngưng ở bên ngoài Nếu độ chênh áp phù hợp (áp suất trong lô sấy và ápsuất trong bể nước ngưng, hay còn gọi là bình phân ly) thì nước ngưng sẽ đượcđẩy ra ngoài Hơi nước được thoát ra cùng với nước ngưng tụ được sử dụng đểsấy cho những nhóm sấy sau Một đầu, giấy ướt đi vào tiếp xúc với lô sấy nóng,nhận nhiệt rồi bốc hơi ẩm ra môi trường Từ sự phân tích trên, chúng ta có thểđưa ra các đại lượng vào, đại lượng ra theo quan điểm công nghệ như sau:

• Các đại lượng vào:

+ Lưu lượng giấy vào G

+ Lưu lượng hơi vào lô F1

• Các đại lượng ra:

+ Lưu lượng giấy ra

+ Lưu lượng nước ra khỏi bình phân ly

+ Lưu lượng hơi ra khỏi bình phân ly

2 Nhìn từ quan điểm điều khiển quá trình

Hơi đưa vào máy Xeo được lấy từ đường ống hơi chính có áp suất ổn định,

có thể coi là không đổi

• Đảm bảo hệ thống vận hành ổn định:

Máy Xeo là một bộ máy phức tạp với nhiều trang thiết bị với nhiều chủngloại khác nhau Do đó, hệ thống muốn vận hành ổn định trước hết, từng tổ hợpcông nghệ và quá trình phải vận hành ổn định cũng như sự phối hợp giữa chúngphải nhịp nhàng, trơn tru Ví dụ như hệ thống điều khiển động cơ kéo các lô,

băng tải… phải hoạt động ổn định Ở đây chúng ta sẽ chỉ quan tâm đến khả nănggây mất ổn định từ chính sự thay đổi của các biến trạng thái trong quá trình Mộtquá trình ổn định khi mà nó được duy trì ở trạng thái xác lập, hay nói cách khác

là ở trạng thái cân bằng vật chất và năng lượng Điều này có nghĩa là đảm bảo

ổn định được áp suất trong lô sấy, ổn định được lượng chênh áp giữa áp suấttrong lô sấy với áp suất trong bình phân ly, ổn định được mức nước trong bìnhphân ly Việc đảm bảo ổn định được áp suất trong lô sấy là rất quan trọng Vì ápsuất của các lô sấy trong mỗi nhóm sấy được khống chế để tạo nên các tỉ lệ bayhơi thích hợp Nếu quá trình sấy khô diễn ra quá nhanh thì bề mặt giấy sẽ khô và

co lại, lượng nước bên trong sẽ bị giữ lại Không những thế, ở giai đoạn sấy đầu,nếu dòng nước thoát ra quá nhanh sẽ làm các hạt nhựa và màu bị mất đi, làmgiảm tác dụng của chất phụ gia, ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của tờ giấy.Hơn nữa, nếu áp suất thấp sẽ làm cho tờ giấy không thể đạt đến độ khô theo yêucầu được Áp suất thấp còn làm ảnh hưởng đến các thiết bị khác, như ta phảiđiều khiển giảm áp suất trong bình phân ly để đảm bảo lượng nước trong lô sấy

có đủ điều kiện để hút ra ngoài, làm ảnh hưởng đến độ ổn định của cả hệ thống.Nếu độ chênh áp không thích hợp thì lượng nước trong lô có thể gây nên nhiềurắc rối như quá tải cho hệ thống truyền động, chênh lệch tốc độ, giảm quá trìnhtruyền nhiệt từ hơi nước ra bề mặt lô sấy… Ngoài ra, để hệ thống vận hành ổnđịnh thì chúng ta còn phải duy trì mức trong bình phân ly cố định hoặc ít nhất lànằm trong một khoảng giới hạn cho phép Mức trong bình không được giữ ổnđịnh ngoài việc gây nên các nguy cơ như cạn bình (nguy hại đến bơm ra), trànbình (nguy hiểm đến thiết bị) mà ảnh hưởng đến độ chênh áp giữa áp suất lô sấy

