Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều khiển quá trình sản xuất axit sunfuric

Từ đó tác giả nảy ra ý kiến là phải cải thiện nâng cao chất lượng và tính ổn định của hệ điều khiển công đoạn hấp thụ, sản xuất axit sunfuric, nâng cao hiệu quả sử dụng vốn, đem lại lợi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -

NGUYỄN ĐỨC DƯƠNG

HỆ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp này là do tôi tự hoàn thành dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS BÙI QUỐC KHÁNH Các số liệu kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực

Để hoàn thành luận văn này, tôi chỉ sử dụng các tài liệu ghi trong mục tài liệu tham khảo, không sử dụng các tài liệu khác mà không được ghi trong phần tài liệu tham khảo

Học viên

Nguyễn Đức Dương

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Bảng tính chất của lưu huỳnh nguyên tố 10

Bảng 1.2 Chỉ tiêu kỹ thuật của tháp trao đổi nhiệt ngoài 209 29

Bảng 1.3 Chỉ tiêu kỹ thuật của tháp trao đổi nhiệt ngoài 205A 30

Bảng 2.1 Thống kê các mạch vòng điều khiển 42

Bảng 2.2 Thống kê các đầu vào ra tương tự và số của tủ FCS0111 44

Bảng 2.3 Thống kê các đầu vào ra tương tự và số của tủ FCS0112 47

Bảng 3.1 Danh sách các thiết bị dự phòng cần thiết 67

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Quá trình sản xuất axit sunfuric 8

Hình 1.2 Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản xuất axit sunfuric 9

Hình 1.3 Các phương pháp sản xuất axit sunfuric 13

Hình 1.4 Sơ đồ sản xuất axit sunfuric đi từ S theo phương pháp tiếp xúc 14

Hình 1.5 Dây chuyền sản xuất axit sunfuric theo phương pháp tinh chế khô 15

Hình 1.6 Cân bằng khối lượng trong công đoạn hoá lỏng lưu huỳnh 17

Hình 1.7 Cân bằng năng lượng giữa đầu vào và đầu ra của lò đốt 18

Hình 1.8 Cân bằng về khối lượng giữa đầu vào và đầu ra của lò đốt 19

Hình 1.9 Cân bằng giữa lượng nước cấp với lượng hơi nước bão hoà 20

Hình 1.10 Cân bằng khối lượng trong công đoạn tiếp xúc 21

Hình 1.11 Cân bằng khối lượng trong công đoạn hấp thụ 23

Hình 1.12 Cân bằng khối lượng trong bộ phận sấy khí 23

Hình 1.13 Cân bằng năng lượng giữa đầu vào và đầu ra của tháp hấp thụ 23

Hình 2.1 Sơ đồ phân cấp hệ thống điều khiển tự động hóa quá trình sản xuất 31

Hình 2.2 Cấu hình hệ thống CENTUM CS3000 32

Hình 2.3 Cấu trúc Function Block 36

Hình 2.4 Khâu quán tính bậc nhất - LAG 37

Hình 2.5 Khâu tích phân INTEG 37

Hình 2.6 Khối PID 38

Hình 2.7 Khâu CALCU 39

Hình 2.8 Sơ đồ phân cấp hệ thống điều khiển dây chuyền sản xuất axit 40

Hình 2.9 Bố trí các module trong các tủ FCS0111 và FCS0112 41

Hình 3.1 Sơ đồ công nghệ công đoạn hấp thụ 55

Hình 3.2 Sơ đồ thùng tuần hoàn mono 303 56

Hình 3.3 Các biến quá trình của thùng tuần hoàn 303 57

Hình 3.4 Dạng hình học của thùng 303 58

Hình 3.5 Mặt cắt của thùng 303 với 58

Hình 3.6 Mặt cắt của thùng 303 với 59

Hình 3.7 Sơ đồ khối mô hình thùng tuần hoàn mono 303 62

Hình 3.8 Cấu trúc điều khiển phi tập trung cho quá trình 2 2 63

Hình 3.9 Cấu trúc điều khiển phi tập trung với các bộ điều khiển đơn biến 69

Hình 3.10 Mạch vòng điều chỉnh mức của thùng 303 với mức tính theo % 70

Hình 3.11 Mạch vòng điều chỉnh mức 72

Hình 3.12 Mô hình IdentifyDeltax.mdl 72

Hình 3.13 Đáp ứng nồng độ axit khi chỉ có bộ điều khiển mức 73

Hình 3.14 Đáp ứng nồng độ với mô hình ARX 74

Hình 3.15 Đáp ứng nồng độ với mô hình ARMAX 75

Hình 3.16 Đáp ứng nồng độ theo phương pháp PEM 76

Hình 3.17 Đáp ứng nồng độ theo các phương pháp LSE và PEM 77

Hình 3.18 Mô hình điều khiển phi tập trung 78

Hình 3.19 Đáp ứng nồng độ và mức với phương pháp điều khiển phi tập trung 79

Hình 3.20 Mô hình tách kênh phản hồi trạng thái 81

Hình 3.21 Sơ đồ tổng quát tách kênh truyền thẳng 82

Hình 3.22 Sơ đồ tách kênh từng phần 82

Hình 3.23 Sơ đồ tách kênh toàn phần 83

Hình 3.24 Sơ đồ tách kênh động toàn phần - tổng quát 84

Hình 3.25 Sơ đồ tách kênh SVD 84

Hình 3.26 Cấu trúc điều khiển thùng tuần hoàn mono 303 86

Hình 3.27 Mạch vòng điều chỉnh mức của thùng 303 với phương pháp tách kênh 86 Hình 3.28 Mạch vòng điều chỉnh nồng độ của thùng 303 với phương pháp tách kênh 87

Hình 3.29 Mô hình DecouplerControl.mdl 88

Hình 3.30 Đáp ứng nồng độ và mức với phương pháp điều khiển tách kênh 89

Hình 3.31 Công cụ lập trình System View 90

Hình 3.32 Sơ đồ mô phỏng điều khiển nồng độ axit và điều khiển mức của thùng tuần hoàn mono303 91

Hình 3.33 Kết quả mô phỏng mạch vòng điều khiển mức 92

Hình 3.34 Kết quả mô phỏng mạch vòng điều khiển nồng độ 93

Hình 3.35 Trang màn hình điều khiển số 1 94

Hình 3.36 Trang màn hình điều khiển số 2 95

Hình 3.37 Các faceplate điều khiển 96

Hình 3.38 Đồ thị xu hướng Trend 96

Hình 3.39 Đáp ứng của nồng độ trong thùng tuần hoàn 303 97

Hình 3.40 Đồ thị xu hướng thể hiện điều khiển mức với mức đặt là 70% 98

Hình 3.41 Đáp ứng mức khi mức đặt thay đổi từ 70% lên 80% 99

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay trong các nhà máy công nghiệp trên thế giới nói chung và các nhà máy nghiệp công nghiệp ở nước ta nói riêng, nhu cầu sử dụng axit sunfuric ngày càng gia tăng Axit sunfuric là nguyên liệu không thể thiếu, phục vụ nhiều ngành công nghiệp, như: ngành sản xuất phân bón, sản xuất acquy, sản xuất axit photphoric, … Trong một dịp đi công tác tại Nhà máy Supephotphat và Hoá chất Lâm Thao, tác giả đã tiếp cận với công nghệ sản xuất axit sunfuric Qua quá trình làm việc và tìm hiểu, tác giả nhận thấy công đoạn hấp thụ của nhà máy bao gồm các đối tượng khá hấp dẫn: tồn tại nhiều quá trình cân bằng (vật chất, năng lượng) Nhà máy đã tiến hành cải tạo, nâng cấp dây chuyền sản xuất axit sunfuric từ công nghệ đốt quặng pyrit sang công nghệ đốt lưu huỳnh rắn, tinh chế khô - tiếp xúc kép Đây

là công nghệ tiên tiến nhưng hệ điều khiển do công ty trước đây thiết kế, với sự giảm thiểu tối đa về kinh tế nên chất lượng điều khiển chưa cao, tính ổn định và bền vững của hệ thống còn thấp Từ đó tác giả nảy ra ý kiến là phải cải thiện nâng cao chất lượng và tính ổn định của hệ điều khiển công đoạn hấp thụ, sản xuất axit sunfuric, nâng cao hiệu quả sử dụng vốn, đem lại lợi ích kinh tế cao hơn nữa

