Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trộn phụ gia nhựa đường

Quá trình trộn liệu Nguyên liệu ở các bể chứa sau khi được chuẩn bị xong, quá trình trộn liệu diễn ra như sau: - Mở đồng thời các van Plug Valve 6, Ball Valve 34; - Bật các bơm Asphalt

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Viện Điện, Trường Đại học

Bách Khoa Hà Nội đã hết lòng dạy bảo, giúp đỡ em trong những năm theo học Cao

học tại trường, giúp em có những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong chuyên

môn và cuộc sống Những hành trang đó là một tài sản vô giá nâng bước cho em tới

được với những thành công trong tương lai

Đặc biệt, em xin gửi lời cám ơn trân trọng đến thày giáo TS Bùi Đăng Thảnh đã

hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá trình học tập và làm luận vặn Chính sự hướng

dẫn tận tình, sự nghiêm khắc trong khoa học của thày đã giúp em trưởng thành và tính

luỹ được rất nhiều kiến thức trong khoa học, cũng như trong cuộc sống

Em cũng xin chân thành cảm ơn Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa; Công

ty Cổ phần Carbon Việt Nam đã giúp đỡ em rất nhiều từ quá trình khảo sát, xây dựng

bài toán đến góp ý hiệu chỉnh hệ thống; đặc biệt là đã phối hợp kiểm tra, thử nghiệm,

sử dụng đánh giá kết quả nghiên cứu cho em trong quá trình làm luận văn

Cuối cùng, em xin cảm ơn những người thân trong gia đình và bạn bè đã giúp

đỡ, động viên em hoàn thành khóa học

Hà Nội, ngày 09 tháng 01 năm 2015

Học viên

Lê Mạnh Hùng

MỤC LỤC

PHẦN 1 TỔNG QUAN 1-1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1-1 1.2 Mục tiêu của đề tài 1-2 1.3 Phương pháp nghiên cứu 1-2 1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1-3 1.4.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 1-3 1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 1-4 PHẦN 2 NỘI DUNG KHOA HỌC CHÍNH 2-5

2.1 Phân tích thiết kế hệ thống 2-5 2.1.1 Đặt vấn đề 2-5 2.1.2 Công nghệ trộn phụ gia nhựa đường theo công nghệ carboncor 2-5 2.2 Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trộn phụ gia nhựa đường 2-10 2.2.1 Phân tích thiết kế hệ thống 2-10 2.2.2 Thiết kế sơ đồ hệ thống 2-20 2.3 Thiết kế và xây dựng các phần tử trong hệ thống 2-27 2.3.1 Giới thiệu 2-27 2.3.2 Thiết kế khối chức năng đo và điều khiển bể chứa nhựa đường 2-27 2.3.3 Thiết kế khối chức năng đo lường và điều khiển cho các bể phụ gia 2-38 2.3.4 Thiết kế khối chức năng cho quá trình trộn liệu liên tục 2-53 2.3.5 Xây dựng phần mềm máy tính 2-67 2.4 Các phương pháp xử lý tín hiệu và điều khiển quan trọng trong hệ thống 2-90 2.4.1 Giới thiệu 2-90 2.4.2 Xử lý tín hiệu đo lường trong hệ thống 2-90 2.4.3 Điều khiển tỷ lệ nhựa đường/phụ gia trong hệ thống 2-94 2.4.4 Điều khiển quá trình trong hệ thống 2-100 2.5 Thử nghiệm hệ thống trong phòng thí nghiệm (PTN) 2-103 2.5.1 Mục tiêu chung thử nghiệm PTN 2-103 2.5.2 Thông tin thử nghiệm 2-103 2.5.3 Phương tiện, dụng cụ phục vụ thử nghiệm 2-103 2.5.4 Thử nghiệm kết nối truyền thông 2-104 2.5.5 Thử nghiệm đo lường 2-114 2.5.6 Thử nghiệm toàn bộ hệ thống 2-119 2.5.7 Kết luận chung 2-143 PHẦN 3 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 3-144

3.1 Phần cứng hệ thống 3-144 3.1.1 Sản phẩm phần cứng đạt được 3-144

3.1.2 Hình ảnh sản phẩm phần cứng 3-144 3.2 Các sản phẩm phần mềm 3-145 PHẦN 4 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 4-146

KẾT LUẬN 4-146 HƯỚNG PHÁT TRIỂN TIẾP THEO 4-146 PHẦN 5 TÀI LIỆU THAM KHẢO 5-148

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1 Sơ đồ hệ thống trộn phụ gia nhựa đường do Trung Quốc chế tạo 1-3Hình 2-1 Sơ đồ hệ thống trộn phụ gia nhựa đường theo công nghệ carboncor 2-8Hình 2-2 Điều chỉnh lưu lượng dòng chảy tới máy trộn liên tục 2-11Hình 2-3 Sơ đồ khối bộ điều khiển ổn định lưu lượng phụ gia 2-12Hình 2-4 Bể chứa nhựa đường 2-13Hình 2-5 Cảm biến báo mức bể chứa nhựa đường 2-13Hình 2-6 Bể chứa phụ gia 2-14Hình 2-7 Cảm biến báo mức bể chứa phụ gia 2-14Hình 2-8 Sơ đồ mô hình hệ thống 2-21Hình 2-9 Máy tính cùng phần mềm giám sát 2-22Hình 2-10 Bộ điều khiển trung tâm PLC 2-23Hình 2-11 Cảm biến báo mức 2-24Hình 2-12 Các van đóng mở 2-24Hình 2-13 Điều khiển các động cơ 2-25Hình 2-14 Điều khiển dòng chảy phụ gia 2-26Hình 2-15 Bể chứa nhựa đường 2-27Hình 2-16 Mặt cắt ngang bể chứa nhựa đường 2-28Hình 2-17 Mặt cắt ngang đường ống dẫn nhựa đường 2-28Hình 2-18 Sơ đồ công nghệ bể chứa nhựa đường (hệ thống cũ) 2-29Hình 2-19 Thiết kế khâu tự động đo và điều khiển bể chứa nhựa đường 2-30Hình 2-20 Giản đồ điều khiển bể chứa nhựa đường theo thời gian 2-32Hình 2-21 Lưu đồ chương trình đo điều khiển bể chứa nhựa đường theo thời gian 2-33Hình 2-22 Giao tiếp bộ điều khiển trung tâm PLC với màn hình 2-35Hình 2-23 Màn hình giao diện toàn cảnh 2-36Hình 2-24 Màn hình giao diện bể chứa nhựa đường 2-36Hình 2-25 Màn hình giao diện vận hành 2-37Hình 2-26 Màn hình giao diện cài đặt 2-38Hình 2-27 Bể chứa phụ gia A và B 2-39Hình 2-28 Mặt cắt ngang cấu tạo bể chứa phụ gia 2-40Hình 2-29 Mặt cắt ngang đường ống dẫn phụ gia 2-40Hình 2-30 Sơ đồ công nghệ bể phụ gia ETA, ETB ( hệ thống cũ) 2-41Hình 2-31 Mô hình đo lường điều khiển tự động bể phụ gia ETA, ETB 2-42Hình 2-32 Giản đồ điều khiển theo thời gian cho bể phụ gia ETA, ETB 2-45Hình 2-33 Lưu đồ chương trình hoàn thành khuấy bước 1 cho ETA, ETB 2-46Hình 2-34 Lưu đồ chương trình hoàn thành việc chuẩn bị liệu cho ETA, ETB 2-47Hình 2-35 Màn hình giám sát toàn bộ hệ thống 2-50

