Nghiên cứu hệ thống điều khiển hòm phun bột

a chương trình, tìm lỗi, bảo dưỡng…tại cấp này có gắn máy in để có thể in báo cáo cá sự kiện và đặc biệt để xây dựng tài liệu tự động. - Băng sao lưu các chương trình ứng dụng trong MasterPiece 200/1. c. Cấp Process Cấp này bao gồm các thiết bị đo lường, các Sensor, các transducer và các cơ câu chấp hành cụ thể như sau: - Hai bộ SmartPlatform SP 700 (6M) để thu thập các số đo cho hai dây chuyền MP1 và MP2. Các số đo là độ ẩm (IR Ray), độ tro (X Ray), độ dày, Grammage (β Ray) được đo online theo kiểu thông minh, và kết nối với cấp Master thông qua đường chuyền kiểu RS232 về MasterAid 215. - Hai bộ chấp hành SmartProfilers để điều khiển thêm bớt độ mở của môi phun bột xeo giấy. - Bộ Remote I/O để nối với thiết bị điều khiển motor. - Các transduce, các vị trí của khóa chuyển mạch cho chế độ Local/Remote, các cơ cấu chấp hành để mở van hơi, van bột và van caolanh… 2.4. Cấu hình mạng hệ thống QCS - AccuRay 1190 tại Tổng Công Ty Giấy Bãi Bằng Thực tế tại Tổng Công Ty Giấy Bãi Bằng dùng một mạng truyền tin đồng bộ MasterBus 300 để kết nối cấp Operator và cấp Master. Ở đây hệ cũng có cấu trúc như một hệ thống điều khiển phân tán DCS nhằm điều khiển chất lượng giấy thành phẩm. Hệ bao gồm các thành phần như: SmartPlat Form (SPF), SmartWeight Profiler (SWP), trạm MasterPiece và trạm Operatorr Station (OS).Cấu hình mạng như sau: Hình 2.8. Cấu hình mạng hệ thống QCS kiểu AccuRay 1190 tại Bãi Bằng 2.4.1. SmartPlat Form (SPF) SmartPlat Form có chức năng thu thập số liệu của các đầu đo, tình trạng và các thông số làm việc của các đầu đo, gia công số liệu thu thập được theo một chuẩn dữ liệu đã truyền về MasterPiece, đồng thời nhận tín hiệu điều khiển từ cấp cao hơn. SmartPlat Form bao gồm 1 GARAGE được bố trí cắt ngang hướng giấy chạy. Hệ thống QCS hiện tại của Bãi Bằng bao gồm 4 đầu đo chính (đo định lượng, đo độ tro, đo độ ẩm và đo độ dày) của tờ giấy, nhằm giám sát và điều khiển các thông số cơ bản đó của tờ giấy. Riêng độ dày thì hệ thống chỉ đo và giám sát chứ không điều khiển. Hệ thống các đầu đo được bố trí thành hai khối thu và phát liên tục quét ngang tờ giấy để thu thập các thông số như đã trình bày ở trên. 2.4.2. SmartWeight Profiler (SWP) SmartWeight Profiler là hệ thống chấp hành đặc biệt dùng để điều khiển định lượng trung bình theo từng điểm xác định theo chiều ngang của tờ giấy bằng cách dịch chuyển các Actuator tác động lên những điểm xác định trên môi phun, làm khe hở từng điểm trên môi phun thay đổi dẫn đển sự thay đổi định lượng trên từng điểm của tờ giấy. 2.4.3. Trạm MasterPiece Hệ thống có hai trạm Master 200/1 kiểu AccuRay 1190 dành cho hai máy có địa chỉ là 11.11 và 11.12 có chức năng là một trạm chủ điều khiển trung tâm với các chức năng bao gồm: - Xử lý thông tin từ các cổng (số hoặc thứ tự) theo một chương trình lập sẵn - Thu thập và xử lý số liệu từ các terminal bên dưới nhưu SPF, SWP, nhận lệnh và truyền số liệu từ các OS và từ các OS có thể điều khiển các trạng thái làm việc của các SPF,SWP thông qua điều khiển của MasterPiece tới các terminal này. 2.4.4. Trạm Operator Station (OS) Hệ thống có hai trạm vận hành (OS) được mặc định điều khiển riêng cho từng máy xeo.Tuy nhiên hệ thống có cấu trúc phân tán do đó hai trạm vận hành có thể điều khiển thay thế lẫn nhau, khi có sự cố hoặc khi phục vụ cho một mục đích nào đó. Địa chỉ của hai trạm lần lượt là 11.21 và 11.22. Trạm có các chức năng chính như sau: - Cung cấp các dịch vụ để giúp người vận hành giao tiếp với hệ thống. - Hệ điều hành HP – UNIX được cài đặt trên trạm có nhiệm vụ cung cấp các dịch vụ quản lý các user, các tác vụ chuột bàn phím… đồng thời quản lý các tài nguyên của hệ thống như bộ nhớ, thời gian CPU… và cung cấp một số các thư viện cho chương trình ứng dụng. - Phần chương trình ứng dụng được cài đặt trên trạm của hãng ABB AdvanBuil có các công cụ chuyên môn hóa phục vụ giám sát và điều khiển chất lượng giấy. - Hệ thống phần chương trình phục vụ cho hai nhóm điều khiển chính là: Một là điều khiển CD (Cross Machine Direction) bao gồm các vòng điều khiển dọc theo dây chuyền như điều khiển định lượng, điều khiển độ tro và điều khiển độ ẩm. Hai là điều khiển CD gồm vòng điều khiển có mục đích ổn định định lượng theo chiều ngang. Ngoài ra chương trình còn cung cấp một số tiện ích khác như giám sát tình trạng hệ thống, các tình trạng làm việc của các trạm… 2.4.5. MasterBus 300 MaserBus 300 là bus truyền tin đồng bộ nối tiếp của những hệ thống đòi hỏi tốc độ truyền cao, tốc độ lớn nhất có thể đạt đến là 10Mbps. MasterBus cho phép nối vào nhiều nodes. MasterPiece 200/1 có thể tới 44 nodes. Thông tin có thể phát từ thiết bị phát sau khi đã kiểm tra đường bus không bị thiết bị khác chiếm. CHƯƠNG 3 HÒM PHUN BỘT Như đã phân tích trong chương 1 công nghệ sản xuất giấy bao gồm 2 công đoạn chính đó là công đoạn sản xuất bột và công đoạn xeo giấy. - Công đoạn sản xuất bột gồm có: + Công đoạn xử lý nguyên liệu + Công đoạn nấu bột + Công đoạn rửa sàng + Công đoạn tẩy trắng bột - Công đoạn xeo giấy gồm có: + Hòm phun bột + Bộ phận hình thành + Bộ phận ép + Bộ phận sấy + Bộ phận ép quang + Bộ phận cuốn và máy cắt cuộn lại Qua đây ta thấy được hòm phun bột có vị trí rất đặc biệt trong công nghệ sản xuất giấy: hòm phun bột nằm vị trí đầu tiên trong công đoạn xeo giấy, nói cách khác thì hòm phun bột chính là nơi chuyển giao từ bột giấy để hình thành lên tờ giấy. Vì vậy, có thể nói rằng: hòm phun bột có vai trò hết sức quan trọng đến việc hình thành và chất lượng của giấy. 3.1. Vai trò của hòm phun bột Trong một nhà máy giấy thì phân xưởng xeo đóng vai trò quan trọng hơn cả, chức năng chính của nó là sản xuất ra các cuộn giấy thành phẩm từ bột giấy. Trong đó khâu phun bột là một thành phần có ảnh hưởng nhiều tới sự hình thành và chất lượng của tờ giấy. Nhiệm vụ chính của hòm phun bột là cung cấp một lưu lượng bột không đổi có tốc độ ổn định theo cả chiều ngang và chiều rộng của máy và thời gian để đảm bảo tờ giấy được 2 trong số các chỉ tiêu chất lượng của tờ giấy là định lượng và chỉ số kéo trung bình hai hướng. + Định lượng giấy được định nghĩa bằng khối lượng bột giấy với diện tích một đơn vị diện tích chuẩn. Nó được đo bằng thương số giữa khối lượng bột