Bản luận văn này giới hạn trong việc tìm hiểu, nghiên cứu dây chuyền sản xuất axit sunfuric, cụ thể là công đoạn hấp thụ Tác giả tập trung nghiên cứu thùng tuần hoàn mono 303 - đảm bảo nồng độ axit sunfuric 98,3%, tìm cách mô hình hóa đối tượng Từ mô hình tìm được, phân tích và đưa ra cấu trúc điều khiển mới nâng cao chất lượng và tính ổn định của hệ điều khiển

Nội dung chính của của luận văn bao gồm ba chương :

Chương 1: Tổng quan công nghệ sản xuất axit sunfuric

Chương 2: Giới thiệu hệ thống điều khiển của phân xưởng axit

Chương 3: Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển công đoạn hấp

thụ sản xuất axit sunfuric

Trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu tác giả đã có nhiều thuận lợi khi được làm việc thực tế tại nhà máy, được cung cấp rất nhiều tài liệu thống kê trong quá

trình vận hành, rất hữu ích trong quá trình mô hình hóa đối tượng Tôi chân thành cảm ơn PGS.TS Bùi Quốc Khánh người có kinh nghiệm làm việc thực tế lâu năm trong lĩnh vực công nghiệp sản xuất axit sunfuric với kiến thức chuyên sâu đã chỉ dẫn nhiệt tình cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn này Tôi cũng gửi lời cảm

ơn đến các đồng nghiệp của tôi đã góp ý, hỗ trợ tôi trong suốt thời gian qua

Hà Nội, ngày tháng năm 2010

Học viên

Nguyễn Đức Dương

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC

1.1 Giới thiệu chung

Công ty supephotphat và hóa chất Lâm Thao có 3 dây chuyền sản xuất axit

sunfuric với công suất khác nhau

Trước đây, dây chuyền sử dụng nguyên liệu đầu vào là quặng pirit đốt trong lò

tầng sôi bằng phương pháp tiếp xúc Do mỏ quặng ở Giáp Lai, Thạch Sơn, Phú Thọ

cạn kiệt cộng thêm sự ô nhiễm môi trường, thiết bị cồng kềnh nên năm 2003, công

ty đã cải tiến công nghệ, sử dụng S nguyên tố nhập ngoại đốt trong lò nằm ngang

bằng phương pháp tiếp xúc đơn Cho đến nay, axit sunfuric được sản xuất theo

phương pháp tiếp xúc kép hấp thụ 2 lần Đây là dây chuyền duy nhất tại nhà máy

đạt được chỉ tiêu khí thải ra môi trường

S nguyên tố

Hoá lỏng, đốt S, tiếp xúc kép, hấp thụ

đầu ra Hơi nước bão hoà

Khôngkhí

DầuDOđầu vào

H SO2 4

Hình 1.1 Quá trình sản xuất axit sunfuric

Theo thiết kế năng suất của dây chuyền sản xuất axit: 365 tấn/ngày hay

Sản phẩm của các dây chuyền sản xuất axít có 5 loại:

+ sản phẩm axít kỹ thuật 98,3%,

+ sản phẩm axít ắc quy,

+ sản phẩm axít tinh khiết loại P,

+ sản phẩm axít tinh khiết phân tích loại PA, có nồng độ ≥ 92,5%,

+ sản phẩm nồng độ 76 85% đưa sang sản xuất supe lân được chế biến qua bộ phận trộn để hạ nồng độ axít từ 95 98,3 ± 0,4% xuống 76 85%

CÔNG ĐOẠN HOÁLỎNG LƯU HUỲNH

CÔNG ĐOẠN LÒ ĐỐT S

CÔNG ĐOẠNTIẾP XÚC

CÔNG ĐOẠNHẤP THỤ

CÔNG ĐOẠNKHO AXIT

Không

khí

axit từmono

Hơi nướcbão hoà 6at 158 C

CÔNG ĐOẠNNỒI HƠI

1000 Co

SO 2 430 Co

hơi nướcbão hoà

Không khíkhôNước mềm

1.1.1 Nguyên liệu chính

Nguyên liệu sản xuất axít sunfuric rất phong phú, bao gồm lưu huỳnh nguyên

tố, các hợp chất có chứa lưu huỳnh như các muối sunfua, sunfat kim loại, khí thiên nhiên Tổng lượng lưu huỳnh có chứa trong vỏ trái đất chiếm khoảng 0,1% khối lượng

a) Tính chất của lưu huỳnh

Lưu huỳnh nguyên tố có nguyên tử lượng 32,064, ở nhiệt độ thường lưu huỳnh tồn tại ở dạng chất rắn màu vàng Lưu huỳnh nguyên tố tồn tại ở hai dạng thù hình là dạng đơn tà và dạng hình thoi Lưu huỳnh nguyên tố dẫn điện và dẫn nhiệt kém, thực tế nó không tan trong nước Khi nóng chảy thể tích nó tăng lên tới 15% Các tính chất của lưu huỳnh nguyên tố:

Bảng 1.1 Bảng tính chất của lưu huỳnh nguyên tố

39,4 9,4 Tính chất lưu huỳnh nguyên tố phụ thuộc vào cấu tạo phân tử của nó Ở điều kiện thường phân tử lưu huỳnh gồm có 8 nguyên tử lưu huỳnh khép kín (S8) Ở

160oC các vòng kín mở ra thành mạch thẳng làm cho độ nhớt của lưu huỳnh tăng lên Tiếp tục đốt nóng thì các mạch thẳng bị cắt ngắn làm cho độ nhớt giảm

Lưu huỳnh nguyên tố sôi ở 444,6oC Hơi lưu huỳnh gồm cả S8, S6, S4, S2 Ở nhiệt độ khoảng 900oC hơi lưu huỳnh chủ yếu là S2, ở nhiệt độ trên 1600oC lưu huỳnh bị phân huỷ thành các nguyên tử độc lập Ở nhiệt độ trên 1700oC hơi lưu huỳnh hầu hết là các nguyên tử lưu huỳnh

b) Ứng dụng của lưu huỳnh

Lưu huỳnh nguyên tố được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp như sản xuất axít sunfuric, công nghiệp giấy, nông nghiệp Lưu huỳnh nguyên tố là nguyên liệu tốt nhất cho sản xuất axít sunfuríc vì:

* Khi đốt lưu huỳnh nguyên tố ta thu được hỗn hợp SO2 có nồng độ cao, điều này rất có lợi trong công nghệ sản xuất axít sunfuríc bằng phương pháp tiếp xúc

* Lưu huỳnh nguyên tố không có tạp chất asen và đặc biệt nó không có

xỉ do vậy dây chuyền sản xuất đi từ nguyên liệu này rất ngắn, đơn giản, không có thiết bị tinh chế khí SO2