Hình 2-36 Màn hình giao diện hai bể phụ gia ETA và ETB 2-51 Hình 2-37 Màn hình giao diện vận hành hai bể phụ gia ETA và ETB 2-52 Hình 2-38 Màn hình giao diện cài đặt thông số cho hai bể phụ gia ETA và ETB 2-53 Hình 2-39 Cấu tạo bơm bánh răng 2-54 Hình 2-40 Cấu tạo bơm bánh răng ăn khớp ngoài 2-55 Hình 2-41 Cấu tạo bơm bánh răng ăn khớp trong 2-55 Hình 2-42 Cấu tạo bơm ly tâm 2-56 Hình 2-43 Thực trạng khối chức năng trộn liệu liên tục của hệ thống cũ 2-58 Hình 2-44 Sơ đồ khối khối chức năng trộn liệu liên tục của hệ thống đề tài 2-59 Hình 2-45 Giản đồ điều khiển theo thời gian tỷ lệ nhựa đường và phụ gia 2-61 Hình 2-46 Tỷ lệ trộn liên tục nhựa đường và phụ gia 2-62 Hình 2-47 Lưu đồ chương trình điều khiển trộn liên tục nhựa đường và phụ gia 2-63 Hình 2-48 Màn hình giao diện giám sát toàn bộ hệ thống 2-65 Hình 2-49 Màn hình giao diện quá trình trộn liên tục 2-65 Hình 2-50 Màn hình giao diện vận hành quá trình trộn liên tục 2-66 Hình 2-51 Màn hình giao diện cài đặt quá trình trộn liên tục 2-67 Hình 2-52 Bộ phần mềm WinCC in TIA Portal 2-68 Hình 2-53 Tạo Project trên TIA Portal 2-69 Hình 2-54 Hoàn thành tạo mới Project 2-69 Hình 2-55 Lựa chọn thiết bị cho proeject 2-70 Hình 2-56 Tạo mới trạm PC (PC station) 2-70 Hình 2-57 Chọn lựa cấu hình cho PC station 2-71 Hình 2-58 Giao diện vận hành trên máy tính 2-72 Hình 2-59 Tạo trang màn hình giao diện mới 2-73 Hình 2-60 Cài đặt giao diện runtime 2-73 Hình 2-61 Màn hình giao diện chính 2-74 Hình 2-62 Màn hình giao diện cài đặt 2-75 Hình 2-63 Biểu tượng valve 2-76 Hình 2-64 Thay đổi trạng thái đóng/mở valve 2-76 Hình 2-65 Tạo sự kiện “click” với biểu tượng valve 2-77 Hình 2-66 Thư viện ảnh dùng cho bể chứa nhựa đường 2-77 Hình 2-67 Sử dụng công cụ “I/O field” hiển thị nhiệt độ AST 2-78 Hình 2-68 Màn hình thiết bị và kết nối 2-78 Hình 2-69 Khai báo kết nối cho PLC 2-79 Hình 2-70 Khai báo kết nối cho máy tính 2-79 Hình 2-71 Hoàn thành khai báo kết nối máy tính với PLC 2-80 Hình 2-72 Bảng dữ liệu bắt đầu ca vận hành 2-81 Hình 2-73 Bảng dữ liệu kết thúc ca vận hành 2-81 Hình 2-74 Tạo kết nối SQL Server qua ODBC 2-82

Hình 2-75 Kiểm tra kết nối ODBC với SQL Server 2-83 Hình 2-76 Sử dụng công cụ CrystalReport tạo báo cáo 2-83 Hình 2-77 Cài đặt thông số vận hành 2-85 Hình 2-78 Lựa chọn chế độ vận hành hệ thống 2-85 Hình 2-79 Màn hình tác động quá trình chuẩn bị cho bể chứa nhựa đường 2-86 Hình 2-80 Màn hình giám sát trên máy tính và màn hình HMI bể chứa nhựa đường 2-87 Hình 2-81 Màn hình tác động quá trình chuẩn bị cho bể chứa phụ gia A(B) 2-88 Hình 2-82 Màn hình giám sát trên máy tính và màn hình HMI bể chứa phụ gia A 2-88 Hình 2-83 Màn hình báo cáo 2-89 Hình 2-84 Các khối trong bộ PID_Compact 2-96 Hình 2-85 Vận hành bộ điều khiển PID 2-99 Hình 2-86 Giản đồ điều khiển theo thời gian của hệ thống 2-101 Hình 2-87 Lưu đồ chương trình điều khiển hệ thống 2-102 Hình 2-88 Mô hình kết nối truyền thông 2-104 Hình 2-89 Cài đặt cho modem wifi 2-105 Hình 2-90 Cài đặt phần cứng cho PLC 2-105 Hình 2-91 Cấu hình màn hình HMI 2-106 Hình 2-92 Cài đặt thông số kết nối màn hình HMI với PLC 2-107 Hình 2-93 Khai báo thiết bị kết nối với HMI 2-107 Hình 2-94 Giao diện quản lý Tag trên HMI 2-108 Hình 2-95 Màn hình giao diện AST 2-109 Hình 2-96 Thông số cho đối tượng Numeric 2-109 Hình 2-97 Giao diện AST màn hình HMI 2-110 Hình 2-98 Cấu hình PC Station 2-111 Hình 2-99 Cấu hình HMI cho máy tính 2-111 Hình 2-100 Cấu hình truyền thông máy tính với PLC 2-111 Hình 2-101 Kết quả cấu hình phần cứng truyền thông PLC với máy tính PC 2-112 Hình 2-102 Kết nối máy tính PC với PLC 2-112 Hình 2-103 Thiết kế màn hình chuyển chế độ vận hành 2-113 Hình 2-104 Màn hình vận hành ở chế độ remote 2-113 Hình 2-105 Màn hình vận hành ở chế độ local 2-114 Hình 2-106 Các đầu vào/ra cần tác động 2-119 Hình 2-107 Các đầu vào/ra cần tác động (tiếp theo) 2-120 Hình 2-108 Màn hình cài đặt hệ thống 2-120 Hình 2-109 Màn hình vận hành hệ thống 2-121 Hình 2-110 Màn hình “force” bước 1 cho AST 2-122 Hình 2-111 Chạy bơm nhựa đường cấp từ bể chứa 20T sang AST 2-123 Hình 2-112 Màn hình hệ thống bước 1 (AST) 2-123

Hình 2-114 Màn hình “force” bước 2 cho AST 2-125 Hình 2-115 Màn hình hệ thống bước 2 cho AST 2-126 Hình 2-116 Màn hình AST bước 2 2-126 Hình 2-117 Màn hình “force” bước 1 cho ETA(ETB) 2-127 Hình 2-118 Màn hình hệ thống bước 1 (ETA, ETB) 2-128 Hình 2-119 Màn hình ETA bước 1 2-128 Hình 2-120 Màn hình ETB bước 1 2-129 Hình 2-121 Màn hình “force” bước 2 cho ETA(ETB) 2-130 Hình 2-122 Màn hình hệ thống bước 2 cho ETA, ETB 2-131 Hình 2-123 Màn hình ETA bước 2 2-131 Hình 2-124 Màn hình ETB bước 2 2-132 Hình 2-125 Hoàn thành khuấy ETA và ETB lần 1 2-132 Hình 2-126 Màn hình hệ thống bước 2 bổ sung nước và gia nhiệt (ETA, ETB) 2-133 Hình 2-127 Màn hình ETA bước 2 (bổ sung nước, gia nhiệt) 2-133 Hình 2-128 Màn hình ETB bước 2 (bổ sung nước, gia nhiệt) 2-134 Hình 2-129 Màn hình “force” bước 3 cho ETA và ETB 2-135 Hình 2-130 Màn hình hệ thống bước 3 cho ETA và ETB 2-135 Hình 2-131 Màn hình ETA bước 3 2-136 Hình 2-132 Màn hình ETB bước 3 2-136 Hình 2-133 Hoàn thành chuẩn bị cho ETA và ETB 2-137 Hình 2-134 Màn hình hệ thống chuẩn bị cho quá trình trộn liệu 2-138 Hình 2-135 Màn hình “force” cho quá trình trộn 2-139 Hình 2-136 Màn hình hệ thống cho quá trình trộn 2-139 Hình 2-137 Màn hình AST cho quá trình trộn 2-140 Hình 2-138 Màn hình ETA cho quá trình trộn 2-140 Hình 2-139 Màn hình ETB cho quá trình trộn 2-141 Hình 2-140 Màn hình quá trình trộn 2-141 Hình 2-141 Màn hình “force” kết thúc mẻ trộn 2-142 Hình 2-142 Màn hình hệ thống bắt đầu mẻ mới 2-143