giấy trên một đơn vị đo diện tích. Thường lấy đơn vị là g/m². BW = m/A (3-1) Trong đó: BW là định lượng g/m² m là khối lượng đo tính được của bột giấy tính bằng gam A là diện tích bột giấy tính bằng m² Theo tiêu chuẩn quy định của Việt Nam ta có tiêu chuẩn định lượng: - Định lượng chuẩn: 40; 58; 60; 70; 80 (g/m²) - Sai số cho phép: 40 ÷ 60 ±1; 60 ÷ 70 ± 1; 70 ÷ 120 ± 2 (g/m²) - Độ đồng đều giấy theo chiều dọc ảnh hưởng bởi sự đồng bộ của tốc độ phun và tốc độ lưới quyết định bởi độ chênh áp trong hòm phun. Áp suất tính theo mét cột nước: J/W = 60.2g.PmV (3-2) Áp suất tính theo áp suất tuyệt đối: J/W = 84.82.PKPaV (3-3) Trong đó: THm là giá trị đo áp suất tính theo mH2O THKPa là giá trị đo áp suất tính theo KPa V là tốc độ lưới (m) g là gia tốc trọng trường (m/s2) - Độ đồng đều theo chiều ngang ảnh hưởng bởi lưu lượng môi phun. Lượng bột phun lên lưới phải như nhau suốt chiều rộng của môi phun. Định lượng giấy thay đổi nhờ khe hở của môi phun: độ mở môi phun được điều khiển chính xác bằng 42 động cơ servo. + Độ bền của giấy: độ bền của các mẫu giấy được so sánh với nhau ở một khoảng giá trị đặc trưng của độ thoát nước. Độ bền này không phụ thuộc vào đặc tính của từng sợi mà phụ thuộc vào khả năng liên kết của các sợi này. Độ bền của giấy không được sử dụng để đánh giá cho từng sợi riêng lẻ mà cho tờ giấy được hình thành với sự sắp xếp ngẫu nhiên của xơ sợi. Hai đặc tính quan trọng nhất để đánh giá độ bền xơ sợi là độ bền kéo và độ bền xé.để đảm bảo được tiêu chuẩn này thì đòi hòi rằng các sợi giấy khi phun lên lưới phải được đan xen lẫn nhau. Để đạt được điều đó thì dòng bột không được xoáy và mức độ dòng xáo trộn phải cao đảm bảo các sợi giấy được tách biệt không vón cục và được duỗi thẳng ra khi phun lên lưới, đan xen với các sợi giấy khác để tờ giấy hình thành ra với chất lượng tốt nhất. Độ bền kéo chủ yếu thể hiện khả năng liên kết của xơ sợi và độ bền của bản thân xơ sợi. - Độ bền kéo là lực kéo tối đa trên một đơn vị chiều rộng (kN/m) Do lực kéo tối đa phụ thuộc vào định lượng và chiều rộng của băng giấy nên độ bền kéo tính được dựa vào 2 thông số đó như sau: = (3-4) Trong đó: F là lực kéo tối đa (KN) BW là định lượng giấy (g/m2) W là chiều rộng băng giấy (m) - Độ chịu bục được đo bằng áp lực không khí đặt lên diện tích một mẫu giấy có kích thước tiêu chuẩn đến khi tờ giấy bị thủng. Đơn vị của độ chịu bục là kPa.m2/g 3.2. Cấu tạo của hòm phun bột Các thành phần chính của hòm phun bột: + Ống tỏa: phân phối đồng đều áp lực lên chiều ngang của hòm bột. + Buồng trộn, bộ phân phối và van tiết lưu. + Khoang trống giúp dòng bột chảy đều + Bộ chảy rối theo nguyên lý phân tán nhỏ tạo ra chế độ vi chảy rối. + Môi phun có hoặc không có thanh mỏng (tuỳ vào chất lượng sản phẩm) để khi tăng lưu lượng bột và vận tốc phun mà không tạo ra sự chảy rối mạnh. Hình 3.1. Các thành phần của hòm phun bột Dòng bột từ ống phân phối chính và dòng nước pha loãng gặp nhau từng điểm nhỏ tại buồng trộn. Một van điều tiết tại buồng pha loãng này bảo đảm chính xác tỉ lệ pha loãng để có nồng độ bột trung bình tại mỗi điểm là đồng đều. Hình 3.2. Hệ thống pha loãng bột Trước khi huyền phù đi vào vùng chảy rối, sự xáo trộn tự do của dòng bột được giảm trong khoang trống của hòm bột. Nhiệm vụ chính để tạo ra cấu trúc tờ giấy đồng đều là dòng phun bột phải tự do, không có sự chảy rối quá lớn và đảm bảo một mức độ chảy rối nhỏ thích hợp. Quá trình này bắt đầu tại đầu vào của vùng chảy rối và khi bột ra khỏi môi phun. Bộ chảy rối có thể nói là bộ phận quan trọng nhất của hòm phun bột, vì nó có liên quan đến sự phân phối dòng bột đồng đều dọc theo chiều ngang, tạo ra dòng chảy rối có thể điều khiển và tối ưu được, sử dụng nguyên lý thuỷ lực của sự phân tán theo bậc để phá vỡ sự kết tụ xơ sợi trong huyền phù bột. Trong lòng của vùng chảy rối có đầu vào được thiết kế hình tròn và đầu ra là hình vuông. Hình 3.3. Bộ phận tạo chảy rối với các thanh mỏng Để tránh sự chảy rối mạnh và mong muốn chảy rối vi mô ta lắp các thanh mỏng bên trong lỗ phun bột. Nếu không có các thanh mỏng này, sự chảy rối lớn ở dòng bột phun ra sẽ ảnh hưởng đến độ hình thành, nó tạo ra cho tờ giấy các sọc khác nhau Các sọc này tạo ra bởi sự định hướng không đều xơ sợi cục bộ trên bề mặt của tờ giấy. Sự va chạm giữa các dòng bột vận tốc khác nhau tạo trong hệ thống chảy rối đơn (không có thanh mỏng) tạo nên sự không ổn định về định hướng 3 chiều của xơ sợi, dẫn đến sự chảy xoáy trong môi phun bột. Sự chảy xoáy tạo ra bởi dòng bột không ổn định, do đó tạo ra chảy rối mạnh trong dòng bột ra, dẫn đến đóm sọc trên tờ giấy. Đặc tính dòng bột trên trong môi phun với không có thanh mỏng được cho thấy trong hình 3.4 cho thấy tác hại của dòng bột chảy xoáy trong môi phun. Hình 3.4. Dòng chảy khi không có thanh mỏng Điều kiện trước tiên cho một tờ giấy đẹp là dòng bột lên lưới lý tưởng, không có sự chảy rối mạnh và dòng bột lên lưới được kiểm soát với chế độ vi chảy rối. Các thanh mỏng có chiều dài khác nhau (từ 60% đến gần 90% chiều dài môi phun) được nằm trong mỗi dãy của bộ chảy rối. Bởi vì vị trí đặc biệt này, các thanh mỏng được tự nằm giữa trong môi phun nhờ vào dòng bột chuyển động. Hình 3.5. Các thanh mỏng đặt trong môi phun bột Lắp đặt các thanh mỏng giữa mỗi hàng của bộ chảy rối sẽ giảm được dòng bột chuyển động tự do trong môi phun. Do đó loại trừ hiện tượng chảy xoáy bên trong môi phun và cho ra dòng bột ổn định với sự chảy rối vi mô tốt nhất. Hình 3.6. Dòng chảy trong môi phun với các thanh mỏng Kết hợp thanh mỏng dài với chiều dài gần 99% chiều dài môi phun và thanh mỏng ngắn với chiều dài xắp xỉ 60% chiều dài môi phun cho ra chât lượng dòng bột phun ra tốt nhất, cho sự tạo hình tờ giấy tốt nhất với không có hiện tượng chảy rối mạnh và tạo sự chảy rối nhỏ cần thiết và tối ưu nhất. 3.3. Đặc tính kĩ thuật và nguyên lý hoạt động của hòm phun bột 3.3.1.