* Lưu huỳnh nguyên tố là nguyên liệu khá rẻ tiền do vậy có thể hạ được giá thành sản phẩm

1.1.2 Nhiên liệu và các nguyên liệu khác

b) Nước làm lạnh tuần hoàn (nước thô)

Nước thô là nước sử dụng tuần hoàn để làm lạnh các giàn làm lạnh axit

c) Nước mềm cung cấp cho nồi hơi

Nước mềm là nước không chứa muối canxi và muối magiê

Nước mềm được lấy từ đường cấp nước mềm trong mạng nước chung của công ty

Nhu cầu nước mềm cần dùng cho nồi hơi 18,7 tấn/h

d) Hơi nước

Hơi nước bão hoà được lấy từ mạng hơi toàn công ty

Hơi sử dụng để khởi động và nấu chảy lưu huỳnh:

+ Lưu lượng hơi nước cần cho khởi động : 2,5 – 3 tấn/h

e) Dầu DO

Lấy từ hệ thống đường ống cấp dầu ở trạm chung của công ty

Nhiên liệu được sử dụng cho việc khởi động lò đốt được chọn là dầu DO: + Lưu lượng cần thiết khi khởi động : 0,5T/h

f) Khí nén

Lấy từ hệ thống mạng ống khí nén chung của công ty

Khí nén được sử dụng cho các dụng cụ đo lường và điều khiển tự dộng trong dây chuyền sản xuất của xí nghiệp là không khí ẩm:

+ Lượng không khí nén cần thiết cho toàn bộ dây chuyền : 50

1.1.3 Vài nét về axit sunfuric

Axit sunfuric có CTHH là H2SO4 Axit sunfuric khan là một loại axit vô cơ mạnh, không màu, đặc sánh, có tính chất hút ẩm, hòa tan trong nước theo tỉ lệ bất

kỳ

Trong hóa học, axit sunfuric được xem là hợp chất của SO3 và H2O:

Nếu tỉ lệ SO3/H2O ≤ 1 thì gọi là dung dịch axit sunfuric

Nếu tỉ lệ SO3/H2O >1 thì gọi là dung dịch axit sunfuric bốc khói hay oleum

Trong công nghiệp, axit sunfuric có nhiều ứng dụng quan trọng: dùng sấy khô khí trong các ngành hóa chất khác (sản xuất HCl, Cl2…), sản xuất supe lân đơn, phèn, sử dụng cho ngành ắc quy, làm hóa chất phân tích,…

1.2 Giới thiệu các phương pháp sản xuất axit sunfuric

Mặc dù có nhiều phương pháp sản xuất axit sunfuric khác nhau nhưng trong thực tế các nhà máy hoá chất vẫn thường sản xuất theo 3 phương pháp sau:

Các phương pháp sản xuất axit sunfuric

Phương pháp

tiếp xúc (cổ điển)

Phương pháptinh chế khô

Phương pháp tinh chế khô - tiếp xúc kép

Hình 1.3 Các phương pháp sản xuất axit sunfuric

* Sản xuất axit theo phương pháp tiếp xúc có nhiều điểm mâu thuẫn:

+ Hỗn hợp khí lò nóng được làm nguội ở công đoạn làm sạch khí nhưng lại phải đốt nóng ở công đoạn oxi hóa

+ Hỗn hợp khí lò được làm ẩm gần như bão hòa hơi nước ở tháp tăng

ẩm, sau đó lại phải sấy khô ở tháp sấy

+ Các tạp chất trong hỗn hợp khí lò được chuyển thành dạng mù axit ở các tháp rửa sau đó lại phải tách hết mù ở các lọc điện ướt

* Để khắc phục những mâu thuẫn trên người ta đưa ra phương pháp tinh chế khô

Hình 1.4 Sơ đồ sản xuất axit sunfuric đi từ S theo phương pháp tiếp xúc

1.2.2 Phương pháp tinh chế khô

* Đặc điểm quan trọng nhất của công nghệ sản xuất axit theo phương pháp tinh chế khô là: hỗn hợp khí lò nóng sau khi lọc bụi, không qua làm nguội, rửa, sấy

mà được đưa thẳng vào tháp tiếp xúc Bên cạnh đó, ở đây quá trình hấp thụ diễn ra kèm theo quá trình ngưng tụ hơi axit Nếu so với phương pháp tiếp xúc có 4 giai đoạn thì phương pháp tinh chế khô có 3 giai đoạn

Hình 1.5 Dây chuyền sản xuất axit sunfuric theo phương pháp tinh chế khô

* Hỗn hợp khí lò sau khi lọc bụi được cho qua tháp truyền nhiệt rồi đi thẳng vào tháp tiếp xúc có đặt các lớp xúc tác vanađi Để giảm nhiệt độ của hỗn hợp khí sau các lớp xúc tác thường dùng không khí bổ sung trực tiếp (hoặc dùng trao đổi nhiệt)

* Khí sau khi chuyển hóa được đưa sang tháp ngưng tụ loại đệm có tưới axit nồng độ 93 – 95% Khí thải được đưa qua lọc sợi thủy tinh và lọc điện ướt

để tách mù axit trước khi thải ra ngoài không khí Trong tháp ngưng tụ, khí sẽ được hấp thụ thành axit

* Để sản xuất axit sunfuric theo sơ đồ tinh chế có thể sử dụng các loại nguyên liệu: quặng pyrit, khí thải của các lò luyện kim màu, thạch cao ,…

* Sản xuất axit theo phương pháp này có nhược điểm: năng suất chưa cao, vẫn chưa giải quyết triệt để vấn đề ô nhiễm môi trường

1.2.3 Phương pháp tinh chế khô – tiếp xúc kép

Trong công nghệ sản xuất axit sunfuric theo phương pháp này có thêm một tháp tiếp xúc và một tháp hấp thụ nhằm mục đích tăng khả năng chuyển hóa trong quá trình tiếp xúc và hấp thụ Nói một cách khác là để tăng năng suất và giảm bớt những chất độc hại trong khí thải

Công nghệ sản xuất axit sunfuric từ nguyên liệu lưu huỳnh rắn theo phương pháp tiếp xúc và hấp thụ 2 lần là công nghệ sản xuất tiên tiến hiện nay trên thế giới Lưu huỳnh nóng chảy được đốt trong lồ đốt loại nằm ngang tạo thành hỗn hợp khí Hỗn hợp khí này được đưa vào hệ thống tháp tiếp xúc, sử dụng để chuyển hoá thành Khí được hấp thụ tạo thành axit sunfuric

(trong hệ thống hấp thụ hai lần) Hiệu suất chuyển hoá đạt 99,6%, hiệu suất hấp thụ đạt 99,9%

1.3 Giới thiệu các công đoạn sản xuất axit sunfuric

Công nghệ sản xuất axit sunfuric của xí nghiệp axit được chia ra làm các cộng đoạn sau:

+ Công đoạn hoá lỏng lưu huỳnh

+ Công đoạn lò đốt lưu huỳnh – nồi hơi

+ Công đoạn tiếp xúc

+ Công đoạn hấp thụ - sấy khí

+ Công đoạn kho axit

Đầu vào và đầu ra của mỗi công đoạn có mối quan hệ chặt chẽ với nhau, dựa trên hai định luật cơ bản là: định luật bảo toàn năng lượng và định luật bảo toàn khối lượng Điều này có nghĩa là tổng năng lượng và khối lượng đầu vào của mỗi công đoạn phải cân bằng với tổng năng lượng và khối lượng đầu ra của công đoạn

