Đề tài Nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống định lượng vật liệu nhiều pha điều khiển số, sử dụng trong công nghệ sản xuất tấm lợp không amiăng

BỘ CÔNG THƯƠNG TỔNG CÔNG TY MÁY ĐỘNG LỰC & MÁY NÔNG NGHIỆP VIỆN CÔNG NGHỆ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI Mà SỐ 246.07 RD/HĐ – KHCN Tên đề tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐỊNH LƯỢNG VẬT LIỆU NHIỀU PHA ĐIỀU KHIẺN SỐ, SỬ DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT TẤM LỢP KHÔNG AMIĂNG CƠ QUAN CHỦ QUẢN: BỘ CÔNG THƯƠNG CƠ QUAN CHỦ TRÌ: VIỆN CÔNG NGHỆ CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: KS. NGUYỄN THÀNH LONG 6800 12/4/2008 HÀ NỘI, 03 – 2008 BỘ CÔNG NGHIỆP TỔNG CÔNG TY MÁY ĐỘNG LỰC & MÁY NÔNG NGHIỆP VIỆN CÔNG NGHỆ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI Mà SỐ 246.07 RD/HĐ – KHCN Tên đề tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐỊNH LƯỢNG VẬT LIỆU NHIỀU PHA ĐIỀU KHIỂN SỐ, SỬ DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT TẤM LỢP KHÔNG AMIĂNG CƠ QUAN CHỦ TRÌ CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI KS NGUYỄN THÀNH LONG HÀ NỘI, 03 – 2008 DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN 1. KS. Nguyễn Thành Long Viện Công Nghệ 2. TS. Đỗ Quốc Quang Viện Công Nghệ 3. KS. Trần Xuân Thành Viện Công Nghệ 4. KS. Tống Văn Cường Viện Công Nghệ 1 MỤC LỤC Trang Mục lục A. Nội dung báo cáo chính Chương I. Tổng quan 1. Sơ lược về tự động hóa trong sản xuất tấm lợp. 2. Hệ thống chuẩn bị liệu trong dây truyền sản xuất tấm lợp Fibro Ximăng không Amiăng. 3. Vai trò của tự động hóa công đoạn chuẩn bị liệu trong ngành sản xuất tấm lợp Fibro Ximăng không Amiăng. 4. Các phương pháp định lượng trong sản xuất tấm lợp Fibro Ximăng không Amiăng. 5. Hiện trạng tình hình ứng dụng tự động hóa quá trình chuẩn bị liệu ở nước ta. 6. Giải pháp cho tự động hóa cụm chuẩn bị liệu 6.1 Giải pháp điều khiển cho cụm chuẩn bị liệu 6.2 Giải pháp điều khiển cho hệ thộng định lượng Chương II: Thiết kế động học của hệ thống 1. Định lượng Ximăng 2. Định lượng vật liệu lỏng và huyền phù Chương III: Hệ thống điều khiển và hiển thị của hệ thống 1. Hệ thống điều khiển 2. Hệ thống hiển thị B. Kết luận và hướng phát triển 1. Kết quả đạt được 2. Hướng phát triển Tài liệu tham khảo 1 2 2 2 4 6 7 14 16 17 17 18 18 18 23 23 29 33 33 34 35 2 A. NỘI DUNG BÁO CÁO CHÍNH Chương I: Tổng quan 1. Sơ lược về tự động hóa trong sản xuất tấm lợp: Cùng với sự phát triển của ngành tự động hoá thế giới, ngành tự động hoá trong sản xuất công nghiệp ở Việt Nam cũng đang từng bước phát triển. Các nhà máy, xí nghiệp tại Việt nam đang tiến hành lắp đặt và cải tạo mới, mạnh dạn đưa vào những thiết bị, công nghệ tự động hoá tiên tiến của các nước công nghiệp hiện đại như: Canada, Nhật, Mỹ và một số nước trong khối các nước châu Âu EU. Trong ngµnh tÊm lîp nãi riªng, kü thuËt tù ®éng ho¸ còng tõng