Đặc tính kĩ thuật Hòm bột là loại thủy lực có cửa vào phía bên, phần đáy của tấm môi có thể được xoay để điều chỉnh độ mở tấm môi. Môi trên có khả năng linh động và có thể được điều chỉnh cục bộ. Hòm bột được đỡ trên giá mà nó có thể xoay quanh một trục hãm ở phía sau thân. Thiết kế này nhằm giải pháp giản đơn là tạo một tốc độ phun của tấm môi phù hợp với trục hình thành để tờ giấy được hình thành tốt nhất. Hòm bột được hiệu chỉnh nhiệt độ do sức nóng lạnh không đồng đều ở phía trong và phía ngoài và độ xoay được hạn chế về sự ảnh hưởng, tính đồng nhất của mặt nghiêng định lượng. Tuy nhiên, nếu vẫn xuất hiện sự chênh lệch mặt nghiêng định lượng thì nó dễ dàng được hạn chế bằng máy MICRO ở phía sau. Máy điều chỉnh này được nối với cánh tay đòn đã hãm với tấm môi phía trên có khả năng di động và như vậy có thể được sử dụng thay đổi cục bộ độ mở tấm môi. Môi phun của hòm phun bột có thể mở dễ dàng để kiểm tra và vệ sinh Hòm bột được thiết kế theo thông số kĩ thuật sau: Chiều rộng thoát ra 4170 mm Lưu lượng dòng chảy cực đại 0,625 m3/s Lưu lượng dòng chảy tối thiểu 0,167 m3/s Phạm vi dòng chảy cho tấm đục lỗ: Dòng chảy cực đại 0, 51 m3/s Dòng chảy tối thiểu 0, 255 m3/s Lưu lượng tuần hoàn 10% tỉ lệ lưu lượng Tốc độ thiết kế 10m/s Khi vận hành: Độ mở tấm môi cực tiểu 5mm Độ mở tấm môi cực đại 20mm Khi kiểm tra vệ sinh: Độ mở tấm môi cực đại 105 mm 3.3.2 Nguyên lý hoạt động Hòm bột được nối với tuyến nguyên liệu bằng một ống tỏa. Ống tỏa đặt vuông góc với hướng máy, diện tích mặt cắt ngang được chế tạo nhỏ dần theo chiều ngang máy để giảm sự tổn thất ma sát. Ống tỏa được thiết kế cho một dòng tuần hoàn khoảng 10% lưu lượng. Từ ống tỏa dòng bột chảy qua tấm chất dẻo đục lỗ đủ tạo ra sự phân phối dòng chảy theo chiều rộng cửa thoát ra mặt khác tấm môi đục lỗ này được thiết kế để ngăn ngừa dòng chảy xoáy và vón cục. Sau đó dòng chảy được giảm tốc và đổi hướng một góc vuông. Như vậy có sự thay đổi lớn của dòng bột là từ năng lượng động năng sang năng lượng tĩnh năng. Ngay sau đó dòng bột được cân bằng và ổn định bởi gia tốc ở tấm môi. Đường biên tấm môi được hình thành bởi tấm nâng và tấm đáy nhằm tạo ra được khu vực có gia tốc cân bằng tốt nhất, tính ổn định cao và các tính chất không tạo bông tốt. Giả sử nồng độ bột giấy không đổi trong lưu lượng đến hòm phun bột thì sự khác biệt giữa tốc độ tia phun và tốc độ lưới là hệ số quan trọng nhất cho đặc tính chất lượng của bề dày giấy. Tốc độ lưới không đổi có thể được duy trì chính xác và do đó sự khác biệt giữa tốc độ tia phun và tốc độ lưới phụ thuộc hoàn toàn vào tổng áp lực trong hòm phun bột. Vậy mục đích là ta phải điều khiển tổng áp lực trong hòm phun bột. Phương pháp điều khiển dựa trên việc sử dụng bơm hỗn hợp (điều chỉnh dòng điện, điện áp) phải thiết lập nhanh và chính xác để bù cho sai lệch trong áp lực và lưu lượng giấy. CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HÒM PHUN BỘT Như đã trình bày ở trên định lượng của tờ giấy là một trong những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng của tờ giấy. Với mỗi một loại giấy khác nhau ta có một chỉ tiêu định lượng khác nhau để phù hợp với giá trị sử dụng và giá thành sản xuất ra tờ giấy. Do đó khi sản xuất mỗi loại giấy khác nhau ta đều có một giá trị định lượng đặt cụ thể. Để thay đổi giá trị định lượng đặt cũng như để đảm bảo cho giá trị đó được ổn định trong suốt quá trình sản xuất thì ta điều khiển các yếu tố của hòm phun bột. Cấu trúc điều khiển của hòm phun bột : Theo sơ đồ P&ID của hòm phun bột được sử dụng tại nhà máy giấy Bãi Bằng thì các yếu tố điều khiển cùa hòm phun bao gồm : - Điều khiển hệ thống cấp bột cho hòm phun - Điều khiển hệ thống tạo áp suất trong hòm phun - Điều khiển hệ thống nước nóng giữ nhiệt cho môi phun Để điều khiển các quá trình này ta đi phân tích đưa ra cấu trúc điều khiển cho từng hệ thống. Cấu trúc điều khiển thể hiện quan hệ về mặt cấu trúc giữa các biến chủ đạo (giá trị đặt), biến đo và biến điều khiển thông qua các bộ điều khiển và các phần tử cấu hình hệ thống khác như các khâu tính toán, bù trễ… Các cấu trúc điều khiển cơ sở thường được sử dụng là: + Điều khiển truyền thẳng + Điều khiển phản hồi + Điều khiển tầng + Điều khiển tỷ lệ + Điều khiển phản hồi kết hợp truyền thẳng + Điều khiển tỷ lệ kết hợp phản hồi +…. Ở đây ta chọn điều khiển phản hồi là sách lược cơ bản nhất. Điều khiển phản hồi dựa trên nguyên tắc liên tục đo hoặc quan sát giá trị biến được điều khiển và phản hồi thông tin về bộ điều khiển tính toán lại giá của biến điều khiển. Hình 4.1. Hệ thống điều khiển hòm phun bột 4.1. Phân tích hệ thống bơm cấp bột cho hòm phun bột 4.1.1. Yêu cầu công nghệ hệ thống Sử dụng biến tần điều khiển bơm quạt cấp một lưu lượng bột vào hòm phun để đảm bảo yêu cầu lưu lượng bột ra ứng với mỗi định lượng của giấy thành phẩm. Điều kiện trước tiên để cho một tờ giấy đẹp là dòng bột lên lưới phải lý tưởng tức là chất lượng bột phải đảm bảo yêu cầu. Bột trước khi vào hòm phun được đưa qua hệ thống lọc để thu được bột tốt nhất cấp cho hòm phun. 4.1.2. Hoạt động của hệ thống Hình 4.2 mô tả nguyên lý hoạt động của hệ thống cấp bột: Hình 4.2. Hệ thống cấp bột cho hòm phun Bột từ nghiền được bơm lên bể chứa bột stuff box Ch 105 để duy trì cột lưu lượng bột.Sau đó bột được bơm 512 – 1 bơm lên hòm phun.Trước khi bột vào trong hòm phun,bột được lọc bởi hệ thống lọc cát primary cleaner và hệ thống sàng lọc gồm 2 sàng lọc sơ cấp Sc 241,Sc 242 và 1 sàng lọc thứ cấp Sc 243.Bột tốt qua sàng 241 và 242 được đưa lên ống góp hình côn trước khi vào hòm bột.Bột không qua sàng 241 và 242 được bơm 64 Pu 513 bơm qua sàng thứ cấp Sc 243.Ở đây, bột tốt qua sàng hồi lưu trở về dòng bột cùng với nước trắng, CaCO3, keo và chất màu phụ gia hút vào bơm 512-1 tiếp tục quy trình từ đầu.Còn bột không qua được sàng được đưa qua sàng SC244 lọc lại 1 lần nữa trước khi đưa đến bể seal pit ch106.Tại đây bể được chia thành 3 khoang chứa sử dụng biện pháp chảy tràn để loại bỏ bớt bọt rồi được đưa vào bơm 64 pu 512-3 bơm qua lọc cát tertiary cleaner. Bột không qua lọc cát primary cleaner được hút vào bơm 64 Pu 512-2 cùng với nước trắng qua hệ thống lọc cát secondary cleaner.Bột tốt qua được lọc cát hồi lưu trở về dòng bột trước khi vào bơm 64 Pu 512-1.Bột không qua được lọc cát được hút vào bơm 64 Pu 512-3 qua hệ thống lọc cát tertiary cleaner.Bột tốt được hồi lưu quay về dòng bột trước khi vào bơm 64 Pu 512-3.Bột không qua lọc cát hút vào bơm 64 Pu 512-4 qua lọc cát 4th cleaner.Bột tốt được hồi lưu quay về dòng bột trước khi hút vào 64 Pu 512-4.Phần bột không qua được lọc thải ra ngoài . Bột với chất lượng tốt nhất được đưa