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2-1 Các ký hiệu trong lưu đồ đo và điều khiển bể nhựa đường 2-34Bảng 2-2 Các ký hiệu trong lưu đồ đo và điều khiển bể phụ gia ETA, ETB 2-48Bảng 2-3 Các ký hiệu trong lưu đồ điều khiển trộn liên tục nhựa đường và phụ gia 2-63Bảng 2-4 Bảng các giá trị đầu vào cần tác động 2-84

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT

ET Emulsion Tank Bể chứa phụ gia (nhũ tương đặc biệt)

PLC Programmable Logic Controller Bộ điều khiển logic lập trình

HMI Human Machine Interface Giao diện người máy

HOOut Hot Oild Outlet Đường dầu nóng ra

PHẦN 1 TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Vật liệu rải đường Carboncor Asphalt do Công ty Carboncor (Nam Phi) phát minh, sáng chế Vật liệu Carboncor Asphalt có các ưu điểm như khắc phục được nhược điểm của các vật liệu đã và đang được ngành giao thông của nhiều nước sử dụng, bên cạnh đó hiệu quả kinh tế mà Carboncor Asphalt đem lại không chỉ nhờ vật liệu có độ bền cao mà còn do tỷ lệ thất thoát gần như không có khiến chi phí thấp hơn đáng kể so với công nghệ thông thường, đồng thời vật liệu này cũng không yêu cầu phải có lớp dính bám hoặc thấm bám mà chỉ cần sử dụng nước tưới thấm ướt bề mặt trước khi thi công, Ngày 26 tháng 05 năm 2009 Bộ Giao thông Vận tải đã ra quyết định Số 1445/QĐ-BGTVT về việc “Cho phép sử dụng vật liệu Carboncor Asphalt vào trong xây dựng và sửa chữa kết cấu áo đường ở Việt Nam” Hiện nay, công nghệ vật liệu Carboncor Asphalt được chuyển giao độc quyền cho Công ty Cổ phần Carbon Việt Nam sản xuất trong nước [1]

Dây chuyền sản xuất vật liệu Carboncor Asphalt bao gồm rất nhiều công đoạn (hệ thống) như: Hệ thống đo lường điều khiển ổn định nhiệt độ dầu nóng; Hệ thống trạm trộn asphalt; Hệ thống cân đóng bao; Hệ thống đo lường điều khiển trộn phụ gia nhựa đường,…

Hiện nay, một số hệ thống trong toàn bộ dây chuyền đã được sản xuất trong nước như Hệ thống trạm trộn asphalt - VIELINA chế tạo, Hệ thống cân đóng bao - VIELINA chế tạo Trong khi đó “Hệ thống đo lường điều khiển trộn phụ gia nhựa đường theo công nghệ Carboncor” theo tìm hiểu của em chưa có đơn vị nào trong nước nghiên cứu chế tạo hệ thống này Đây là công nghệ và hệ thống mới được đưa vào Việt Nam, trên thế giới cũng chưa có nhiều đơn vị chế tạo sản xuất hệ thống như vậy Hệ thống này là một thành phần quan trọng trong dây chuyền sản xuất vật liệu Carboncor Asphalt

Qua thực tế khảo sát, em được biết người sử dụng mong muốn cải tiến hệ thống trộn phụ gia nhựa đường theo công nghệ Carboncor - vốn là một hệ thống hoạt động hoàn toàn bằng tay, người vận hành điều khiển hệ thống dựa theo kinh nghiệm và các

thông số đo lường hiển thị trên các đồng hồ đo: nhiệt độ, mức liệu trong các bình chứa liệu và lưu lượng liệu trong các đường ống dẫn

Với tốc độ đô thị hoá như hiện nay để sản lượng Carboncor Asphalt đáp ứng đủ nhu cầu cho thị trường trong việc xây dựng và sửa chữa kết cấu áo đường ở Việt Nam, đồng thời để giảm chi phí giá thành do quá trình vận chuyển; trong thời gian sắp tới, em được biết Công ty Cổ phần Carbon Việt Nam dự định mở rộng xây dựng 10-15 Nhà máy trong toàn quốc Qua trao đổi, phía Công ty khẳng định có thể chủ động nhập hoặc chế tạo trong nước toàn bộ phần cơ khí của hệ thống, đồng thời đề nghị hợp tác chế tạo phần đo lường điều khiển tự động thay thế hệ thống đo lường điều khiển thủ công hiện nay

Trước thực tế đó, đề tài luận văn “Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống trộn phụ

gia nhựa đường theo công nghệ Carboncor” với mục tiêu làm chủ công nghệ chế tạo

hệ thống trong nước hướng tới cung cấp cho ngành giao thông nhằm đón đầu cho những cơ hội sắp tới trong tương lai là một nhiệm vụ cần thiết

1.2 Mục tiêu của đề tài

- Nghiên cứu làm chủ hệ thống đo lường điều khiển trộn phụ gia nhựa đường theo công nghệ Cacboncor;

- Thiết kế, chế tạo phần điện đo lường điều khiển cho hệ thống

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Để đảm bảo trong khoảng thời gian ngắn có thể tiếp cận và hoàn thiện một khối lượng công việc khá lớn và phức tạp, em đề xuất phương pháp sau đây:

- Tìm hiểu công nghệ Carboncor trong việc trộn phụ gia nhựa đường;

- Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của hệ thống trên máy tính;

- Chế tạo hệ thống đáp ứng yêu cầu công nghệ;

- Mô phỏng và thử nghiệm hoạt động từng phần trong hệ thống chế tạo;

- Thử nghiệm toàn bộ hệ thống, kiểm tra, đánh giá và hoàn thiện

1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.4.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Một trong số các hệ thống quan trọng trong dây chuyền sản xuất Vật liệu rải

đường Carboncor Asphalt đó là Hệ thống đo lường điều khiển trộn phụ gia nhựa

đường theo công nghệ Cacboncor Đây là công nghệ và hệ thống mới được đưa vào

Việt Nam, trên thế giới cũng chưa có nhiều hãng chế tạo sản xuất hệ thống này Hệ thống là một thành phần quan trọng, đồng thời cũng là bí quyết công nghệ trong dây chuyền sản xuất vật liệu Carboncor Asphalt Trong thời gian xây dựng thuyết minh và quá trình thưc hiện luận văn, em đã được tiếp cận khảo sát hệ thống này tại Công ty

Cổ phần Carbon Việt Nam Hệ thống do Trung Quốc chế tạo, tất cả các công đoạn trong mỗi mẻ trộn đều hoạt động bằng tay dưới sự giám sát và điều khiển bởi người vận hành Hình 1-1 em xin trình bày sơ đồ khối của hệ thống

Hình 1-1 Sơ đồ hệ thống trộn phụ gia nhựa đường do Trung Quốc chế tạo

1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Theo tìm hiểu của em, hệ thống đo lường điều khiển trộn phụ gia nhựa đường theo công nghệ Cacboncor chưa có đơn vị nào nghiên cứu chế tạo ở trong nước Tuy nhiên, về lĩnh vực liên quan, trong những năm qua Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hóa đã thực hiện thành công nhiều đề tài và dự án cũng như cung cấp, lắp đặt thành công nhiều hệ thống trong dây chuyền sản xuất Vật liệu rải đường Carboncor Asphalt

PHẦN 2 NỘI DUNG KHOA HỌC CHÍNH 2.1 Phân tích thiết kế hệ thống

2.1.1 Đặt vấn đề

Trước khi thiết kế hệ thống và thiết kế chế tạo từng phần tử của hệ thống tự động hóa trộn phụ gia nhựa đường theo công nghệ Carboncor, em xin giới thiệu thực trạng công nghệ hệ thống trộn phụ gia nhựa đường theo công nghệ Carboncor hiện đang được sử dụng trong nước Đây là một nhiệm vụ hết sức quan trọng, làm cơ sở trong quá trình thực hiện các nội dung chính của luận văn