đó

1.3.1 Công đoạn hoá lỏng lưu huỳnh

a) Mục đích: chuyển S dạng rắn thành dạng nóng chảy trước khi đưa sang công

đoạn đốt lưu huỳnh

b) Các cân bằng trong công đoạn hoá lỏng lưu huỳnh

Công đoạn hoá lỏng lưu huỳnh

S nguyên tố, rắnHơi nước bão hoà 6at

S lỏngnước ngưng

Hình 1.6 Cân bằng khối lượng trong công đoạn hoá lỏng lưu huỳnh

Đối tượng điều khiển là thùng hoá lỏng S Đây là thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp dạng ống xoắn ruột gà, trong thùng có cánh khuấy để tăng hiệu quả trao đổi nhiệt Hơi nước đi trong ống, thực hiện trao đổi nhiệt qua thành ống với S rắn ở ngoài Khi nhiệt độ trong thùng đạt 140 ÷145oC thì S nóng chảy

c) Quá trình vận hành

+ Lưu huỳnh từ kho chứa được cầu trục múc lên bunke chứa lưu huỳnh số

102, sau đó được vận chuyển bằng băng tải 103, băng tải 104 để đưa vào thiết bị hoá lỏng 106, 106B Trong thiết bị hoá lỏng có bố trí các cụm trao đổi nhiệt bằng hơi nước bão hoà áp suất 6at, nhiệt độ 1580C để gia nhiệt hoá lỏng lưu huỳnh Để tăng cường hoá lỏng, trong thiết bị hoá lỏng có bố trí thiết bị khuấy trộn Lưu huỳnh sau khi được hoá lỏng chảy tràn sang thùng lắng 108, 108B, 109, 109B để lắng cặn Cặn trong lưu huỳnh lỏng được lắng xuống đáy và định kỳ tháo xả ra ngoài Thùng lắng là thiết bị hai vỏ, hơi đi giữa 2 vỏ có tác dụng duy trì nhiệt độ của lưu huỳnh lỏng ở nhiệt độ 140 145o

C Lưu huỳnh lỏng sau khi được lắng cặn tiếp tục chảy tràn sang thùng chứa 111, tại thùng chứa có bố trí bơm 110A, B kiểu nhúng chìm để bơm lưu huỳnh lên các thùng trung gian đầu lò đốt của các dây chuyền axít số 1, 2,

3 Để duy trì nhiệt độ lưu huỳnh, tại các thùng chứa lưu huỳnh trung gian đầu lò cũng bố trí áo hơi để gia nhiệt

+ Trong lưu huỳnh luôn luôn tồn tại một lượng axít nhỏ, trong quá trình hoá lỏng lượng axít này dần tích tụ sẽ gây ăn mòn thiết bị Để trung hoà lượng axít này cần thiết phải định lượng sôđa bột theo lưu huỳnh rắn tại băng tải số 103 để trung hoà hết lượng axít này Lượng sôđa điều chỉnh theo giá trị pH được kiểm tra bằng

quỳ tím thấm nước tại các thùng hoá lỏng lưu huỳnh 106, 106B, hoặc theo phân tích hàm lượng axít có trong lô lưu huỳnh đưa vào sản xuất

+ Quá trình hoá lỏng lưu huỳnh luôn luôn có hơi nước bay ra với khí H2S

và hơi lưu huỳnh Để khử hơi này tại bộ phận hoá lỏng có bố trí hệ thống quạt hút

và thiết bị dập hơi lưu huỳnh bằng nước, thiết bị hấp thụ H2S bằng dung dịch kiềm

để xử lý khí thải trước khi thải ra ngoài trời

1.3.2 Công đoạn lò đốt lưu huỳnh

a) Mục đích: đốt lưu huỳnh dạng nóng chảy (được tiếp nhận từ công đoạn nấu chảy

lưu huỳnh) trong lò đốt nằm ngang Quá trình ôxy hoá được thực hiện, chuyển lưu huỳnh dạng nóng lỏng thành dạng khí trước khi đưa vào tháp tiếp xúc

b) Các cân bằng trong công đoạn lò đốt lưu huỳnh

* Cân bằng năng lượng của lò đốt (cân bằng nhiệt)

Năng lượng từkhói lò

Tảo nhiệt do bức xạNăng lượng từ

SO

Năng lượng từ

Hình 1.7 Cân bằng năng lượng giữa đầu vào và đầu ra của lò đốt

* Đối tượng điều khiển là lò đốt F–06

* Cân bằng khối lượng giữa S lỏng, không khí khô, dầu DO với hỗn hợp khí , khói lò

Lò đốt

S lỏng

Không khí khô

SOhỗn hợp khí2

Nhiên liệu: Dầu DO

ẩm sau khi qua tháp sấy khí để sấy khô đạt tiêu chuẩn về độ ẩm, tia bắn tiếp tục qua các tháp trao đổi nhiệt để gia nhiệt trước khi vào lò đốt Lượng lưu huỳnh lỏng cấp vào lò được điều chỉnh tự động nhờ các van điều khiển bằng khí nén FV-401 và mạch vòng điều khiển FIC-401, còn lưu lượng không khí khô vào lò được điều chỉnh bằng van bướm trên đường ống dẫn không khí vào lò và được đo bằng lưu lượng kế

+ Trong lò đốt lưu huỳnh cháy cùng với O2 trong không khí theo phản ứng:

b) Các quá trình cân bằng trong công đoạn nồi hơi

Nồi hơinhiệt thừa

Hình 1.9 Cân bằng giữa lượng nước cấp với lượng hơi nước bão hoà

Đối tượng điều khiển là nồi hơi nhiệt thừa HB–07

c) Quá trình vận hành

+ Hỗn hợp khí có nhiệt độ từ 1000 25 oC, nồng độ SO2 từ 9 10,5 % thể tích đi qua nồi hơi HB–07 để hạ nhiệt độ xuống còn 400 430oC sau đó đi qua thiết

bị lọc gió nóng để sang công đoạn tiếp xúc

+ Tại bộ phận nồi hơi, nước được xử lý tại bộ phận lọc nước hoá học được đưa vào thiết bị khử khí để khử O2 sau đó qua bơm cấp đưa vào nồi hơi Hơi tạo ra trong nồi hơi có áp suất 25 at, nhiệt độ 225 o

C, nhờ bộ điều khiển áp suất PIC-003 Sau đó, hơi này được đưa qua thiết bị giảm áp để hạ xuống còn 6 at, 1580C, nhờ bộ điều khiển áp suất PIC-007 và bộ điều khiển nhiệt độ TIC-115, rồi cấp hoà vào mạng chung

+ Riêng hơi nước của dây chuyền axít số 2, hơi tạo ra trong nồi hơi có áp suất 25 at, nhiệt độ 225 oC Khi dây chuyền phát điện hoạt động hơi 25 at, nhiệt độ

225oC được gia nhiệt bằng khí sau lớp 1 tháp tiếp xúc tại thiết bị quá nhiệt số 309 nâng lên thành hơi quá nhiệt có nhiệt độ 350 4000

C rồi cấp cho dây chuyền phát điện Khi dây chuyền phát điện không hoạt động hơi có áp suất 25 at, nhiệt độ

225oC được đưa qua thiết bị giảm áp để hạ xuống còn 6 at, 1580C rồi cấp hoà vào mạng chung hoặc qua bộ phận giảm âm rồi xả ra ngoài trời qua ống xả hơi