vào ống góp ngang và ống góp côn trước khi vào hòm phun để đảm bảo 2 yêu cầu sau: - Điều chỉnh dòng chảy rối trong đường ống từ bơm quạt đến sàng lọc trước khi vào hòm bột. - Phân phối mức bột suốt đường ống dẫn,áp suất được đảm bảo cho toàn bộ chiều rộng của máy. Hình 4.3. Ống góp ngang và ống góp côn Để đảm bảo theo thứ tự trên , ta phải chú ý đến thiết kế ống góp ngang và ống góp hình côn.Dòng bột đủ thời gian để điều chỉnh trước khi vào hòm phun , góc nghiêng phù hợp và thể tích tăng dần dần,điểm giữa của dòng bột đi về điểm giữa của hòm phun. Vận tốc của bột trong ống góp côn là: 3.5 m/s (max). Tỉ số giữa vận tốc bột trong ống góp côn U và vận tốc đầu vào đường ống V là: V/U > 3.5 Vân tốc bột tại đầu vào của đường ống là: 12 ± 1 m/s (max) 4.1.3. Cấu tạo của hệ thống Hệ thống cấp bột cho hòm phun bao gồm: + 5 động cơ bơm bột 64 Pu 512-1, 2, 3, 4 và 64 Pu 513 + 4 bình lọc cát + 2 sàng lọc sơ cấp và 1 sàng lọc thứ cấp + Ống góp hình côn + Cảm biến đo mức bột trong hòm phun + Cảm biến đo nhiệt độ bột Hệ thống bơm ở bãi bằng sử dụng bơm quạt dạng bơm ly tâm có sơ đồ kết cấu như hình vẽ: Hình 4.4. Bơm quạt kiểu ly tâm 1-Bánh công tác 2-Trục bơm 3-Bộ phận dẫn hướng vào 4-Bộ phận dẫn hướng ra 5-Ống hút 6-Ống đẩy Trước khi cho bơm làm việc cần phải làm cho thân bơm (trong đó gồm bánh công tác và ống hút) được chứa đầy bột. Khi bơm làm việc,bánh công tác quay các phần tử bột ở trong bánh công tác dưới ảnh hưởng của lực ly tâm bị dồn từ trong ra ngoài chuyển động theo các máng dẫn và đi vào ống đẩy với áp suất cao hơn,đó là quá trình đẩy của bơm.Đồng thời ở lối vào của bánh công tác tạo nên một vùng có áp suất chân không và dưới tác dụng của áp suất bể chứa bột lớn hơn áp suất của lối vào bơm , bột ở bể liên tục bị hút vào bơm theo ống hút,đó là quá trình hút của bơm.Bộ phận dẫn hướng ra có dạng xoắn ốc để dẫn bột từ bánh công tác ra ống đẩy ổn định và còn biến một phần động năng của dòng bột thành áp năng cần thiết. 4.1.4. Đặc tính kĩ thuật của bơm a. Điều khiển lưu lượng của bơm Việc thay đổi lưu lượng bột vào hòm phun được thực hiện thông qua việc thay đổi tốc độ bơm quạt 64 Pu 512-1 được cấp nguồn qua biến tần. Ưu điểm: - Không còn tổn thất năng lượng như kiểu cấp nguồn trực tiếp vào bơm và hoạt động ở chế độ định mức. - Áp suất không đổi với mọi lưu lượng (cảm biến áp suất phản hồi thông số về cho biến tần ). - Với phương pháp điều khiển U/f tốc độ có thể thay đổi 1 cách linh hoạt. - Dòng khởi động được hạn chế sẽ không gây sụt áp khi khởi động sẽ không ảnh hưởng hệ thống. - Quá trình dừng, khởi động máy được mềm hóa nên giảm tổn hại cho động cơ. - Tiết kiệm năng lượng khi tải thay đổi liên tục. - Các chức năng bảo vẹ quá áp, quá nhiệt, ngắn mạch … - Có tính năng làm đầy đường ống : khởi động từ từ với thời gian cài đặt tránh gây thay đổi áp suất đột ngột ảnh hưởng tới hệ thống. - Bơm không phải sinh ra công suất trên trục lớn hơn nhu cầu thực tế để chống lại sức cản trên van như kiểu dùng van tiết lưu. b. Tính toán công suất bơm Công suất của bơm được tính dựa trên 2 thông số lưu lượng và áp suất. Ta có: P = ρ × h × F/k Trong đó: ρ là khối lượng riêng của bột (kg/m3) h là độ cao cột áp cần bơm (m) F là lưu lượng bơm (m3/s) k là tỷ số giữa công suất đầu ra với công suất trên trục của bơm c. Thông số kĩ thuật Hệ thống bơm tại Bãi Bằng có các thông số kĩ thuật sau: Công suất bơm: P512-1=450 Kw P512-2=110 Kw P512-3= 37 Kw P512-4 =15 Kw P513 = 30 Kw Tốc độ động cơ: n = 1460 v/p Lưu lượng bột: F512-1 = 50 m3/min F512-2 = 17 m3/min F512-3 = 5 m3/min F512-4 = 38 m3/min F513 = 5 m3/min Nhiệt độ bột: t = 330C 4.1.5. Tổng lưu lượng bột qua môi phun Hệ thống cấp bột cung cấp lưu lượng đủ cho hòm phun để đảm bảo lưu lượng bột đầu ra môi phun ứng với mỗi định lượng giấy tiêu chuẩn.Ta có công thức tính lưu lượng bột đầu ra môi phun như sau: Nếu ta gọi: Tốc độ lưới hay tốc độ máy là V (m/min) Định lượng giấy là Bw (g/m2) Chiều rộng giấy sau khi cắt lề là W1 (mm) Hiệu suất là (%) Thì ta có sản lượng sản xuất giấy: P1 = V × Bw × W1 × 1.44 × (4-1) Lượng bột cần sử dụng là: P2 = P1 × × × × (1- D) × (4-2) Trong đó: W2 là chiều rộng giấy sau khi cuốn (mm) W3 là chiều rộng giấy khi vào khâu sấy (mm) W4 là chiều rộng môi phun (mm) D là lượng nước (%) Từ (4-1) và (4-2) ta có: P2 = V × Bw × W2 × × (1- D) (4-3) Vì bột phun trên lưới có bộ hút chân không nên lượng bột giữ lại trên lưới thay đổi tùy theo nồng độ bột ứng với từng định lượng giấy thành phẩm. Ta có bảng 3.1 thể hiện giá trị lượng bột giữ lại trên lưới và nồng độ bột ứng với mỗi định lượng chuẩn cụ thể như sau: Bảng 4.1. Nồng độ bột và lượng bột giữ lại trên lưới Định lượng Bw (g/m2) Nồng độ bột C (%) Lượng bột giữ lại trên lưới R (%) 40 0.4 67.5 60 0.47 74.5 80 0.54 79.6 120 0.74 89.2 Vậy ta có tổng lưu lượng bột qua môi thực tế là: F = P2 × × (4-4) Từ (4-3) và (4-4) ta có: F = V × Bw × W2 × × (1- D) × × (4-5) Với D= 5%, W2= 3800 mm, W3= 4000 mm và W4= 4170 mm Ta có bảng 4.2 thể hiện giá trị lượng bột qua môi ứng với mỗi định lượng chuẩn cụ thể như sau: Bảng 4.2. Lưu lượng bột qua môi Định lượng Bw (g/m2) Tốc độ lưới V (m/min) Lượng bột qua môi F (m3/min) 40 800 44.6 60 700 45.14 80 524 36.7 120 349 23.88 Lưu lượng bột chảy ổn định trong môi phun được tính thông qua vận tốc dòng chảy F = ω.A (4-6) Trong đó: ω là tốc độ dòng chảy bột (m3/s) A là diện tích (m2) Mặt khác tốc độ lưới được duy trì chính xác trong suốt quá trình sản xuất giấy ứng với mỗi định lượng chuẩn.Hòm bột được cấp 1 lượng áp suất đủ để tạo chênh lệch áp suất trong hòm phun sao cho tốc độ tia phun bột luôn đồng bộ với tốc độ của lưới (V= ω).Vậy độ mở môi phun theo lý thuyết được tính theo công thức: α0 = (4-7) Ta có bảng 4.3 thể hiện giá trị độ mở môi phun phụ thuộc vào lưu lượng qua môi và tốc độ chạy máy như sau: Bảng 4.3. Độ mở môi Lưu lượng qua môi F (m3/min) Tốc độ chạy máy V (m/min) Chiều rộng môi phun W4 (mm) Độ mở môi α0 (mm) 44.6 800 4170 13.4 45.14 700 4170 15.4 36.7 524 4170 16.8 23.88 349 4170 16.4 Độ mở môi thực tế là α Với hệ số co là k =1 α = (4-8) 4.2. Phân tích hệ thống thổi khí nén áp suất 4.2.1 Yêu cầu công nghệ Định lượng thay đổi phụ thuộc vào 2 yếu tố: + Độ mở môi phun (thay đổi phụ thuộc công nghệ) điều chỉnh bằng mạch vòng động cơ servo. + Áp suất đặt cho hòm phun Vì vậy khi vận hành ta đặt định lượng theo định lượng chuẩn 40, 60, 80, 120 tùy theo đơn đặt hàng.Khi nồng độ bột không đổi, ta đặt một lưu lượng bột qua môi ứng với mỗi định lượng theo yêu cầu sản phẩm. Mục tiêu điều khiển là đảm bảo yêu cầu theo định lượng.