2.1.2 Công nghệ trộn phụ gia nhựa đường theo công nghệ carboncor

Vật liệu rải đường Carboncor Asphalt do Công ty Carboncor (Nam Phi) phát minh, sáng chế Đây là công ty được thành lập năm 1999 với mục tiêu là nghiên cứu, sản xuất nhựa đường lạnh (Carboncor Asphalt) và phát triển nó Vật liệu Carboncor Asphalt có các ưu điểm sau đây:

- Khắc phục được nhược điểm của các vật liệu đã và đang được ngành giao thông của nhiều nước sử dụng là chất lượng thi công phụ thuộc hoàn toàn vào máy móc, tay nghề của công nhân, điều kiện thời tiết; gây ảnh hưởng xấu tới sức khỏe người sản xuất, công nhân làm đường và cả cư dân do phải sử dụng nhiệt trong thi công;

- Hiệu quả kinh tế mà Carboncor Asphalt đem lại không chỉ nhờ vật liệu có độ bền cao mà còn do tỷ lệ thất thoát gần như không có khiến chi phí thấp hơn đáng kể

so với công nghệ thông thường;

- Cùng với một khối lượng như bê tông nhựa thông thường nhưng vật liệu mới tăng được 25% diện tích phủ mặt đường Vật liệu này cũng không yêu cầu phải có lớp dính bám hoặc thấm bám mà chỉ cần sử dụng nước tưới thấm ướt bề mặt trước khi thi công;

- Carboncor Asphalt không bị chảy mềm dưới thời tiết nắng nóng như nhựa thông thường nhưng lại có độ dẻo nên không làm cho mép đường bị "cóc gặm";

- Thời gian đưa công trình vào sử dụng cũng được rút ngắn vì chỉ cần sau khi lu phẳng là có thể cho xe chạy, ngay cả với cung đường đòi hỏi cường độ mặt đường cao cũng chỉ cần cấm xe 4-8 giờ;

- Sử dụng sản phẩm nhựa đường Carboncor Asphalt để thay thế nhựa đường nóng

thành trên một đơn vị diện tích đường thấp hơn ít nhất từ 15 - 20%, tiện lợi và linh hoạt trong việc sử dụng vật liệu và lưu kho

Sau thời gian 2 năm Bộ Giao Thông tiến hành thử nghiệm kiểm tra chất lượng và ngày 26 tháng 05 năm 2009 Bộ Giao thông Vận tải đã ra quyết định Số 1445/QĐ-BGTVT về việc “Cho phép sử dụng vật liệu Carboncor Asphalt vào trong xây dựng

và sửa chữa kết cấu áo đường ở Việt Nam” và sau đó ra ban hành quy định về kỹ thuật thi công và nghiệm thu lớp vật liệu Carboncor Asphalt theo Quyết định số 2787/QĐ-BGTVT

Hiện nay, công nghệ vật liệu Carboncor Asphalt được chuyển giao độc quyền cho Công ty Cổ phần Carbon Việt Nam sản xuất trong nước Để công nghệ mới thực sự đi vào sản xuất đáp ứng nhu cầu của thị trường, ngày 28/8/2011 Công ty CP Carbon Việt Nam đã tổ chức Lễ báo cáo công nghệ "Vật liệu rải đường mới Carboncor Asphalt", khánh thành Nhà máy Carbon Việt Nam và khởi động dây chuyền sản xuất Carboncor Asphalt

Dây chuyền sản xuất vật liệu Carboncor Asphalt bao gồm rất nhiều công đoạn (hệ thống) như:

- Hệ thống đo lường điều khiển ổn định nhiệt độ dầu nóng;

- Hệ thống đo lường điều khiển trộn phụ gia nhựa đường;

- Hệ thống trạm trộn asphalt;

- Hệ thống cân đóng bao;

- Hệ thống băng tải vận chuyển bao

Hiện nay, có một số hệ thống trong dây chuyền đã được sản xuất trong nước: Hệ thống trạm trộn asphalt - VIELINA chế tạo, Hệ thống cân đóng bao - VIELINA chế tạo, tuy nhiên “Hệ thống đo lường điều khiển trộn phụ gia nhựa đường theo công nghệ Carboncor”, theo tìm hiểu của em, chưa có đơn vị nào trong nước nghiên cứu về vấn đề này

Hệ thống trộn phụ gia nhựa đường theo công nghệ Carboncor bao gồm các khối chính sau đây:

- 01 bể chứa nhựa đường (asphalt tank) nóng chảy được bảo ôn;

- 02 bể chứa phụ gia (emulsion tank) được bảo ôn;

- 02 động cơ khuấy cho 02 bể chứa phụ gia (Stirrer A, B);

- 01 động cơ bơm tỷ lệ nhựa đường vào máy trộn;

- 01 động cơ bơm phụ gia vào máy trộn;

- 01 động cơ máy trộn (Mixing pipeline);

- 01 van điều chỉnh tỷ lệ phụ gia vào máy trộn;

Hình 2-1 Sơ đồ hệ thống trộn phụ gia nhựa đường theo công nghệ carboncor

Từ sơ đồ trên ta thấy hệ thống bao gồm hai quá trình chính sau đây:

2.1.2.1. Quá trình chuẩn bị nguyên liệu

 Chuẩn bị liệu cho bể chứa nhựa đường

Quá trình bao gồm các công đoạn sau (hình 2-20):

- Nhựa đường nóng chảy (thô) được bơm từ bể chứa 20T sang bể chứa nhựa đường (asphalt tank) đến thể tích V1a;

- Đun nóng nhựa đường và giữ ổn định ở nhiệt độ T1a

 Chuẩn bị liệu cho bể chứa phụ gia A(B)

Quá trình bao gồm các công đoạn sau (hình 2-32):

- Mở van cấp nước sạch vào hai bể chứa phụ gia (Emulsion tank A, B) đạt tới thể tích V1e;

- Đun nóng nước đến nhiệt độ T1e;

- Cho phụ gia vào hai bể (bằng tay);

- Điều khiển 2 động cơ khuấy (Strirer A, B) quay thuận trong thời gian t4-t3;

- Điều khiển đảo chiều 2 động cơ khuấy (Strirer A, B) quay nghịch trong thời gian t5-t4;

- Mở van cấp tiếp nước sạch vào hai bể chứa đến thể tích V2e;

- Đun nóng và giữ ổn định nhiệt độ hai bể chứa (Emulsion A, B) đạt đến nhiệt độ yêu cầu T2e;

- Điều khiển 2 động cơ khuấy (Strirer A, B) quay thuận trong thời gian t8-t7;

- Điều khiển đảo chiều 2 động cơ khuấy (Strirer A, B) quay nghịch trong thời gian t9-t8

2.1.2.2. Quá trình trộn liệu

Nguyên liệu ở các bể chứa sau khi được chuẩn bị xong, quá trình trộn liệu diễn ra như sau:

- Mở đồng thời các van Plug Valve 6, Ball Valve 3(4);

- Bật các bơm Asphalt pump, Emulsion pump để cấp nhựa đường và phụ gia vào máy trộn liên tục, đồng thời điều chỉnh liên tục Stop Valve 5 để được tỷ lệ mong muốn

Sau khi trộn liệu, ta được vật liệu Carboncor Asphalt

2.2 Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trộn phụ gia nhựa đường

hệ thống cần đáp ứng các bài toán đo lường, điều khiển, và vận hành như sau

2.2.1.1. Phân tích nhiệm vụ đo nhiệt độ

Do yêu cầu về công nghệ, nhiệt độ bể nhựa đường (asphalt tank) trong dải từ

130OC - 175OC, nhiệt độ của hai bể phụ gia (ETA, ETB) trong khoảng từ 50OC -

75OC Vì vậy, hệ thống cần sử dụng ba bộ đo và chỉ thị nhiệt độ cho asphalt tank, ETA, ETA với các yêu cầu như sau:

- Cảm biến nhiệt độ sử dụng loại cảm biến có dải đo 0÷250OC;

- Chỉ thị dạng Led 7 thanh hoặc LCD;

- Bàn phím cho cài đặt các thông số;

- 02 đầu ra điều khiển số (on/off), trong đó: 01 đầu ra điều khiển nhiệt độ, 01 đầu