1.3.4 Công đoạn tiếp xúc

a) Mục đích: ôxy hoá có trong hỗn hợp khí sau lò đốt thành

b) Các cân bằng trong công đoạn tiếp xúc

Tháp tiếp xúcKhông khí khô

SO3

SO2

Hình 1.10 Cân bằng khối lượng trong công đoạn tiếp xúc

c) Quá trình vận hành

+ Hỗn hợp khí SO2 từ thiết bị lọc gió nóng 201 có nhiệt độ 400 430oC

và nồng độ SO2 từ 9 10,5% đi vào lớp I của tháp tiếp xúc Nhờ có xúc tác V2O5 khí

SO2 phản ứng với O2 tạo thành SO3 theo phản ứng:

+ Đây là phản ứng thuận nghịch, toả nhiệt, giảm thể tích Quá trình xảy

ra theo chiều thuận khi có xúc tác

+ Cơ chế của sự ôxy hoá SO2 trên xúc tác VANADI đƣợc giải thích bằng

sự tạo thành, phân huỷ hợp chất trung gian ở dạng sunfatvanadi theo phản ứng :

(1.4)

trong đó

: Mức tiếp xúc cân bằng : Hằng số cân bằng của phản ứng oxy hoá SO2 thành SO3

A : Nồng độ ban đầu của SO2 trong hỗn hợp khí

+ Hằng số cân bằng phụ thuộc vào nhiệt độ theo công thức

(1.5)

+ Mức tiếp xúc cân bằng phụ thuộc vào tỷ số giữa SO2 và O2, O2 càng

lớn và SO2 càng nhỏ thì mức tiếp xúc cân bằng càng cao

+ Sau lớp I, hỗn hợp khí SO2 đạt mức chuyển hoá X1 = 60 70%, nhiệt độ

595 ± 50C được qua trao đổi nhiệt sau lớp I hạ nhiệt độ xuống 450 4850

C nhờ thiết

bị trao đổi nhiệt ngoài sau lớp I rồi tiếp tục đi vào lớp xúc tác thứ II để tiếp tục phản

ứng chuyển hoá SO2 thành SO3

+ Sau lớp II hỗn hợp khí đạt mức chuyển hoá 85 90% nhiệt độ

520 5450C đi vào trao đổi nhiệt ngoài để hạ nhiệt độ khí xuống 430 4500

C rồi đi vào lớp xúc tác số 3 để tiếp tục phản ứng

+ Ra khỏi lớp III khí SO2 được chuyển hoá từ 94,5 96,5%; nhiệt độ từ

450 475oC đi qua các trao đổi nhiệt để nâng nhiệt cho khí SO2 sau hấp thụ trung gian

hoặc trao đổi nhiệt với không khí ẩm để hạ nhiệt độ xuống < 165oC rồi đi vào hấp thụ

trung gian để hấp thụ lượng SO3 đã tạo thành của 3 lớp chuyển hoá sau đó qua các tháp

tách mù (mù là chất có hại cho xúc tác và thiết bị) rồi được nâng nhiệt nhờ các trao đổi

nhiệt từ 500C đến 405 4150C trước khi vào lớp IV

+ Ra khỏi lớp IV khí SO2 được chuyển hoá từ 99,6 99,85%, nhiệt độ từ

420 435oC đi qua các trao đổi nhiệt làm nguội SO3 bằng không khí ẩm, không khí

khô, hay nước mềm để hạ nhiệt độ xuống <165oC trước khi vào hấp thụ cuối

+ Tất cả không khí sử dụng trong tháp tiếp xúc và tháp trao đổi nhiệt là không khí khô Bởi vì nếu sử dụng không khí ẩm thì trong quá trình chuyển hoá ở tháp tiếp xúc cũng như trong quá trình trao đổi nhiệt ở tháp hấp thụ sẽ xuất hiện những giọt mù axit (sản phẩm giữa SO3 và hơi nước) Những giọt mù axit này sẽ phá huỷ, ăn mòn tháp tiếp xúc, tháp trao đổi nhiệt, các đường ống, lò đốt (do không khí sau tháp trao đổi nhiệt 203 sẽ đưa trở lại lò đốt) Do đó, không khí phải được làm khô bằng cách cho qua tháp sấy khí 301, tháp tách tia bắn 311 để tách mù, rồi được hai quạt thổi qua thùng lọc dầu rồi mới đưa vào sử dụng

1.3.5 Công đoạn hấp thụ - sấy khí

a) Mục đích: Tiếp nhận hỗn hợp khí từ công đoạn tiếp xúc và hấp thụ SO3 thành axit sunfuric với hiệu suất hấp thụ đạt 99,9%

b) Các cân bằng trong công đoạn hấp thụ

Tháp hấp thụ,thùng 303

Hình 1.11 Cân bằng khối lượng trong công đoạn hấp thụ

c) Quá trình vận hành

c.1) Quá trình sấy không khí ẩm

+ Hơi nước không phải là 1 chất độc đối với chất xúc tác vanadium Nhưng nếu trong khí có hơi nước thì sẽ tạo mù ở quá trình hấp thụ, làm mất nhiều axít trong khí thải vì mù axít rất khó hấp thụ trong các tháp hấp thụ Ngoài ra mù còn ngưng tụ trong các tháp trao đổi nhiệt bên ngoài của tháp tiếp xúc nhất là các trao đổi nhiệt làm nguội SO3 làm ăn mòn các ống trao đổi nhiệt vì vậy không khí cần phải được sấy đạt tiêu chuẩn trước khi cấp vào hệ thống

+ Không khí được hút ở dây chuyền sản xuất axít số 1 tại tháp sấy 301, axít sunfuric có nồng độ ≥ 95% được tưới từ trên xuống tiếp xúc với không khí đi từ dưới lên qua các lớp đệm Nhờ có sự tiếp xúc này hơi nước trong không khí được axít hấp thụ, không khí sau tháp sấy có hàm ẩm < 0,015 %V được nâng nhiệt lên

100 150oC trước khi đưa về lò đốt lưu huỳnh

c.2) Quá trình hấp thụ khí

* Hỗn hợp khí SO3 từ công đoạn tiếp xúc có nhiệt độ trên được đưa lần lượt qua hai tháp làm nguội 205A, 205B hạ nhiệt độ xuống thấp hơn (sử dụng hệ thống làm nguội bằng quạt gió) Hỗn hợp khí sau khi làm nguội được đưa vào đáy tháp hấp thụ mono 304 đi dần lên đỉnh tháp Axit H2SO4 98,3% trong thùng tuần hoàn mono 303 được các bơm chìm 304A-B-C-D đẩy lên phân phối vào hệ thống làm lạnh ( gồm dàn làm lạnh 305A-B, thiết bị làm lạnh ống chùm 306A-B), sau đó được tưới vào tháp hấp thụ mono 304 qua hệ thống đĩa phân phối từ đỉnh tháp xuống Sau khi tiếp xúc pha nhờ lớp đệm yên ngựa, axit có nồng độ 98,8% (ở đầu ra của tháp hấp thụ mono 304) được lưu hồi về thùng tuần hoàn 303, hỗn hợp khí sau hấp thụ được bộ phận khử mù trên đỉnh tháp 304 đi đến hệ thống khí thải Mức hấp thụ trong tháp hấp thụ 304 đạt trên 99,99%

* Nồng độ axit trong thùng tuần hoàn mono 303 được điều chỉnh bằng lượng axit từ công đoạn sấy và nước công nghệ (nước sạch bổ sung vào thùng) Lưu lượng nước công nghệ được điều chỉnh tự động theo tín hiệu từ thiết bị đo nồng độ