và áp suất trong bình phân ly

• Đảm bảo chất lượng sản phẩm

Điều này được thể hiện ở việc giấy ra khỏi nhóm sấy phải đạt yêu cầu về

độ ẩm Độ ẩm của giấy phụ thuộc vào giấy khi vào nhóm sấy và lượng nước bayhơi trong nhóm sấy Giấy trước khi vào nhóm sấy người ta không đo vì nó biếnđộng trong phạm vi nhỏ Còn lượng nước bốc hơi trong nhóm sấy thì phụ thuộcvào lượng nhiệt nhận được từ lô sấy, nhiệt độ và độ ẩm của môi trường,… Tuynhiên, nhiệt độ và độ ẩm của môi trường thông thường được giữ ổn định bằngcách thổi hơi nóng khô vào trong nhóm sấy Lượng nhiệt nhận được thì phụthuộc vào lô sấy và áp suất trong lô Như vậy, để đảm bảo chất lượng giấy ra, tacần phải giữ cho áp suất trong lô sấy được ổn định Như ta đã nói ở phần trước,việc tốc độ bay hơi không được duy trì ở giá trị thích hợp thì không nhữngkhông đạt được yêu cầu về độ ẩm mà còn làm ảnh hưởng đến các đặc tính của tờgiấy, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của giấy sau sấy

• Vận hành hệ thống an toàn:

Các khả năng có thể gây mất an toàn cho thiết bị cũng như là người vậnhành có liên quan đến các thông số thiết bị đều đã được đo, cảnh báo và bảo vệnhư thiết bị ngắt cách ly, thiết bị bảo vệ… Do đó, ta chỉ quan tâm đến khả nănggây mất an toàn xuất phát từ sự thay đổi của các biến trạng thái trong quá trình

Đó là độ chênh áp giữa áp suất lô sấy với áp suất trong bình phân ly, và mức

trong bình phân ly Độ chênh áp ảnh hưởng đến khả năng hút nước ra khỏi lôsấy, nếu không thích hợp, lượng nước có trong lô sấy có thể gây hiện tượng quátải, gây nguy hiểm cho hệ thống truyền động hoặc gây đứt giấy… Mức trongbình phân ly nếu quá cao có thể làm áp suất tăng, nguy cơ mất an toàn tăng lên.Hơn nữa, mức quá cao sẽ làm cho áp suất hơi trong bình tăng lên, nếu hơi rakhỏi bình phân ly không thể thoát kịp sẽ làm độ chênh áp sụt xuống, làm giảmkhả năng thoát nước của lô sấy Nếu mức nước quá thấp sẽ gây nguy hiểm chobơm nước ra

Để đảm bảo an toàn trong mọi trường hợp, người ta liên tục theo dõi và giám sáttrạng thái hoạt động của hệ thống thiết bị giúp người vận hành có những thao táccan thiệp thích hợp Ngoài ra, người ta còn sử dụng các đường bypass qua lô sấy

để đảm bảo hệ thống vận hành bình thường khi đứt giấy, đảm bảo lô sấy không

bị quá nhiệt và áp suất trong lô sấy không tăng quá cao Các đường bypass quabơm đảm bảo an toàn cho bơm khi bình cạn, trong trường hợp mức trong bìnhquá cao thì người ta sẽ mở một đường xả nước trực tiếp ra ngoài

• Hiệu quả kinh tế:

Vấn đề hiệu quả kinh tế ở đây là chất lượng giấy phải đạt yêu cầu (năngsuất giấy phụ thuộc vào lượng giấy vào, là do yêu cầu sản xuất nên không thểcan thiệp được), tiết kiệm lượng hơi, nước và lượng giấy bị đứt là ít nhất Để tiếtkiệm hơi, người ta đã tận dụng lượng hơi xả từ nhóm này để đưa đến nhóm sấytrước Nước được đưa vào bình phân ly để rồi bơm trở lại nồi hơi, tái sản xuấthơi cho nhà máy Đó là vấn đề về công nghệ, muốn đạt hiệu quả kinh tế, hệthống điều khiển quá trình còn phải đảm bảo vận hành ổn định, giảm thiểu nguy

cơ gây đứt giấy

• Bảo vệ môi trường

Quá trình sấy là một quá trình khép kín Toàn bộ hệ thống sấy được trùmkín bởi một chụp, ngăn không cho hơi nóng thoát ra phòng máy Lượng hơi bốclên trong các nhóm sấy có thể coi là chỉ có hơi nước, lượng hơi được chụp hútđưa lên trên trần sau khi qua các bộ trao đổi nhiệt và bộ lọc rồi mới thải ra môitrường

Từ những phân tích theo quan điểm công nghệ và quan điểm điều khiển quátrình thì hệ thống đánh bột và các bể trộn được thể hiện qua sơ đồ khối như sau:

• Biến điều khiển:

+ Lưu lượng hơi vào lô sấy F1

+ Lưu lượng hơi ra khỏi bình phân ly F2

+ Lưu lượng nước ra khỏi bình phân ly F3

• Nhiễu:

+ Lưu lượng giấy vào G1

+ Độ ẩm giấy vào ω1