Bộ điều khiển trung tâm có nhiệm vụ điều khiển ổn định nhiệt độ tại các bể chứa theo giá trị nhiệt độ đặt yêu cầu

2.2.1.2. Phân tích nhiệm vụ đo lưu lượng

Vị trí (1) và (2) trong hình 2-2 biểu thị dòng chảy của phụ gia và dòng chảy nhựa đường được bơm tới máy trộn liên tục (mixing pipeline) Có hai bài toán lưu lượng cần điều chỉnh để cấp nhựa đường và phụ gia tới máy trộn liên tục

Hình 2-2 Điều chỉnh lưu lượng dòng chảy tới máy trộn liên tục

- Bài toán điều chỉnh lưu lượng nhựa đường (asphalt): Bơm nhựa đường (asphalt pump) là loại bơm bánh răng (crescent gear pump) Thực nghiệm cho thấy lưu lượng nhựa đường được bơm ra tỷ lệ tuyến tính và ổn định với tốc độ động cơ, vì vậy lưu lượng nhựa đường được điều chỉnh thông qua việc điều chỉnh tốc độ động cơ sử dụng biến tần;

- Bài toán điều chỉnh lưu lượng phụ gia (emulsion): Bơm phụ gia (emulsion pump) là loại bơm ly tâm (centrifugal pump) Thực nghiệm thấy rằng lưu lượng phụ gia được bơm ra không tỷ lệ tuyến tính và không ổn định với tốc độ động cơ, vì vậy lưu lượng phụ gia được điều chỉnh lớn hơn lưu lượng cần thiết thông qua biến tần, sau

đó lưu lượng được đo liên tục và điều chỉnh độ mở của van để có được lưu lượng phụ gia như mong muốn

Như vậy, ở bài toán đo và điều chỉnh lưu lượng sẽ đo liên tục lưu lượng phụ gia

sử dụng cảm biến đo lưu lượng (tín hiệu lưu lượng được chuyển đổi sang dạng dòng

hiệu điều khiển van 4-20mA) Bài toán đo và điều khiển lưu lượng được thực hiện thông qua bộ điều khiển trung tâm

Sơ đồ khối bộ điều khiển được mô tả như hình 2-3:

Hình 2-3 Sơ đồ khối bộ điều khiển ổn định lưu lượng phụ gia

Trong sơ đồ hình 2-3:

- SP (set point): giá trị đặt lưu lượng mong muốn;

- ε: sai lệch giữa giá trị đặt với giá trị đo thực;

- Bộ điều khiển lưu lượng: thực chất là thuật toán được cài đặt trong bộ điều khiển trung tâm, với nhiệm vụ tính toán đưa ra giá trị tới đầu vào module AO Đầu ra

AO chuyển thành dòng 4-20mA điều khiển đóng/mở van để có được lưu lượng với sai lệch mong muốn

2.2.1.3. Phân tích nhiệm vụ báo mức

Trong hệ thống cần sử dụng ba cảm biến báo mức để báo mức ở 01 bể chứa nhựa đường và 02 bể chứa phụ gia Căn cứ vào yêu cầu công nghệ, kết hợp với khảo sát và trao đổi với các cán bộ kỹ thuật công nghệ Công ty CP Carbon Việt Nam, cảm biến báo mức loại không liên tục là phù hợp và đáp ứng được nhiệm vụ của hệ thống Bởi vì:

- Trong điều kiện môi trường khắc nghiệt (nhiệt độ cao, nguyên liệu bám dính), nếu sử dụng cảm biến báo mức liên tục giá thành sẽ rất cao và tuổi thọ của cảm biến không được bền;

- Cảm biến báo mức không liên tục vẫn đảm bảo được yêu cầu công nghệ cho hệ thống

 Báo mức bể chứa nhựa đường

Hình 2-4 Bể chứa nhựa đường

Hình 2-4 được chụp tại hiện trường của bể chứa nhựa đường Do tính chất vật liệu bám dính và trong môi trường nhiệt độ cao, vì vậy em quyết định chỉ sử dụng cảm biến báo mức cao (V1a) thông qua tiếp điểm chuyển mạch đóng mở như ở hình 2-5:

- Khi mức dưới thể tích V1a tiếp điểm là thường mở (NO);

- Khi mức đạt thể tích V1a tiếp điểm chuyển sang thường đóng (NC)

Hình 2-5 Cảm biến báo mức bể chứa nhựa đường

 Báo mức bể chứa phụ gia

Hình 2-6 Bể chứa phụ gia

Bể chứa được chụp tại hiện trường trong hình 2-6 Trên cơ sở yêu cầu về công nghệ, em đưa ra thiết kế giám sát ba mức tương ứng với các thể tích V0e, V1e và V2e: mức 0 - ứng với thể tích V0e≈0, mức 1 - ứng với thể tích V1e, mức 2 - ứng với thể tích

V2e (V2e> V1e) Các vị trí để có thể tích V1e và V2e được điều chỉnh tuỳ ý thông qua việc điều chỉnh vị trí gá lắp các cảm biến trên ống thuỷ tinh thông nhau với bể chứa phụ gia Cảm biến đáp ứng được yêu cầu hệ thống là loại cảm biến điện dung với tín hiệu đầu ra NC (NPN open-collector output) được mô tả trên hình 2-7

Hình 2-7 Cảm biến báo mức bể chứa phụ gia

2.2.1.4. Phân tích nhiệm vụ điều khiển trong hệ thống

- Điều khiển đóng/mở các valve cấp dầu nóng: stop valve 8, stop valve 9, stop valve 10, stop valve 11, stop valve 12, stop valve 13;

- Điều khiển đóng/mở valve cấp nước vào bể chứa emulsion: ball valve 1, ball valve 2;

- Điều khiển đóng/mở valve cấp nhựa đường từ bể chứa nhựa đường tới máy trộn liên tục: Plug Valve 5;

- Điều khiển đóng/mở valve cấp phụ gia từ bể chứa phụ gia vào máy trộn liên tục: ball valve 3, ball valve 4;

- Điều khiển chạy/dừng các động cơ: 01 động cơ bơm nhựa đường từ bể nhựa đường 20T sang bể chứa nhựa đường, 01 động cơ máy trộn liên tục, 01 động cơ bơm thành phẩm sang trạm trộn;

- Điều khiển chạy/đảo chiều và dừng động cơ: 02 động cơ khuấy cho emulsion A, B;

- Điều khiển tốc độ động cơ: 02 động cơ bơm nhựa đường và bơm phụ gia từ bể chứa nhựa đường và phụ gia vào máy trộn liên tục;

- Điều chỉnh độ mở của valve điều khiển tỷ lệ (stop valve 5) để có được lưu lượng emulsion cấp vào máy trộn liên tục như mong muốn

2.2.1.5. Phân tích quy trình vận hành

Hệ thống được vận hành theo quy trình qua các bước sau đây [2]:

Bước 1: Quá trình chuẩn bị

Mở tất cả các van dầu nóng (Stop Valve 8, Stop Valve 9, Stop Valve 10, Stop Valve 11, Stop Valve 12, Stop Valve 13) để làm nóng trước máy nghiền, máy bơm nhựa đường và hệ thống đường ống cho mẻ đầu tiên sau quá trình dừng sản xuất Đóng tất cả các van này lại khi quá trình chuẩn bị hoàn tất

Bước 2: Quá trình dòng chảy nhũ tương

Bể chứa nhũ tương A và B làm việc luân phiên nhau để đảm bảo quá trình sản xuất liên tục, với quy trình vận hành dòng chảy nhũ tương như sau:

- Đóng các van (ball valve 3, 4);

- Mở các van (ball valve 1, 2) để cung cấp nước sạch vào bể chứa nhũ tương

- Giám sát cho tới khi nước sạch đạt tới 1/3 dung tích bể chứa thì đóng các van này lại;

- Mở các van (stop valve 8, 13, 10, 11) để đun nóng bể chứa nhũ tương A, B;

- Giám sát nhiệt độ của nước đạt 80-90OC, cho phụ gia vào bằng tay;

- Khởi động động cơ khuấy (Stirrer A, B), khuấy thuận sau đó khấy ngược theo yêu cầu công nghệ;