Đề đáp ứng yêu cầu lưu lượng bột ra không đổi, ngoài mục đích đáp ứng cấp bột cho hòm phun dùng biến tần điều khiển động cơ bơm quạt (như đã phân tích ở mục 4.1). Quá trình điều khiển mức với mục đích giữ mức bột trong hòm luôn không đổi đảm bảo yêu cầu trên tức là cân bằng lưu lượng bột vào ra hòm phun. Ngoài ra, yêu cầu bột đủ áp lực để phun ra lưới với chiều dài nhất định.Với góc mở môi phun cô định,áp suất nén phải đủ để bột phun ra thành tia đan chéo nhau đồng bộ với tốc độ lưới.Tốc độ lưới không đổi được duy trì chính xác ứng với từng định lượng chuẩn cụ thể.Do đó sự khác biệt giữa tốc độ tia phun và tốc độ bột phụ thuộc hoàn toàn vào tổng áp lực trong hòm phun.Vậy mục đích điều khiển ở đây là điều khiển tổng áp lực trong hòm phun.Sử dụng biến tần điều khiển động cơ nén khí cấp 1 lưu lượng khí nén tạo ra sự chênh áp trong hòm phun để tốc độ phun bột đảm bảo theo yêu cầu công nghệ.Ta gọi chung là quá trình điều khiển áp suất. Vì biến tần điều khiển chậm nên hệ thống lắp đặt thêm 1 van xả áp có tác dụng là van an toàn để tránh gây sự cố quá áp. Hình 4.5. Điều khiển phản hồi hệ thống thổi khí Hình 4.5 minh họa sách lược phản hồi cho quá trình điều khiển lưu lượng ra của bột theo định lượng đặt trước. Bột trong hòm có thể tích V (m3) và khối lượng riêng (kg/m3).Giả thiết bột đồng nhất tại mọi vị trí trong hòm phun. Dòng bột vào hòm có lưu lượng Fi và dòng bột ra có lưu lượng F0. Vì không có sự thay đổi thành phần sản phẩm nên khối lượng riêng bột đầu vào và đầu ra là giống trong hòm phun. Máy nén cấp nguồn bởi biến tần tạo áp suất điều khiển lưu lượng ra F0 bột. Bơm quạt cấp nguồn bởi biến tần cung cấp lưu lượng bột đầu vào Fi. Vậy bài toán điều khiển ở đây là duy trì lưu lượng ra ứng với mỗi định lượng cụ thể của bột với mức bột trong hòm không đổi thông qua việc duy trì áp suất cấp bởi máy nén với độ mở môi không đổi. 4.2.2. Cấu tạo của hệ thống Hệ thống thổi khí gồm: +1 bình chứa bột: đảm bảo cột áp để duy trì hoạt động bình thường cho các máy bơm và máy nén + Bơm quạt + Các thiết bị đo lường giám sát: - LT: đo và truyền giá trị mức - LC: bộ điều khiển mức - PT: đo và truyền giá trị áp suất - DPT: đo và truyền giá trị chênh áp - PC: bộ điều khiển áp suất + Máy nén khí Áp suất tạo ra từ máy nén.ở đó năng lượng cơ học của động cơ điện chuyển thành năng lượng khí nén, nhiệt năng.Nguyên lý làm việc của máy nén khí: - Nguyên lý thay đổi thể tích: không khí được dẫn vào buồng chứa,ở đó thể tích buồng chứa sẽ nhỏ lại nên áp suất buồng chứa tăng lên. - Nguyên lý thay đổi động năng: không khí được dẫn vào buồng chứa, ở đó áp suất khí nén được tạo ra bằng động năng bánh dẫn.Nguyên tắc hoạt động này tạo ra lưu lượng và áp suất rất lớn. Máy nén khí có rất nhiều loại như máy nén kiểu ly tâm, kiểu pít tông, kiểu trục vít, kiểu quay... Ở Bãi Bằng, người ta sử dụng máy nén khí kiểu ly tâm có dạng như hình vẽ: Hình 4.6. Máy nén khí kiểu ly tâm Không khí sẽ được hút vào buồng hút, trong biểu đồ p- V ứng với đoạn d- a. Nhờ roto và stator đặt lệch nhau một khoảng lệch tâm e, nên khi rotor quay sang phải, thì không khí sẽ vào buồng nén, trong biểu đồ p- V tương ứng với đoạn a- b. Sau đó, khí nén sẽ vào buồng đẩy, trong biểu đồ ứng với đoạn b- c. Độ lệch tâm tương đổi: = = (4-9) + Van xả áp (thực chất là van an toàn): có tác dụng giữ cho áp suất không đổi ngay cả khi có sự thay đổi bất thường của tải trọng làm việc hoặc sự dao động của áp suất đầu vào. Trong trường hợp áp suất tăng cao hơn so với áp suất điều chỉnh, khí nén sẽ theo lỗ xả khí ra ngoài đến khi áp suất giảm xuống bằng với áp suất điều chỉnh. 4.2.3. Đặc tính kĩ thuật: Máy nén có thông số kĩ thuật như sau: Lưu lượng khí 3 m3/min Áp suất 100 kPa Tốc độ 1750 v/p Công suất 11Kw AC660 4P 4.3. Phân tích hệ thống giữ nhiệt cho môi phun 4.3.1. Yêu cầu công nghệ Như ta đã phân tích thì bột từ trong hòm được phun lên lưới qua môi phun, để tờ giấy hình thành đồng đều thì lượng bột phải được phun đều như nhau tại mọi điểm trên lưới. Muốn đạt được điều đó đòi hỏi độ mở của môi phun tại mọi điểm suốt theo chiều dài của tấm môi phải đồng nhất như nhau. Với mỗi loại giấy nhất định ta có một giá trị đặt nhất định cho độ mở của môi, và giá trị đó là cố định trong suốt quá trình sản xuất. Tuy nhiên, do tấm môi được làm bằng kim loại mỏng, dễ bị biến dạng do sự thay đổi của nhiệt độ. Do đó để đảm bảo cho tấm môi không bị biến dạng do sự thay đổi của nhiệt độ ta khắc phục bằng cách sử dụng hệ thống bơm nước nóng để giữ nhiệt cho môi. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống : Hình 4.7. Cấu trúc phản hồi cho hệ thống giữ nhiệt môi phun 4.3.2. Cấu tạo hệ thống Hệ thống gồm có : + Bể chứa: thể tích 1.5m³ + Bơm 64 Pu 582 + Thiết bị gia nhiệt: nước trong bể được làm nóng bằng 2 bộ Heater + Van cấp nước bổ sung cho bể do tổn hao nước trong quá trình vận chuyển và trao đổi nhiệt. Quá trình giữ nhiệt cho môi: nước trong bình được làm nóng lên đến 50ºC rồi được bơm đi xả liên tục quanh môi phun để giữ cho nhiệt độ của môi luôn ổn định ở 50ºC. Nước sau khi đã truyền nhiệt cho môi được thu hồi đưa quay trở lại bể. Do quá trình truyền nhiệt đã làm mất nhiệt của nước nên nước đưa trở về bể có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ của nước trong bể, và quá trình này là liên tục nên để nhiệt độ của nước trong bể luôn là 50ºC thì ta phải cung cấp nhiệt vào bể để bù phần nhiệt đã mất đi sau khi truyền cho môi. Và quá trình cần điều khiển ở đây chính là điều khiển nhiệt độ. Nguyên lý điều khiển nhiệt độ được mô tả như hình 4.7. 