CE–521 và bộ điều khiển CIC – 521 Mức axit trong thùng 303 được duy trì tự động nhờ tín hiệu đo mức từ thiết bị đo mức LT – 321, điều khiển van axit mono về thùng chứa axit sấy 302 Nước làm lạnh axit của các dàn tưới 305A-B, các thiết bị trao đổi nhiệt 306A-B được gom lại trong máng qua thiết bị đo PH rồi đưa đến máng thải

* Các quá trình hoá học diễn ra trong công đoạn hấp thụ Đầu tiên SO3 hoà tan vào trong axít, sau đó phản ứng với nước trong đó theo phản ứng tổng quát sau:

* Tuỳ theo tỷ lệ giữa SO3 và nước mà nồng độ axít thu được sẽ khác nhau:

Nếu n > 1: sản phẩm là ôlêum

Nếu n = 1: sản phẩm là mono hyđrat

Nếu n < 1: sản phẩm là axít loãng

* Cơ chế của quá trình hấp thụ khí SO3 cũng tương tự của quá trình sấy không khí (hấp thụ hơi nước bằng axit sunfuric) Ta có công thức sau:

K0 : là hằng số, phụ thuộc vào nồng độ, nhiệt độ axít

W : Tốc độ giả của khí đi trong tháp (m/s)

* Nồng độ axít và nhiệt độ axít ảnh hưởng lớn đến tốc độ và hiệu suất hấp thụ Tại nồng độ axít 98,3% H2SO4 và ở nhiệt độ thấp thì cả tốc độ hấp thụ và hiệu suất hấp thụ đạt giá trị cực đại Có thể giải thích điều này như sau:

+ Axít sunfuric nồng độ 98,3% hấp thụ khí SO3 tốt nhất vì áp suất hơi

SO3 trên bề mặt dung dịch axít này rất thấp Nồng độ thấp hay cao hơn 98,3% thì quá trình hấp thụ SO3 đều không tốt

+ Nếu axít có nồng độ nhỏ hơn 98,3%, thì trong thành phần pha hơi của nó trên bề mặt ngoài hơi axít còn có thừa hơi nước Một phần khí SO3 sẽ kết hợp với hơi nước tạo thành mù axít ngay trong tháp hấp thụ, mà mù axít rất khó hấp thụ, nên nó đi phần lớn theo khí thải ra ngoài, nếu thấy ngay ở miệng ống thải các hạt mù to dần lên

và có mầu trắng như hơi nước Điều đáng chú ý là khi nồng độ axít nhỏ hơn 98,3% mà nhiệt độ axít tăng thì sự hấp thụ giảm rất mạnh cho tới 1 nhiệt độ xác định (tới hạn) thì axít hoàn toàn không hấp thụ được nữa Vì khi nhiệt độ axít càng cao, thì hơi nước trên

bề mặt axít càng nhiều, mù sinh ra càng nhiều, hiệu suất hấp thụ càng thấp Cho tới nhiệt độ tới hạn thì lượng hơi nước đủ lớn để để kết hợp với tất cả SO3 tạo hoàn toàn thành mù (hiệu suất hấp thụ bằng 0)

+ Nếu nồng độ axít lớn hơn 98,3 %, quá trình hấp thụ SO3 cũng không được hoàn toàn vì trên bề mặt axít này có SO3 toả ra, làm giảm động lực của quá trình hấp thụ, gây nên hiện tượng khí SO3 hấp thụ không hết theo ống khí thải ra ngoài trời, SO3kết hợp với ẩm trong không khí và tạo thành mù và chỉ nhìn thấy rõ cách miệng ống thải một đoạn Khi tạo thành mù, các hạt mù có kích thước rất nhỏ và mới đầu có màu xanh lam ( khi nhiều thì có màu nâu nhạt ), sau khi hạt mù đã to lên thì có màu trắng Nồng độ axít càng lớn ( > 98,3%), nhiệt độ axít càng cao thì áp suất riêng phần của khí

SO3 càng cao, hiệu suất hấp thụ càng giảm

* Hỗn hợp khí SO2, SO3 ra khỏi lớp III tháp tiếp xúc có mức chuyển hoá 94,5 96,5% sẽ qua các trao đổi nhiệt để làm nguội xuống nhiệt độ <165oC trước khi đi vào đáy tháp hấp thụ trung gian (riêng tại dây chuyền axít 2 là 190 1950

C) Axít mônôhyđrát có nồng độ 98,3 ± 0,4% H2SO4 có nhiệt độ 70 5oC từ thùng chứa được các bơm chìm bơm lên dàn làm lạnh axít kiểu tấm và được làm lạnh xuống 50 5oC sau đó đổ vào thùng cao vị rồi được tưới vào tháp hấp thụ trung gian qua hệ thống phân phối axít bằng đĩa Lượng axít chảy từ tháp hấp thụ trung gian về thùng chứa lại tiếp tục được bơm tuần hoàn lên tháp kết thúc 1 chu trình Do hấp thụ SO3 nồng độ axít tăng dần lên, để duy trì nồng độ axít mono ta pha loãng bằng nước công nghệ hoặc bằng axít sấy Do hấp thụ SO3 và bổ sung H2O nên mức

thùng chứa axít cao dần lên, để duy trì mức thùng chứa ta đưa axít sang bộ phận sấy

để nâng nồng độ axít sấy

* Khí ra khỏi tháp hấp thụ trung gian có nhiệt độ 45 60oC đi vào bộ phận

khử mù để tách hết lượng axít và mù axít rồi đi qua các trao đổi nhiệt để nâng nhiệt

độ lên 405 415oC trước khi vào lớp IV tháp tiếp xúc để chuyển hoá tiếp lượng

SO2 còn lại

* Hỗn hợp khí SO2, SO3 ra khỏi lớp IV tháp tiếp xúc có mức chuyển hoá 99,6 99,85% nhiệt độ 420 4350C sẽ qua trao đổi nhiệt làm nguội SO3 bằng không

khí khô, không khí ẩm hoặc nước mềm để làm nguội xuống nhiệt độ <165oC rồi đi vào

đáy tháp hấp thụ cuối Axít mono có nồng độ 98,3 ± 0,4% H2SO4 có nhiệt độ

55 75oC từ thùng chứa được các bơm chìm bơm lên các thiết bị làm lạnh kiểu tấm hay

kiểu ống chùm và được làm lạnh xuống 45 55oC sau đó đổ vào thùng cao vị rồi được

tưới vào tháp hấp thụ cuối qua hệ thống phân phối axít bằng đĩa với lưu lượng Lượng

axít chảy từ tháp hấp thụ cuối về thùng chứa lại tiếp tục được bơm tuần hoàn lên tháp

kết thúc 1 chu trình Do hấp thụ SO3 nồng độ axít tăng dần lên, để duy trì nồng độ axít

mono ta pha loãng bằng nước công nghệ Do hấp thụ SO3 và bổ sung H2O nên mức

thùng chứa axít cao dần lên, để duy trì mức thùng chứa ta đưa axít sang bộ phận sấy để

nâng nồng độ axít sấy

* Sau tháp hấp thụ cuối 310, hỗn hợp khí đi vào thiết bị khử mù hay tháp tách

giọt trước khi thải ra ngoài trời qua ống thải khí

1.3.6 Công đoạn kho axit

* Tiến hành pha trộn để hạ nồng độ axit H2SO4 từ 95 98,3 ± 0,4% xuống

76 85% để đưa sang sản xuất phân lân supephotphat đơn

* Pha trộn để sản xuất axit tinh khiết loại P, loại PA (có nồng độ ≥ 92,5%)