- Mở các van (ball valve 1, 2) để cung cấp thêm nước sạch vào bể chứa nhũ tương A(B);

- Giám sát cho tới khi đạt tới 2/3 dung tích bể chứa thì đóng các van này lại;

- Tiếp tục đun và giám sát nhiệt độ trong các bể cho tới khi nhiệt độ đạt 60-70OC, đóng các van (stop valve 10, 11) để dừng việc đun nóng;

- Mở các van (ball valve 3 hoặc 4), nhũ tương chảy qua bộ lọc (filter) đến máy bơm nhũ tương;

- Mở van (stop valve 5);

- Khởi động máy bơm nhũ tương (emulsion pump);

- Liên tục quan sát lưu lượng dòng chảy nhũ tương vào máy trộn và liên tục điều chỉnh độ mở van (stop valve 5) để có được lưu lượng nhũ tương mong muốn

Bước 3: Quá trình dòng chảy nhựa đường

Nhựa đường nóng được bơm vào bể chứa nhựa đường từng đợt để bảo đảm cho quá trình sản xuất được liên tục, với quy trình vận hành dòng chảy nhựa đường như sau:

- Mở van (stop valve 9) để đun nóng nhựa đường tới nhiệt độ 130OC – 150OC;

- Đóng van (stop valve 9);

- Mở van (plug valve 6), nhựa đường đến máy bơm nhựa đường;

- Khởi động máy bơm nhựa đường (asphalt pump) với tần số cố định đặt trước Bước 4: Quá trình trộn liên tục

Dòng chảy nhũ tương và nhựa đường được đưa tới máy trộn liên tục (mixing pipeline), sau trộn sẽ là thành phẩm được dẫn qua hệ thống đường ống tới bể chứa tạm (relay tank), từ đây hỗn hợp nhũ tương nhựa đường được đưa tới hệ thống trạm trộn asphalt qua bơm cấp (relay pump) Quy trình vận hành quá trình này như sau:

- Mở van (stop valve 12) để làm nóng hệ thống đường ống dẫn và máy nghiền Người sử dụng có thể đóng van (stop valve 12) trong quá trình sản xuất;

- Khởi động (động cơ) máy trộn liên tục, thành phẩm đầu ra máy trộn được đưa tới bể chứa tạm;

- Mở van (plug valve 7), tiếp đó khởi động bơm (relay pump) để chuyển hỗn hợp thành phẩm sang hệ thống trạm trộn asphalt

Bước 5:

Mỗi khi dừng sản xuất, người vận hành sẽ phải thao tác như sau:

- Đóng tất cả các valve dầu nóng;

- Tắt bơm nhũ tương và máy nghiền;

- Khởi động máy bơm nhựa đường chạy ngược chiều trong khoảng thời gian 3-5s, sau đó tắt máy bơm nhựa đường

2.2.1.6. Các đầu vào/ra số và tương tự

 Các đầu vào số

Nhiệm vụ các đầu vào số:

- Báo trạng thái đóng mở của Plug Valve 6: đóng mở đường ống cung cấp nhựa đường từ asphalt tank vào máy trộn liên tục;

- Báo trạng thái đóng mở của Ball Valve 3(4): đóng mở đường ống cung cấp nhũ tương từ ETA(ETB) vào máy trộn liên tục;

- Báo chuyển chế độ tự động/bằng tay (auto/manual);

- Báo chạy (run), dừng (stop) cho toàn bộ hệ thống khi hoạt động ở chế độ tự động;

- Các đầu vào cho các nút ấn điều khiển khác ở chế độ bằng tay

Mô tả chi tiết các đầu vào số (digital input - DI): 28 DI

- 07 đầu vào cho giám sát mức ở 3 bể chứa, trong đó: 01 đầu vào báo mức cao cho bể chứa nhựa đường; 03 đầu vào báo thức thấp, trung bình, cao cho bể chứa phụ gia A; 03 đầu vào báo thức thấp, trung bình, cao cho bể chứa phụ gia B;

- 06 đầu vào báo trạng thái các valve (plug valve 6, ball valve 4, ball valve 3) đóng hay mở;

- 15 đầu vào cho các nút ấn, chuyển mạch trên bàn điều khiển, trong đó: 01 đầu

quá trình chạy/dừng ở chế độ tự động (sử dụng chuyển mạch), 02 đầu vào điều khiển máy trộn liên tục chạy/dừng, 02 đầu vào điều khiển chạy/đảo chiều/dừng bơm nhựa đường, 01 đầu vào điều khiển chạy/dừng bơm phụ gia vào máy trộn liên tục (sử dụng chuyển mạch), 02 đầu vào điều khiển chạy/dừng thành phẩm sang trạm trộn, 03 đầu vào điều khiển chạy thuận/nghịch/dừng cho động cơ khuấy A, 03 đầu vào điều khiển chạy thuận/nghịch/dừng cho động cơ khuấy B

 Các đầu ra số

Nhiệm vụ các đầu ra số:

- Đóng/mở van cấp nước (Ball Valve 1,2) cho ETA và ETB;

- Đóng/mở hệ thống van cung cấp dầu nóng;

- Đóng mở các van cung cấp asphalt và emulsion từ các bể chứa vào máy trộn;

- Chạy/dừng, đảo chiều (nếu cần) các động cơ: asphalt pump, emulsion pump, Stirrer A, Stirrer B

Mô tả chi tiết các đầu ra số (digital output - DO): 23 DO

- 12 đầu ra điều khiển đóng/mở cho các valve: ball valve 1, ball valve 2, ball vale

3, ball valve 4, plug valve 6, plug valve 7, stop valve 8, stop valve 9, stop valve 10, stop valve 11, stop valve 12, stop valve 13;

- 11 đầu ra điều khiển cho các động cơ, trong đó: 01 đầu ra điều khiển chạy/dừng bơm nhựa đường từ bể chứa 20T sang asphalt tank, 01 đầu ra điều khiển chạy/dừng máy trộn liên tục, 01 đầu ra điều khiển chạy/dừng bơm thành phẩm sang trạm trộn, 02 đầu ra điều khiển chạy/đảo chiều/dừng cho máy khuấy A, 02 đầu ra điều khiển chạy/đảo chiều/dừng cho máy khuấy B, 02 đầu ra điều khiển chạy/dừng bơm nhựa đường, 02 đầu ra điều khiển chạy/dừng bơm phụ gia vào máy trộn liên tục

 Các đầu vào/ra tương tự

Đầu vào tương tự (analog input): 03 AI

- 03 đầu vào tương tự thu thập nhiệt độ từ 03 bể chứa: 01 asphalt tank, 02 emulsion tank;

- 01 đầu vào tương tự thu thập giá trị lưu lượng phụ gia bơm tới máy trộn liên tục Đầu ra tương tự (analog output): 01 AO

- 01 đầu ra tương tự điều khiển độ mở valve điều chỉnh tỷ lệ phụ gia (stop valve 5) cấp theo lưu lượng tới máy trộn liên tục

2.2.1.7. Phân tích về truyền thông trong hệ thống [6]

Hệ thống được kết nối với màn hình, các cảm biến đo nhiệt độ, máy tính giám sát PC, Vì vậy, yêu cầu về truyền thông trong hệ thống phải đảm bảo để đạt được các kết nối kể trên Cụ thể:

- Kết nối với màn hình chỉ thị quá trình: sử dụng chuẩn truyền thông RS485 hoặc ethernet;

- Kết nối với máy tính giám sát PC: sử dụng chuẩn truyền thông RS232 hoặc ethernet;

- Kết nối với cảm biến nhiệt độ: sử dụng chuẩn truyền thông RS485 hoặc 20mA

4 Kết nối với các thiết bị chấp hành

2.2.1.8. Phân tích các yêu cầu với bộ điều khiển trung tâm

Trong hệ thống bộ điều khiển trung tâm có nhiệm vụ giám sát và ra lệnh điều khiển toàn bộ hệ thống theo quá trình và theo yêu cầu công nghệ đặt ra Bao gồm các công việc:

- Giám sát mức ở các bể chứa thông qua cảm biến báo mức;