4.3.3. Thông số kĩ thuật - Bơm 64 Pu 582 có: Công suất là 3.7 Kw Tốc độ 1450 vòng/phút Lưu lượng nước bơm là 0.5m³/phút Áp suất cột áp cần bơm là P = 15mH2O - Nhiệt độ nước trong bể là 50°C - Bộ gia nhiệt bằng điện có công suất 4 Kw 4.4. Mô tả toán học 4.4.1. Quá trình điều khiển mức Hình 4.8 mô tả nguyên lý điều chỉnh mức bột trong hòm phun. Trong đó lưu lượng đầu ra F0 được giữ không đổi. Điều chỉnh giữ mức h của hòm phun bằng cách điều chỉnh tốc độ bơm quạt tức là điều chỉnh lưu lượng bột vào Fi. Hình 4.8. Nguyên lý điều chỉnh mức bột trong hòm Sự biến thiên lưu lượng bột chứa trong hòm phun: = F0 - Fi (4-10) Trong đó: F0 là lưu lượng bột ra Fi là lưu lượng bột vào Như vậy: v = (Fi – F0) dt (4-11) Độ cao tương đối của cột bột: h = (4-12) Trong đó: V là thể tích của hòm phun Chiều cao của cột bột trong hòm là: h = (Fi – F0)dt (4-13) Ta định nghĩa đơn vị tương đối của lưu lượng: = (4-14) = (4-15) F là lưu lượng định mức. Khi đó h được tính: h = (-)dt (4-16) Biểu thức biểu diễn quan hệ đầu ra và đầu vào đối tượng là khâu tích phân trong đó tỷ số = là hằng số thời gian. Mức bột trong bể được thiết bị đo và chuyển đổi LT đưa tới bộ điều khiển mức LC.Dựa vào sai lệch giữa giá trị đặt và giá trị quan sát được, bộ điều khiển đưa tín hiệu điều chỉnh tốc độ bơm quạt điều chỉnh lưu lượng bột vào hòm phun. Qua mục đích điều khiển và tìm hiểu lưu đồ công nghệ ta thấy biến cần điều khiển là giá trị mức h (h liên quan đến vận hành ổn định của hệ thống). Hai biến vào là lưu lượng bột vào và lưu lượng bột ra. Trong đó, lưu lượng bột vào hòm có thể thay đổi dễ dàng nhờ điều khiển bơm quạt, tác động trực tiếp đến mức bột trong hòm.Vậy biến điều khiển ở đây là lưu lượng bột vào Fi, còn lưu lượng bột ra phụ thuộc vào yêu cầu của quá trình tiếp theo (quá trình điều khiển lưu lượng) nên coi là nhiễu. Giả thiết các đường tín hiệu ghép nối thiết bị đo và thiết bị chấp hành với bộ điều khiển là dòng điện (trong trường hợp này chúng mang giá trị dòng điện), ta có thể minh họa lại mô hình hệ thống điều khiển nhiệt độ bằng sơ đồ khối như hình sau: Hình 4.9. Mô hình hệ thống điều khiển mức Ký hiệu: K khâu điều chỉnh Gb hàm truyền đạt của bơm quạt G hàm truyền đạt của quá trình điều khiển mức d nhiễu quá trình (ở đây là lưu lượng bột ra) 4.4.2. Quá trình điều khiển lưu lượng Ta biết mong muốn của sản phẩm thể hiện tốt nhất qua lưu lượng đầu ra. Nhưng việc đo và điều khiển lưu lượng ra không phải bao giờ cũng dễ dàng và nhanh chóng nên thay vì điều khiển trực tiếp lưu lượng bột ra ta có thể điều khiển gián tiếp thông qua đại lượng liên quan tới trạng thái an toàn của hệ thống. Ở đây, ta điều khiển lưu lượng thông qua việc điều khiển áp suất. Điều khiển áp suất chất lỏng cơ bản là điều khiển lưu lượng dòng chảy. Nơi mà áp suất điều khiển hoặc giảm áp có thể thực hiện dựa trên một lực cản thay vì cố định như một khe hở. Hình vẽ 4.9 mô tả sự điều khiển áp suất giữa một động cơ nén khí điều khiển bằng biến tần và lực cản biểu diễn cho tải quá trình. Hình 4.10. Cấu trúc điều khiển áp suất chất lỏng Điều khiển áp suất trong hình 3.6 thay đổi theo cả lưu lượng F và hệ số lực cản CR của đường ống (áp suất tỷ lệ với bình phương lưu lượng). p = p0 (4-17) Áp suất p được giữ không đổi bởi bộ điều khiển .Hệ số cản là hàm của lưu lượng yêu cầu đầu ra của quá trình CR2 = (4-18) Động học quá trình giống như vòng lưu lượng nhưng hệ số khuếch đại khác nhau. Hệ số khuếch đại quá trình trong mạch vòng điều khiển áp suất được tính đạo hàm hai vế: Kp = == (4-19) Vì vậy, hệ số khuếch đại quá trình tỉ lệ nghịch với lưu lượng. Đặc tính dòng chảy(lưu lượng) của van là quan hệ giữa lưu lượng F qua van và độ mở van khi độ mở này thay đổi từ 0 đến 100%. Coi khe hở môi phun như van, không đổi ứng với mỗi định lượng cụ thể.Ta có lưu lượng bột qua van được tính theo công thức: F = Cv (4-20) Trong đó: F là lưu lượng thể tích bột qua van (gal/phút, 1gal = 0.003785m3) là chênh áp suất tại đầu ra bột Cv là hệ số cỡ van gs là trọng lượng riêng của chất lỏng là phần lưu lượng ở độ mở van so với lưu lượng tối đa Trong trường hợp sụt áp trên van là không đổi độ mở van tăng lên cùng một lượng thì lưu lượng qua van tăng lên với một tỉ lệ phần trăm bằng nhau so với giá trị hiện tại.= mα-1 với m là dải điều chỉnh của van có giá trị 20÷50.Thông thường lấy m = 50. Phương trình cân bằng áp suất: Pk+h = P (4-21) Trong đó: P là áp suất tại đầu ra môi phun h là mức bột trong hòm Pk là áp suất tạo ra bởi máy nén khí Mà mức bột trong hòm được giữ không đổi bởi quá trình mức nên để điều khiển áp suất tại đầu ra ta điều khiển Pk cấp bởi máy nén. Áp suất là thông số dễ điều khiển phản ánh lưu lượng vào và lưu lượng ra Ở trạng thái lý tưởng ta có định luật: p.V=NKT (4-22) Trong đó: ` P là áp suất V là thể tích N là thành phần của môi chất T là nhiệt độ tuyệt đối K là hệ sô khí Sự thay đổi áp suất trong điều kiện thể tích không đổi có quan hệ với sự thay đổi thành phần của môi chất. = (4-23) Khi K và T không đổi thì sự biến thiên thành phần mol của môi chất tỷ lệ với hiệu lượng vào ra của môi chất = (-)dt (4-24) Trong đó: F là lưu lượng mol định mức và là lưu lượng vào và ra của môi chất trong đơn vị tương đối Hay p = (4-25) Biểu thức biển diễn quan hệ đầu vào và đầu ra đối tượng là khâu tích phân, trong đó: V/F = là hằng số thời gian Chênh áp tại đầu ra của dòng bột được thiết bị đo và chuyển đổi DPT đưa tới bộ điều khiển áp suất PC với độ mở môi cố định.Dựa vào giá trị chênh áp đo được, bộ điều khiển đưa tín hiệu điều chỉnh lưu lượng khí vào hòm hay điều chỉnh lại áp suất Pk. Từ sơ đồ công nghệ ta thấy biến duy nhất cần điều khiển là lưu lượng bột ra. Các biến vào được xác định là h, Pk. Trong đó, h phụ thuộc yêu cầu quá trình sau nên coi là nhiễu. Vậy biến điều khiển là Pk.. Giả thiết các đường tín hiệu ghép nối thiết bị đo và thiết bị chấp hành với bộ điều khiển là dòng điện (trong trường hợp này chúng mang giá trị dòng điện với đơn vị là mA), ta có thể minh họa lại mô hình hệ thống điều khiển lưu lượng thông qua việc điều khiển áp suất bằng sơ đồ khối như hình sau: Hình 4.11. Mô hình hệ thống điều khiển lưu lượng Ký hiệu: K khâu điều chỉnh Gk khâu chuyển tín hiệu đo Gb hàm truyền đạt của máy nén khí Gv hàm truyền đạt của van G hàm truyền đạt của quá trình điều khiển áp suất d nhiễu quá trình (ở đây là mức bột trong hòm h) 4.4.3. Quá trình điều khiển nhiệt độ Với mỗi một quá trình điều khiển thì khi tính toán cài đặt bộ điều khiển thì phải biết được đối tượng điều khiển về mặt vật lý thông qua mô hình toán học của nó. Vì vậy trong phần này ta sẽ giải thích hoạt động của quá trình gia nhiệt dựa trên các định luật cân bằng về khối lượng và