1.4 Các bộ phận phụ trợ

1.4.1 Bộ phận máy nén không khí

* Không khí nén là một phần quan trọng trong hệ thống đo lường điều khiển

trong dây chuyền sản xuất

* Không khí được máy nén khí kiểu piston hút vào, qua 2 cấp nén đi qua thiết

bị làm nguội, tách dầu nâng áp suất lên 5 8 at, một phần đưa lên hệ thống để cấp cho các lò đốt dùng để phun dầu, phần còn lại qua hệ thống sấy để cấp cho các thiết

bị đo lường điều khiển

* Năng lực của bộ phận máy nén không khí 60 m3/phút, đủ cấp cho toàn công

1.5 Một số chỉ tiêu kỹ thuật trong các công đoạn sản xuất axit

1.5.1 Công đoạn hoá lỏng lưu huỳnh

thấp: 0,5 m; cao: 2m

1.5.2 Công đoạn đốt lưu huỳnh

* Dầu DO:

1.5.3 Công đoạn tiếp xúc

* Tháp trao đổi nhiệt ngoài 209 (trao đổi nhiệt sau lớp 1)

Bảng 1.2 Chỉ tiêu kỹ thuật của tháp trao đổi nhiệt ngoài 209

+ Lưu lượng không khí làm lạnh lớp 3 : 2,768

* Tháp trao đổi nhiệt ngoài 205A (trao đổi nhiệt sau lớp 4)

Bảng 1.3 Chỉ tiêu kỹ thuật của tháp trao đổi nhiệt ngoài 205A

1.5.5 Công đoạn sấy khí

* Nồng độ % của axit tưới/axit ra : 95%/94,42%

Tóm lại, các chỉ tiêu cơ bản của dây chuyền sản xuất axit sunfuric số 1

* Lưu lượng không khí vào lò đốt : 27,397

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CỦA PHÂN XƯỞNG AXIT

2.1 Tổng quan về tự động hóa quá trình công nghệ

Hệ thống điều khiển, điều hành và quản lý sản xuất một cách tự nhiên được

phân chia thành nhiều cấp Phù hợp với thực tế này, hệ thống tự động hóa quá trình

sản xuất cũng được phân chia thành nhiều cấp và điển hình của một hệ thống tự

động hóa quá trình sản xuất thường bao gồm 5 cấp [2]

1 Cấp trường (cảm biến - chấp hành)

Truyền động, cảm biến,vanchuyển đổi tín hiệu

PLC, CNC,PC

3 Cấp giám sát - chỉ huy Vận hành giám sát và điều khiển chỉ

huy cho quá trình công nghệ

4 Cấp quản lý nhà máy

Phối hợp nhiều nhiệm vụ quản lý khác nhau: quản lý kỹ thuật, sản xuất,

nguồn lực,

5 Cấp quản lý công ty

Kết nối và phối hợp các hoạt động quản lý khác nhau trên mọi nhà máy, chi nhánh và văn phòng công ty tại nhiều thành phố và quốc gia khác nhau

Hình 2.1 Sơ đồ phân cấp hệ thống điều khiển tự động hóa quá trình sản xuất

2.2 Hệ thống điều khiển Centum CS3000

2.2.1 Giới thiệu chung hệ Centum CS3000

* Centum CS3000 là một hệ thống điều khiển sản xuất tích hợp cho các ứng

dụng điều khiển quá trình được thiết kế phù hợp với các nhà máy có quy mô từ nhỏ

đến rất lớn Mỗi bộ phận như xí nghiệp, đơn vị kinh doanh, khu vận hành, buồng điều khiển hay hiện trường đều có thể được kết nối với nhau sử dụng mạng truyền thông Mạng truyền thông được sử dụng để tối ưu toàn bộ hệ thống, giảm nhân lực vận hành tại hiện trường, tăng mức độ tự động hoá, tăng năng suất

* CENTUM CS 3000 có các đặc điểm nổi bật sau:

+ Có thể hỗ trợ đến 4000 user

+ Cơ chế dự phòng kép

+ Linh hoạt: standard và compact FCS

+ Có thể kết nối tối đa 256 FCS

+ Có thể quản lý được tối đa 100000 tag

2.2.2 Cấu thành phần hệ Centum CS3000

* Hệ điều khiển Centum CS3000 bao gồm:

+ Trạm vận hành, giám sát – HIS (Human interface station)

+ Trạm điều khiển khu vực – FCS (Field control station)

+ Trạm thiết kế kỹ thuật – ENG (engineering PC)

+ Mạng truyền thông (Vnet) kết nối giữa các trạm trên

Hình 2.2 Cấu hình hệ thống CENTUM CS3000

a) Trạm vận hành, giám sát (HIS)

* Trạm vận hành, giám sát được sử dụng chủ yếu cho việc vận hành và giám sát, nó hiển thị các biến quy trình, các tham số điều khiển, các báo hiệu cần thiết để người vận hành có thể nhanh chóng nắm bắt được các trạng thái vận hành của nhà máy Nó cũng kết hợp giao diện mở do đó các máy tính giám sát có thể truy nhập vào đồ thị dữ liệu (trend data), các thông điệp (messages), và dữ liệu xử lý (process data) Yokogawa cung cấp 3 kiểu trạm giao diện (HIS), đáp ứng các nhu cầu khác nhau của khách hàng chạy trong hệ điều hành Microsoft Windows

* Trạm vận hành, giám sát loại Enclose (Enclose Display Style Console HIS): được thiết kế dựa theo kiểu dáng của trạm vận hành phiên bản Centum cũ, cho phép đặt các trạm sát nhau, màn hình cảm ứng, bàn phím vận hành có 8 nhóm điều khiển,

có tiếp điểm vào/ra phụ và các phím chức năng khác

* Trạm vận hành, giám sát loại Open Display (Open Display Style Consol HIS): là loại kiểu dáng mới của HIS với màn hình tinh thể lỏng (LCD): có thể lựa chọn kích thước hiển thị và kiểu bàn phím, màn hình cảm ứng, bàn phím vận hành

có 8 nhóm điều khiển, có tiếp điểm vào/ ra phụ

* Trạm vận hành, giám sát loại Desktop (Desktop HIS): thực hiện các chức năng của HIS trên một màn hình cá nhân PC, và có thể sử dụng cùng với bàn phím chuyên dùng loại phím phẳng chống bụi, nước

b) Trạm điều khiển khu vực (FCS)

* FCS cung cấp chức năng điều khiển quá trình, chẳng hạn như điều khiển điều tiết, điều khiển tuần tự và tính toán Có 4 dạng trạm FCS: FCS dạng chuẩn, FCS dạng enchanced, FCS Mirgration và FCS dạng gọn Tùy theo kích thước của ứng dụng mà lựa chọn trạm điều khiển hiện trường cho phù hợp

* Chuẩn FCS có hai loại gồm: KFCS và LFCS

+ KFCS (Standard Type Filed Control Station for FIO) : FCU và Node được kết nối sử dụng loại bus mở rộng nối tiếp ESB (Extended Serial Backboard) hoặc Bus tăng cường ER (Enhanced Remode)

+ LFCS (Standard Type Field Control Station for RIO): FCU và Node được kết nối sử dụng bus vào/ra từ xa (RIO-Remode Input Output)

* Trạm điều khiển APCS (Advanced Process Control Station): là trạm thực hiện việc tính toán điều khiển trong một máy PC thông dụng nhằm mục đích điều khiển quá trình

* Khi dữ liệu của một khối chức năng là đầu vào của khối chức năng trong APCS qua Vnet, APCS thực hiện phép tính toán điều khiển với chu kỳ hằng số, sau