- Giám nhiệt độ ở các bể chứa thông qua bộ đo và điều khiển nhiệt độ;

- Giám sát trạng thái đóng mở của các van cần thiết;

- Giám sát lưu lượng của dòng chảy nhũ tương vào máy trộn;

- Điều khiển đóng mở các van trong hệ thống;

- Điều khiển bật tắt các động cơ trong hệ thống;

- Điều chỉnh mở van để có được dòng chảy nhũ tương vào máy trộn theo yêu cầu;

- Truyền thông với máy tính

2.2.1.9. Phân tích các yêu cầu với phần mềm giám sát trên máy tính

Hệ thống được thiết kế có phần mềm giám sát trên máy tính chạy độc lập không tham gia vào quá trình điều khiển hệ thống Phần mềm trên máy tính có nhiệm vụ:

- Giao tiếp với bộ điều khiển trung tâm qua chuẩn truyền RS485 hoặc ethernet;

- Điều khiển hệ thống từ xa ở chế độ bằng tay (nếu cần);

- Cài đặt cấu hình cho hệ thống;

- Lưu và tìm kiếm lại các mẻ trộn theo ca, ngày, tháng và theo năm

2.2.1.10. Về khả năng mở rộng hệ thống

Hệ thống lần đầu tiên được nghiên cứu thiết kế chế tạo ở Việt Nam, đồng thời trên thế giới theo tìm hiểu của em cũng chưa có hệ thống nào tương tự như vậy Vì vậy, quan điểm thiết kế của em là hệ thống phải có khả năng mở rộng với các lý do:

- Mở rộng và kết nối được với các hệ thống khác trong toàn bộ nhà máy: Khi nhà máy có nhu cầu về hệ thống quản lý giám sát và điều khiển từ xa qua trung tâm DCS,

hệ thống có thể đáp ứng được thông qua việc thêm các module phần cứng, thêm các module phần mềm mà không phải bỏ đi thiết kế lại;

- Trong quá trình vận hành, nếu như có sự điều chỉnh về mặt công nghệ hệ thống cũng có khả năng mở rộng được

Hình 2-8 Sơ đồ mô hình hệ thống

Hình 2-8 biểu diễn sơ đồ mô hình hệ thống, theo đó hệ thống bao gồm:

 Máy tính giám sát PC

Hình 2-9 Máy tính cùng phần mềm giám sát

Hệ thống được thiết kế có phần mềm giám sát trên máy tính chạy độc lập Máy tính cùng với phần mềm máy tính hình 2-9 cho phép người sử dụng:

- Giao tiếp với bộ điều khiển trung tâm qua RS485 hoặc ethernet;

- Giám sát từ xa toàn bộ hoạt động của hệ thống bao gồm: trạng thái đóng/mở của các valve; mức cao bể chứa nhựa đường; các mức thấp-trung bình-cao ở bể chứa phụ gia; nhiệt độ tức thời ở các bể chứa liệu; trạng thái hoạt động chạy/dừng của các động cơ; lưu lượng dòng chảy phụ gia;

- Điều khiển từ xa hoạt động của hệ thống ở chế độ tự động và chế độ bằng tay;

- Cài đặt các thông số cho hệ thống;

- Tạo các báo cáo theo mẻ, số mẻ/ca, số mẻ/ngày, tháng, năm

 Bộ điều khiển trung tâm

Bộ điều khiển trung tâm được lựa chọn dựa trên các tiêu chí sau đây:

- Nhanh chóng, thuận lợi trong quá trình triển khai lắp đặt;

- Dễ dàng trong việc điều chỉnh khi có thay đổi cần mở rộng thêm số đầu vào/ra;

- Hướng tới mục tiêu mở rộng kết nối giám sát cho toàn nhà máy (khi cần) mà không phải thay đổi cũng như đầu tư nhiều về tài chính;

- Chủ động mỗi khi xảy ra sự cố hỏng cần thay thế;

- Xuất phát từ yêu cầu của người sử dụng khi triển khai ứng dụng thực tế

Từ những lý do đó, em xin lựa chọn bộ điều khiển trung tâm sử dụng PLC (Programmable Logic Controller) Ưu tiên chọn PLC S7-1200 của Siemens vì đáp ứng tốt yêu cầu bài toán và quen dùng với em

Hình 2-10 Bộ điều khiển trung tâm PLC

Hình 2-10 biểu diễn bộ điều khiển trung tâm PLC cùng màn hình hiển thị với nhiệm vụ:

- Thu thập giá trị nhiệt độ từ các bể chứa (AST, ETA, ETB) thông qua các bộ chỉ thị nhiệt độ (TCx) sử dụng mạng truyền thông RS485 hoặc dòng 4-20mA;

- Ra lệnh đóng/mở các van cung cấp dầu nóng thông qua đầu ra số (DO);

- Cài đặt từ xa các thông số cho bộ chỉ thị nhiệt độ;

- Thu thập giá trị về mức tại các vể chứa thông qua các cảm biến báo mức (LSWx) không liên tục đưa về các đầu vào số (DI);

- Ra lệch đóng/mở các van, bật/tắt các động cơ bơm liệu (sử dụng biến tần) thông qua các đầu ra số (DO);

- Thu thập giá trị lưu lượng dòng chảy nhũ tương thông qua đầu vào tương tự (AI);

- Điều chỉnh ổn định lưu lượng dòng chảy nhũ tương thông qua điều chỉnh độ mở van tỷ lệ sử dụng đầu ra tương tự (AO);

- Giao tiếp truyền thông với máy tính PC thông qua chuẩn truyền thông RS485 hoặc ethernet;

- Cho phép cài đặt trực tiếp các thông số cho hệ thống

 Cảm biến đo và chỉ thị nhiệt độ [7]

Trong hệ thống có 03 bộ chỉ thị nhiệt độ tại chỗ, như đã trình bày trong phân tích thiết kế, em sử dụng cảm biến nhiệt độ PT100 Bộ cảm biến bày được kết nối với PLC thông qua bộ chuyển đổi thành tín hiệu dòng điện 4-20mA Giá trị nhiệt độ được PLC tính toán và gửi tới hiển thị trên màn hình LCD

 Báo mức

Hình 2-11 Cảm biến báo mức

Có 03 bể chứa cùng với 03 cảm biến báo mức không liên tục (LSWx) như trên hình 2-11, với nhiệm vụ:

- Giám sát mức cao (đầy bể) cho bể chứa nhựa đường (AST);

- Giám sát mức thấp, mức trung bình và mức cao cho 02 bể chứa nhũ tương (ETA, ETB)

 Các van đóng/mở

Hình 2-12 Các van đóng mở

Các van đóng/mở trong hệ thống trên hình 2-12 với nhiệm vụ:

- Đóng/mở đường ống dầu nóng cung cấp đun nóng vật liệu ở các bể chứa và làm nóng hệ thống đường ống, bao gồm các valve: stop valve 8, stop valve 9, stop valve

10, stop valve 11, stop valve 12, stop valve 13;

- Đóng/mở đường cấp nước sạch cho hai bể chứa phụ gia: ball valve 1, ball valve 2;

- Đóng/mở đường ống cấp nhựa đường, phụ gia từ bể chứa nhựa đường và bể chứa phụ gia và máy trộn liên tục, bao gồm các valve: ball valve 3, ball valve 4 và plug valve 6;

- Điều khiển góc mở theo lưu lượng dòng chảy phụ gia tới máy trộn liên tục: stop valve 5;

- Đóng/mở đường ống cấp thành phẩm sang trạm trộn asphalt

 Điều khiển các động cơ

Hình 2-13 Điều khiển các động cơ

Hệ thống có tất cả 07 các động cơ cần điều khiển (minh hoạ ví dụ trong hình 13), được chia thành 3 nhóm như sau:

2-Nhóm 1:

03 động cơ chỉ điều khiển chạy/dừng bao gồm:

- Động cơ bơm nhựa đường từ bể chứa 20T sang bể chứa nhựa đường (asphalt tank);

- Động cơ máy trộn liên tục (mixing pipeline);

Nhóm 2:

02 động cơ điều khiển chạy/đảo chiều/dừng bao gồm:

- Động cơ khuấy bể chứa phụ gia A (stirrer A);

- Động cơ khấy bể chứa phụ gia B (stirrer B)

Nhóm 3:

02 động cơ điều khiển tốc độ sử dụng biến tần bao gồm:

- Động cơ bơm nhựa đường vào máy trộn liên tục (asphalt pump);

- Động cơ bơm phụ gia vào máy trộn liên tục (emulsion pump)

 Đo và điều chỉnh ổn định dòng chảy phụ gia

Hình 2-14 Điều khiển dòng chảy phụ gia

Hình 2-14 mô tả sơ đồ khối hệ đo và điều khiển dòng chảy phụ gia, theo đó bao gồm:

- Giám sát liên tục lưu lượng dòng chảy nhũ tương thông qua cảm biến lưu lượng (Flow Sensor), tín hiệu ra cảm biến dạng dòng 4-20mA;

- Điều chỉnh lưu lượng dòng chảy nhũ tương thông qua điều chỉnh độ mở van tỷ

lệ (stop valve 5), bằng việc điều chỉnh dòng 4-20mA

2.3 Thiết kế và xây dựng các phần tử trong hệ thống

2.3.1 Giới thiệu

Nội dung trong phần trên đã trình bày về thiết kế mô hình hệ thống Từ kết quả

đó, trong mục này và một số mục sau em sẽ tập trung vào các vấn đề thiết kế chi tiết từng khâu chức năng của hệ thống

2.3.2 Thiết kế khối chức năng đo và điều khiển bể chứa nhựa đường

2.3.2.1. Cấu tạo và nhiệm vụ của bể chứa nhựa đường

Hệ thống điều khiển trộn phụ gia nhựa đường theo công nghệ carboncor bao gồm

ba bể chứa nguyên liệu, một trong số đó là bể chứa nhựa đường (asphalt tank) như hình 2-15

Hình 2-15 Bể chứa nhựa đường

Bể chứa nhựa đường có thể tích cỡ 4000L, được cấu tạo bởi bốn lớp như hình 16:

2 Lớp trong cùng là hệ thống đường ống dầu nóng chạy xoắn xung quanh bể với nhiệm vụ cấp dầu nóng làm thay đổi nhiệt độ nhựa đường trong bể;

- Tiếp đến là lớp thành bể;

- Ngoài thành bể là lớp chất bảo ôn với nhiệm vụ giữ nhiệt độ cho bể không toả ra môi trường xung quanh;

- Ngoài cùng là lớp vỏ bọc

Hình 2-16 Mặt cắt ngang bể chứa nhựa đường

Các đường ống dẫn nhựa đường tới bể và dẫn nhựa đường từ bể tới máy trộn liên tục được cấu tạo bởi ba lớp như hình 2-17, trong đó:

- Trong cùng là đường ống đường kính Φ25;

- Bọc ngoài là đường ống dẫn dầu nóng với nhiệm vụ làm nóng chảy nhựa đường trong ống mỗi khi dừng sản xuất;

- Phía ngoài cùng là lớp bọc bảo ôn cách nhiệt

Hình 2-17 Mặt cắt ngang đường ống dẫn nhựa đường

Thực trạng việc giám sát và điều khiển hoạt động của bể chứa nhựa đường hiện nay được thực hiện bằng tay, sơ đồ công nghệ được mô tả trong hình 2-18

Hình 2-18 Sơ đồ công nghệ bể chứa nhựa đường (hệ thống cũ)

- Nhựa đường nóng chảy được cung cấp cho bể chứa nhựa đường từ bồn chứa nhựa đường 20T thông qua bơm điều khiển đóng cắt;

- Dầu nóng cung cấp cho bể thông qua việc đóng/mở bằng tay Stop Valve 9;

- Người vận hành giám sát nhiệt độ thông qua bộ chỉ thị nhiệt độ bằng kim (Tem Meter), từ đó ra quyết định đóng hay mở Stop Valve 9;

- Nhựa đường với nhiệt độ mong muốn được cấp tới máy trộn liên tục thông qua việc đóng/mở Plug Valve 6 và chạy/dừng asphalt pump thông qua bộ biến tần điều khiển;

- Điều chỉnh tần số biến tần theo một giá trị đặt duy nhất để có được lưu lượng dòng chảy nhựa đường tới máy trộn liên tục như mong muốn

2.3.2.2. Thiết kế mô hình đo lường và điều khiển tự động cho bể chứa nhựa đường

Như đã phân tích trong phần công nghệ, khâu bể chứa nhựa đường là một bộ

này là cần thiết nhằm đảm bảo tính thống nhất của toàn hệ thống, hình 2-19 em xin trình bày phần thiết kế đo lường và điều khiển tự động cho bể chứa nhựa đường

Hình 2-19 Thiết kế khâu tự động đo và điều khiển bể chứa nhựa đường

So sánh hình 2-18 với hình 2-19 ta thấy, ở hình 2-19 mô hình sau thiết kế có những cải tiến như sau:

- Mắc song song valve điện SV9 với Stop Valve 9, sử dụng cho việc đóng/mở bằng điện (tự động theo chương trình trong PLC) đường dầu nóng cung cấp làm nóng nhựa đường;

- Thay bộ chỉ thị nhiệt độ cơ bằng bộ chỉ thị nhiệt độ điện tử TC1 với cảm biến nhiệt độ PT100, có truyền thông dòng 4-20mA với bộ điều khiển PLC;

- Giữ nguyên Plug Valve 6 và gia công thêm cánh tay cơ khí để điều khiển đóng/mở Plug Valve 6 bằng xilanh khí nén XL6;

- Gia công cơ khí các chuyển mạch hành trình báo trạng thái đóng mở Plug Valve 6;

- Giữ nguyên bơm nhựa đường (asphalt pump) và bộ biến tần điều khiển bơm nhựa đường, tuy nhiên bổ sung thêm tín hiệu điều khiển từ PLC để điều khiển chạy/chạy ngược/dừng tới bộ biến tần điều khiển bơm nhựa đường

Như vậy, để phục vụ cho bài toán đo lường và điều khiển tự động bể chứa nhựa đường, em đã sử dụng vật tư phần điện bổ sung như sau:

- 01 van điện từ SV9, đường ống DN40/25 mắc song song với Stop Valve 9 sử dụng đóng mở đường cấp dầu nóng;

- 01 cảm biến nhiệt độ Pt100;

- 01 bộ Transmitter 4-20mA;

- 01 cảm biến báo mức nhựa đường trong bể chứa;

- 01 xilanh khí nén XL6 (D100x400) điều khiển Plug Valve 6, cùng 01 van điện

từ 24VDC điều khiển xilanh XL6, 02 hạn vị hành trình báo (XL6C, XL6O) đóng và

mở Plug Valve 6

2.3.2.3. Thiết kế chi tiết khâu đo và điều khiển tự động bể chứa nhựa đường

Bản vẽ thiết kế chi tiết phần điện được em thực hiện trên công cụ AutoCAD 2007

và được trình bày trong “Phụ lục C Các bản vẽ thiết kế” mục C1 của báo cáo

Em xin được chú thích trong bản vẽ về phần đo lường điều khiển cho bể chứa nhựa đường như sau:

- Điều khiển động cơ bơm nhựa đường (asphalt pump), được thể hiện ở trang 6 của mục C1;

- Điều khiển valve điện từ SV9, được thể hiện ở trang 10 của mục C1;

- Cảm biến báo mức cao nhựa đường trong bể chứa nhựa đường, được thể hiện ở trang 11 của mục C1;

- Điều khiển xilanh khí nén XL6, được thể hiện ở trang 9 của mục C1;

- Các hạn vị hành trình đóng mở Plug Valve 6, được thể hiện ở trang 16, 17 của mục C1;

- Cảm biến và bộ chỉ thị nhiệt độ, được thể hiện ở trang 14 của mục C1;

- Điều khiển động cơ bơm nhựa đường từ bồn chứa 20T sang bể chứa nhựa đường, được thể hiện ở trang 7 của mục C1