cân bằng về năng lượng. Ở đây sẽ đưa ra được mô hình dựa trên bản chất vật lý, nó là mô hình phi tuyến dựa trên các biểu thức toán học đại số sau đó tuyến tính hóa để đưa ra dạng chuẩn điều khiển. Cuối cùng là xây dựng cấu trúc điều khiển. Để thành lập được mô hình động học của hệ thống gia nhiệt ta dựa trên quá trình trao đổi nhiệt từ điện trở của bộ gia nhiệt và nước trong bình cũng như quá trình trao đổi nhiệt của nước trong bình và nước đưa vào bể, với các biến quá trình như sau : Fi là lưu lượng của nước đưa vào bể (m³/min) F0 là lưu lượng của nước dẫn đi (m³/min) Ti là nhiệt độ của nước đưa vào bể T0 là nhiệt độ của nước dẫn đi (0C) Te là nhiệt độ của phần vỏ điện trở (0C) V là thể tích của bể chứa (m³) ρ là khối lượng riêng của nước (kg/m³) Q là công suất phát nhiệt của bộ gia nhiệt (kcal/s) m là khối lượng của nước (kg) me là khối lượng của phần điện trở (kg) C là nhiệt dung riêng của nước (kcal/kg. 0C) Ce là nhiệt dung riêng của vỏ điện trở (kcal/kg. 0C) Kt là hệ số truyền nhiệt A là diện tích truyền nhiệt (m²) - Theo định luật cân bằng về khối lượng ta có: ddt(ρ.V) = Fi- F0 (4-26) Do xét với quá trình có Fi = F0 = F V = const Hay nói cách khác trong quá trình không có sự thay đổi về mặt khối lượng. - Theo định luật bảo toàn năng lượng ta có: Sự biến thiên nội năng = Tổng dòng năng lượng đưa vào - Tổng dòng năng lượng dẫn ra + Tổng công suất nhiệt hấp thụ - Công suất tiêu hao ra bên ngoài Xét với quá trình trao đổi nhiệt ở đây ta có 2 quá trình trao đổi nhiệt: truyền từ năng lượng Q cho phần vỏ chứa điện trở, truyền nhiệt từ lớp vỏ sang dung dịch, được miêu tả qua biểu thức (4-27) và (4-28): me.ce.dTdt = Q – Kt.A. (Te – T) (4-27) m.c.dTdt = Kt.A.(Te – T) + F.c.(Ti – T) (4-28) Trong đó: me, ce, m, c là khối lượng, nhiệt dung riêng của phần điện và dung dịch. Te là nhiệt độ của phần từ vỏ điện trở Kt.A là hệ số truyền nhiệt và diện tích truyền nhiệt Giải kết hợp (4-27) và (4-28) ta được: mF . me.ceKt.A . d2Tdt+ me.ceKt.A+ me.ceFc+ mF . dTdt + T = me.ceKt.A . dTedt+Ti + QFc (4-29) Biểu thức (4-29) cho thấy ta có mô hình quá trình là bậc 2. Trong đó đại lượng cần điều khiển T, biến điều khiển là Q, nhiễu quá trình là Ti, các thông số quá trình F, c, mece, m, Kt.A được coi là không đổi, mece « mc vì vậy gần đúng có thể coi mece = 0. Biểu thức (4-29) có thể rút gọn thành: mF . dTdt + T = Ti + qFc (4-30) hay mF . dTdt = (Ti – T) + qFc (4-31) Độ biến thiên nhiệt độ của dòng ra là một hàm phụ thuộc vào công suất phát nhiệt Q, nhiệt độ dòng vào Ti và nhiệt độ dòng ra T. Tại điểm làm việc đạo hàm của T = 0 0 = f(Q, Ti , T) = Fm . (Ti - T) + Qmc (4-32) Áp dụng phép khai triển Taylor bậc nhất cho f(Q, Ti, T) tại điểm làm việc ta có: f(Q, Ti, T) ≈ f(Q, Ti , T) + ∂f∂Q ∆Q+ ∂f∂Ti . ∆Ti+∂f∂T∆T Q, Ti , T = ∆Qmc ( Ti – T0) - Fm . ∆T + Fm . ∆Ti (4-33) Nhiệt độ của nước trong bể được thiết bị đo và chuyển đổi TT đưa tới bộ điều khiển TC. Dựa vào sai lệch giá trị nhiệt độ đo được và giá trị đặt, bộ điều khiển đưa ra tín hiệu điều chỉnh heater gia nhiệt, qua đó điều chỉnh lại nhiệt độ nước trong bể. Nước được gia nhiệt đạt nhiệt độ yêu cầu đưa đi giữ môi phun rồi quay về bể. Đây là quá trình tuần hoàn khép kín. Mức nước trong bể được thiết bị đo và chuyển đổi LT đưa tới bộ điều khiển LC. Bộ điều khiển đưa tín hiệu điều chỉnh van cấp nước bổ sung đảm bảo an toàn hệ thống. Ở đây ta coi không có tốn thất lưu lượng trong quá trình nước dẫn đi và hồi lưu về bể.Vậy bài toán điều khiển ở đây chỉ là điều khiển nhiệt độ trong bể Ta thấy biến duy nhất cần điều khiển là nhiệt độ nước được bơm dẫn đi giữ nhiệt môi phun. Hai biến vào là nhiệt độ nước hồi lưu về bể và công suất phất nhiệt. Trong đó, công suất phát nhiệt là biến điều khiển vì nó có thể tác động dễ dàng làm thay đổi nhiệt độ nước trong bể. Nhiệt độ của nước hồi lưu về bể coi là nhiễu quá trình. Coi (chênh lệch) nhiệt độ dòng ra là biến cần điều khiển, (chênh lệch) nhiệt độ dòng vào là nhiễu và ( chênh lệch) công suất phát nhiệt là biến điều khiển, Với hệ thống điều khiển nhiệt độ ở trên, dòng chất lỏng có lưu lượng là F và nhiệt độ là T được dẫn đi để truyền nhiệt cho môi phun. Sau khi truyền nhiệt dòng chất lỏng được đưa trở lại bể với lưu lượng là F và nhiệt độ là Ti. Do Ti < T nên muốn nhiệt độ trong bể ổn định giữ giá trị T ta phải gia nhiệt cho bể. Sách lược điều khiển phản hồi thuần túy được sử dụng ở đây. Dựa vào sai lệch giữa giá trị đặt và nhiệt độ ra quan sát được, bộ điều khiển đưa ra tín hiệu điều khiển để điều khiển thiết bị gia nhiệt, qua đó thay đổi công suất nhiệt cấp cho bình và điều chỉnh nhiệt độ ra. Một điều dễ nhận thấy là, để đưa ra được sách lược điều khiển phản hồi như trên ta không cần mô hình chi tiết của quá trình lại càng không cần biết đặc tính van điều khiển và của thiết bị đo. Cụ thể ở đây ta chỉ cần viết phương trình cân bằng nhiệt lượng là đủ phân tích ảnh hưởng của F, Ti, Q tới T. tuy nhiên để có thể thiết kế bộ điều khiển phản hồi ta cần mô hình phản ánh khá chính xác quan hệ giữa tín hiệu điều khiển và tín hiệu đo, có nghĩa là bao gồm đặc tính của cả quá trình nhiệt, thiết bị đo và van điều khiển. Bên cạnh đó, ảnh hưởng của nhiễu quá trình làm nhiệt độ Ti cũng như sai số của thiết bị đo tới tín hiệu đo cũng cần được làm rõ. Giả thiết các đường tín hiệu ghép nối thiết bị đo và thiết bị chấp hành với bộ điều khiển là dòng điện (trong trường hợp này chúng mang giá trị dòng điện với đơn vị là mA), ta có thể minh họa lại mô hình hệ thống điều khiển nhiệt độ bằng sơ đồ khối như hình sau: Hình 4.12. Mô hình hệ thống điều khiển nhiệt độ Kí hiệu K : Khâu điều chỉnh Gv: hàm truyền đạt của van điều khiển Gp: hàm truyền đạt của quá trình Gb: hàm truyền đạt nhiễu K1: hệ số chuyển đổi từ tín hiệu điện áp sang nhiệt lượng Q 4.5. Thiết kế bộ điều khiển PID là chữ viết tắt của 3 thành phần cơ bản có trong bộ điều khiển gồm khâu khuếch đại(P), khâu tích phân(I), khâu vi phân (D) là bộ điều khiển thông dụng nhất trong các hệ thống điều khiển quá trình vì: - Cấu trúc và nguyên lý hoạt động đơn giản , dễ hiểu - Có nhiều phương pháp hỗ trợ chỉnh đinh tham số của bộ điều khiển - Các luật điều khiển P, PI, PID thích hợp cho một phần lớn các quá trình công nghiệp. Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãn các yêu cầu về chất lượng: - kp: khuếch đại quá trình để dễ quan sát - TI: kéo sai lệch e(t) về 0 - TD: giảm thời gian quá độ nhưng tăng độ quá điều chỉnh( trong công nghiệp người ta tránh thành phần D) Mô hình hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID: R(s) = kp(1+ +TDs) Chất lượng hệ thống phụ thuộc vào các tham sô kp, TI, TD .Muốn hệ thống có được chất lượng như mong muốn thì phải phân tích đối tượng rồi chọn tham số cho phù hợp.Các phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID: + Phương phap Ziegler-Nichols + Phương pháp tổng T của Kuhn + Phương pháp tối ưu độ lớn + Phương pháp tối ưu đối xứng + Phương pháp tối ưu theo sai lệch bám Ở đây ta sử dụng phương pháp chọn tham số PID theo nguyên tắc tối ưu đối xứng. 4.5.1. Quá trình điều khiển mức Hàm truyền cho động cơ bơm có dạng khâu quán tính bậc nhất Gb(s) = (4-34) Với b= 10ms = 0.01s Quá trình điều khiển mức là khâu tích phân nên ta có mô hình hàm truyền G(s) = (4-35) Với =V/F Cho các số liệu V=0.75 m3 F = 45.14 m3/min = 0.75 m3/s =>G(s) = (4-36) Như vậy đối tượng điều khiển có dạng khâu tích phân quán tính bậc nhất S(s) = (4-37) Sử dụng bộ điều khiển PI R(s) = kp (1+) (4-38) Hệ hở sẽ có hàm truyền là: Gh(s) = R(s).S(s) = (4-39) Xác định tham số bộ điều khiển TI = aT1 kp = Với 1<a<4 và k = 1 Thường chọn a=2 TI = 0.02 Kp = = 70 Ta có mô hình hệ thống: Kết quả mô phỏng Nhận xét: - Bộ điều chỉnh đã đảm bảo lượng thực bám theo lượng đặt (cụ thể ở đây là 10 m) - Độ quá điều chỉnh phù hợp dưới mức 20 % - Thời gian quá độ đủ ngắn để hệ thống hoạt động an toàn 4.5.2. Quá trình điều khiển lưu lượng Điều khiển lưu lượng thông qua điều khiển áp suất nên ta có hệ số chuyển đổi tín hiệu đo là: Km = == = 1.95 (4-40) Hàm truyền cho máy thổi khí blower có dạng khâu quán tính bậc nhất Gb(s) = (4-41) Với b=10ms = 0.01s Quá trình điều khiển áp suất giống quá trình điều khiển mứclà khâu tích phân.Ta có: Gp(s) = (4-42) Hàm truyền đạt cho van thường có dạng khâu quán tính bậc nhất Gv(s) = (4-43) Với =2ms = 0.002s Như vậy đối tượng điều khiển có dạng khâu tích phân quán tính bậc hai: S(s) = (4-44) Với bộ điều khiển PID R(s) = kp(1++TDs)= (4-45) Có các tham số: TA+TB= TI TATB = TITD TA= T1 Hệ hở có hàm truyền đạt dạng: Gh(s) = R(s).S(s) = kp1 (4-46) với kp1= Tham số bộ điều khiển PID sẽ được chọn: TA= T1 = 0.002 TB = aT2 Chọn a=2,TB=0.02Vậy TI = 0.022 và TD= 0.002 kp1 =kp = = Với k = = 0.51 kp = 152 Ta có mô hình hệ thống: Kết quả mô phỏng 4.5.3. Quá trình điều khiển nhiệt độ Ta đặt các kí hiệu thông dụng : y = ∆T u = ∆Q d = ∆Ti Từ (4-33) ta có: mF . dydt+y= 1 FC . u + d (4-47) Áp dụng phép biến đổi Laplase cho cả 2 vế của (4-47) ta được: s.mF . y(s) + y(s) = 1 FC . u(s) + d(s) (4-48) Hằng số thời gian quán tính : τ = mF = 1.50.560 =180 (s) (4-49) Hệ số khuếch đại : k = 1FC = 11000×0.5/60 = 0.12 (s.°C/cal) (4-50) Rút gọn phương trình (6) ta nhận được mô hình hàm truyền đạt: y(s) = kτs +1 . u(s) + 1τs+1 .d(s) (4-51) Sơ đồ khối: Ta có: Gp(s) = kpτs+1 (4-52) Gd(s) = 1τs+1 (4-53) Với τ = mF ; kp = 1FC Thay số m = 1.5 m³; F = 0.5 m³/min ; C = 1 kcal/kg.ºc Ta được: τ =180s kp = 0.12 s.°C/kcal Thay vào (4-52) và (4-53) ta có: Gp(s) = 0.12180s+1 (4-54) Gd(s) = 1180s+1 (4-55) Hàm truyền đạt cho van điều khiển (bao gồm cả các khâu chuyển đổi) thường có dạng một khâu quán tính bậc nhất : Gv = kvTv.s+1 (4-56) Trong đó kv là hệ số chuyển đổi tín hiệu của van; là thành phần trễ. Ở đây ta dùng thyristor để điều chỉnh điện áp. Tín hiệu đi vào thyristor là Udk tín hiệu ra khỏi thyristor là U∝, thực hiện tuyến tính hóa quanh điểm làm việc ta có : kv = ∆Uα∆Udk = 0÷2200÷10 = 22 (4-57) và chọn thời gian đáp ứng của van là τ = 0.01 s Theo khai triển chuỗi Taylor thì thành phần thời gian trễ được xấp xỉ bằng thành phần bậc 1 trong chuỗi khai triển: Ta được: Gv = 220.01s+1 (4-58) Tính toán hệ số K (hệ số chuyển đổi từ điện áp sang nhiệt lượng) Ta có q = i².r = u²/r (4-59) Đạo hàm 2 vế (4-59) ta được dq = 2u.du/r (4-60) tuyến tính hóa quanh điểm làm việc ta được: ∆q ∆u = 2ur (4-61) Với số liệu kĩ thuật của Heater thì khi cần làm nóng nước trong bể lên tới 100ºC thì công suất nhiệt cần cung cấp là 4kW và điện áp đặt là 220V. Nhưng ở đây thực tế ta chỉ cần làm nóng nước lên đến 50ºC. Giả thiết nhiệt độ của nước lạnh là 25ºC, và quá trình truyền nhiệt giữa năng lượng q và nước là lý tưởng ta có: q = m.c.∆T (4-62) Trong đó: m (kg) là khối lượng nước được làm nóng c (J/kg.độ) là nhiệt dung riêng của nước ∆T độ tăng nhiệt độ của nước Chính vì thế khi chỉ cần làm nóng nước trong bể lên đến 50ºC thì chỉ cần 1/3 công suất thiết kế. Từ đây ta tính được giá trị của Ulv của Heater là Ulv = Qlv.r = 220/3 (4-63) Và ta có hệ số K K = ∆q ∆u = 2ur = 220312.1 (4-64) Để đơn giản cho quá trình tổng hợp bộ điều khiển ta rút gọn sơ đồ khối của mạch điều khiển dưới dạng đơn giản như sau : Gr(s) Gs(s) Tsp T - Trong đó Gs(s) = K.Km.Gv.Gp = kTvs+1(Tps+1) (4-65) Với k = K.Km.kv.kp = 166.276 Giả thiết hàm truyền đạt của bộ điều khiển là Gr(s) Ta có hàm truyền của hệ là: Gh = Grs.Gs(s)1 + Grs.Gs(s) (4-66) Gr(s) = GhGss.(1- Gh) (4-67) Theo tiêu chuẩn tối ưu module thì hàm Gh có dạng chuẩn là Gh = 11+2Ts+2T2s2 (4-68) Thay vào biểu thức ta được Gr(s) = Tvs+1(Tps+1)k.2T.(1+Ts) (4-69) Ta có Tv << Tp chọn T = Tv Khi đó Gr(s) được viết lại như sau : Gr(s) = Tps+12kTvs = Tp2kTv + 12kTvs (4-70) Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu module với bộ điều khiển PI ta có các thông số của bộ điều khiển Kp = Tp2kT = 54.126 (4-72) TI = 2kTv = 33.25 Mô hình hệ thống Kết quả mô phỏng TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Hoàng Minh Sơn, Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình. Nhà xuất bản Bách Khoa – Hà Nội, 2006. [2] Nguyễn Phùng Quang, MATLAB và Simulink dành cho kĩ sư điều khiển tự động. Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật, 2004. [3] Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển tuyến tính. Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, 2005. [4] Nguyễn Văn May, Bơm, quạt, máy nén, Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ thuật,2007. Tiếng Anh [4] Shinskey F. Greg, Process control systems, 1996, pp. 1-98. [5] Dale E. Seborg, Thomas F. Edgar, Ducan A. Mellichamp, 2004.