đó đưa ra ở đầu ra kết quả phép tính như là dữ liệu đầu ra khối chức năng của FCS

c) Trạm thiết kế kỹ thuật (ENG)

Trạm ENG là một máy tính PC thông thường có chạy phần mềm thiết kế,ví dụ như: phần mềm lập cấu hình hệ thống hay bảo dưỡng trực tuyến Thông thường ENG và HIS được tổ hợp trên một trạm để thực hiện 2 chức năng

d) Mạng truyền thông

* Vnet: là bus điều khiển thời gian thực 10 Mbps liên kết các trạm FCS, HIS Vnet sử dụng phương pháp điều khiển truy nhập chuyển thẻ bài – token passing và với cấu hình dự phòng kép đảm bảo tính tin cậy cho hệ thống Hai loại cáp chính được sử dụng:

+ Cáp YCB111: để nối các trạm HIS khác Chiều dài lên tới 500m

+ Cáp YCB141: để nối các HIS với nhau Chiều dài lên tới 185m

Cáp YCB111 và YCB141 được nối với nhau qua một bộ chuyển đổi hay bộ lặp bus Khi kết hợp các kiểu cáp này, chiều dài tối đa được tính toán như sau:

5 Chiều dài cáp YCB141 + (chiều dài cáp YCB111) 0,4 185

Khi Vnet được mở rộng, các FCS phân bố quanh nhà máy lớn có thể được theo dõi từ HIS trong phòng điều khiển trung tâm Bộ lặp bus và các cặp bộ lặp quang học có thể được hòa trộn, tổng số có thể tới 4 bộ, để mở rộng Vnet tới 20km

* Ethernet: HIS, ENG và các hệ thống giám sát được kết nối bởi Ethernet LAN, sử dụng giao thức truyền tin TCP/IP Các máy tính giám sát và các máy tính

cá nhân trên Ethernet LAN có thể truy nhập các thông điệp và dữ liệu trend trong hệ thống điều khiển quá trình Ethernet cũng có thể đƣợc sử dụng để truyền các file dữ liệu trend từ HIS tới các máy tính giám sát, để cân bằng hóa cơ sở dữ liệu của HIS

và để lấy ngày trend cho các trạm khác, loại bỏ tải trên Vnet Một hệ thống chỉ với một HIS đơn, với các chức năng thiết kế kỹ thuật đã cài đặt, không cần mạng Ethernet – nhƣng mạng ethernet nói chung là cần thiết với mục đích phát triển hệ thống mở, cho phép hệ thống CENTUM CS3000 có thể kết nối với mạng nội bộ Intranet của công ty

* CGW (Communications Gateway Unit): Cung cấp 1 cổng Ethernet cho các máy tính giám sát và hỗ trợ giao thức TCP/IP, đồng thời sử dụng để kết nối Vnet với một mạng lớn

2.2.3 Gói phần mềm cho hệ Centum CS3000

Phần mềm Centum CS3000 là phần mềm chạy trên máy trạm vận hành/giám sát (HIS) của hệ điều khiển quá trình Centum CS3000 của YOKOGAWA Đây là một gói công cụ phục vụ cho việc giám sát, vận hành (các thông điệp hệ thống, cảnh báo, tình trạng hệ thống, đồ hoạ, các nhóm điều khiển, đồ thị, báo cáo, …) Đồng thời nó cũng hỗ trợ công việc thiết kế (thiết kế điều khiên bằng Control Drawing, thiết kế đồ hoạ bằng Graphic Builder) và mô phỏng (Test Function), ngoài ra còn

có chức năng chạy kiểm tra ảo mà không cần FCS

a) Xây dựng mô hình và cấu trúc điều khiển với Control Drawing Builder

Control Drawing Builder cho phép lập trình bằng các Function Block sẵn có đồng thời cho phép kết nối giữa các file Control Drawing khác nhau, hoặc kết nối giữa giá trị thực từ kết nối vật lý với các khối trong các file Control Drawing Thƣ viện Function Block phục vụ mục đích điều khiển là chính nên có nhiều hạn chế so với Matlab Tuy nhiên, cũng có thể sử dụng một số Function Block để mô hình hóa đối tƣợng

a.1) Cấu trúc Function Block :

bao gồm các thành phần sau:

* Các Input / Output Terminal để trao đổi dữ liệu với các khối, thiết bị bên ngoài

* Các chức năng xử lý Input / Output / Calculating / Alarm Processing

* Các hằng và các biến sử dụng trong việc tính toán xử lý đƣợc gọi chung là

“data item”

Hình 2.3 Cấu trúc Function Block

a.2) Các Function Block cơ bản

* Các Function Block trong thƣ viện của Drawing Builder phân loại theo các nhóm: + Nhóm điều khiển – điều chỉnh

* LAG

LAG là khối quán tính bậc nhất, có thể sử dụng để tạo ra các khâu lọc, hoặc

mô phỏng đặc tính của quá trình

Hình 2.4 Khâu quán tính bậc nhất - LAG

(2.1) trong đó:

: giá trị tính toán đầu vào CPV : giá trị tính toán đầu ra

Ti : first-order lag time (Ti = I – scan period)

I : first-order lag time setpoint, hằng số thời gian

Gain : hệ số khuếch đại

Các tham số: hằng số thời gian I và hệ số khuếch đại I có thể đƣợc đặt trong quá trình chạy Test Function hoặc đặt cố định trong các khối tính toán đa năng CALCU

* INTEG

Hình 2.5 Khâu tích phân INTEG

INTEG là khối tích phân, thực hiện tính toán giá trị tích phân của đầu vào

(2.2)

Hằng số thời gian tích phân (tính bằng giây) có thể thay đổi bằng thông số I trong quá trình chạy kiểm tra thử (Test Function) hoặc đặt cố định trong các khối tính toán đa năng CALCU

* PID

Khối điều khiển PID thực hiện hầu hết các chức năng điều khiển, thông qua các tác động điều khiển: tỉ lệ, tích phân, vi phân dựa trên sai lệch giữa biến quá trình đƣa về (PV) so với giá trị đặt (SV)

(2.3) trong đó:

: thay đổi giá trị điều khiển : sai lệch giữa biến quá trình và giá trị đặt

PV : giá trị đo từ quá trình

: giá trị thay đổi của sai lệch : chu kì điều khiển

Hình 2.6 Khối PID

* Khâu tính toán CALCU

Hình 2.7 Khâu CALCU

Khối tính toán đa năng CALCU cho phép viết các câu lệnh lập trình tính toán cũng như gán giá trị cho các thông số của các Function Block khác sử dụng ngôn ngữ lập trình Vusual Basic CALCU cũng có các hàm và các cấu trúc điều khiển cho phép thực hiện các tính toán số học và logic rất hiệu quả

b) Xây dựng mô hình giao diện của Graphic Builder

Graphic Builder có các chức năng chuyên dụng phục phụ thiết kế các cửa sổ Graphic Windows

2.3 Hệ thống điều khiển dây chuyền sản xuất axit sunfuric

2.3.1 Cấu hình hệ điều khiển

2.3.1.1 Hệ máy tính

* Để điều khiển và giám sát toàn bộ quá trình sản xuất axit sunfuric, nhà máy dùng hai máy tính Chức năng cụ thể của chúng: hiển thị các số liệu của hệ thống, giao tiếp với người vận hành để thực hiện chức năng điều hành, quản lý hệ thống Các số liệu thu thập được lưu giữ tại trạm vận hành Chức năng trạm thiết kế kỹ thuật: thiết kế định nghĩa cấu hình mọi thiết bị kết nối trong hệ thống