b−íc th©m nhËp vµo qu¸ tr×nh s¶n xuÊt. ë ViÖt Nam hiÖn nay ngµnh s¶n xuÊt tÊm lîp vÉn chñ yÕu s¶n xuÊt tÊm lîp sö dông Ami¨ng. Hình 1.2: Tổng quan toàn bộ dây chuyền sản xuất tấm lợp Fibro Ximăng Trong c«ng nghÖ nµy do sè l−îng vËt liÖu cÊp phèi kh«ng nhiÒu (chñ yÕu lµ ami¨ng vµ xim¨ng- chÊt r¾n) nªn viÖc tù ®éng ®Þnh l−îng thµnh phÇn vËt liÖu ®Çu vµo cã thÓ thùc hiÖn t−¬ng ®èi ®¬n gi¶n vµ th−êng ®−îc thùc hiÖn b»ng c©n ®o thñ c«ng hoÆc víi nh÷ng thiÕt bÞ c©n ®ong cã ®é tin cËy ch−a cao. 3 N¨m 2006, ViÖn C«ng nghÖ ®· nghiÖm thu §Ò tµi cÊp nhµ n−íc KC.06.15 “Nghiªn cøu, thiÕt kÕ, chÕ t¹o vµ kh¶o nghiÖm d©y chuyÒn s¶n xuÊt tÊm lîp kh«ng sö dông ami¨ng n¨ng suÊt 0,5 triÖu m2/n¨m”. §©y lµ d©y chuyÒn pilot n¨ng suÊt thÊp nªn viÖc ®Þnh l−îng c¸c thµnh phÇn cÊp phèi ®Òu thùc hiÖn b»ng tay. HiÖn nay, viÖc triÓn khai ¸p dông ®¹i trµ d©y chuyÒn s¶n xuÊt tÊm lîp kh«ng ami¨ng ®· lµm n¶y sinh yªu cÇu ®Þnh l−îng tù ®éng hoÆc b¸n tù ®éng c¸c vËt liÖu tham gia thµnh phÇn cÊp phèi. Trong c«ng nghÖ s¶n xuÊt tÊm lîp kh«ng sö dông ami¨ng, sè l−îng c¸c thµnh phÇn cÊp phèi cao h¬n h¼n qui tr×nh s¶n xuÊt cò nªn viÖc kiÓm so¸t c¸c thµnh phÇn vËt liÖu cÊp phèi trë nªn rÊt quan träng vµ mang tÝnh quyÕt ®Þnh ®èi víi chÊt l−îng cña b¸n thµnh phÈm vµ s¶n phÈm cuèi cïng. MÆt kh¸c, do diÖn tÝch s¶n xuÊt vµ sè l−îng thiÕt bÞ t¨ng h¬n so víi qui tr×nh cò nªn viÖc tù ®éng ho¸ c«ng t¸c ®Þnh l−îng sÏ lµm gi¶m ®¸ng kÓ sè c«ng nh©n vËn hµnh, t¨ng chÊt l−îng s¶n phÈm vµ t¨ng n¨ng suÊt d©y chuyÒn. ë n−íc ta kh«ng cã nhiÒu nhµ m¸y ¸p dông c«ng nghÖ kh«ng ami¨ng trong s¶n xuÊt tÊm lîp nªn viÖc tù ®éng ho¸ hÖ thèng ®Þnh l−îng chØ ®−îc sö dông t¹i nh÷ng nhµ m¸y nhËp d©y truyÒn s¶n xuÊt cña n−íc ngoµi (Ph¸p, §øc…) nh− : Nhµ m¸y tÊm lîp §«ng Anh Hµ Néi, C«ng ty Xi m¨ng §ång Nai. Cho ®Õn nay ch−a cã ®¬n vÞ nµo trong n−íc nghiªn cøu, thiÕt kÕ chÕ t¹o hÖ thèng thiÕt bÞ nµy, trong khi nhu cÇu vÒ s¶n xuÊt tÊm lîp kh«ng ami¨ng (tÊm lîp b¶o vÖ m«i tr−êng) ngµy cµng lín. V× vËy tù ®éng ho¸ qu¸ tr×nh ®Þnh l−îng thµnh phÇn vËt liÖu ®Çu vµo lµ mét nhu cÇu tÊt yÕu kh«ng nh÷ng cho hiÖn t¹i mµ c¶ trong t−¬ng lai. 4 Hình 1.2: Tổng quan toàn bộ dây chuyền sản xuất tấm lợp Fibro Ximăng không Amiăng 2. Hệ thống chuẩn bị liệu trong dây truyền sản xuất tấm lợp Fibro Ximăng không Amiăng: Nói đến công nghiệp sản xuất chế tạo nói chung, và sản xuất tấm lợp nói riêng, quá trình chuẩn bị liệu là một quá trình quan trọng và có tính quyết định đến chất lượng của sản phẩm cuối cùng. Mỗi một lĩnh vực sản xuất, mỗi sản phẩm do tính khác biệt của nó nên vật liệu làm nên các sản phẩm cũng có những tính chất khác nhau. Đối với lĩnh vực sản xuất tấm lợp Fibro ximăng thì vai trò của quá trình chuẩn bị liệu lại càng quan trọng, nó là công đoạn đầu tiên của quy trình sản xuất ra tấm lợp, ở công đoạn này các loại vật liệu được trải qua các công đoạn nghiền, trộn riêng liên tục trước khi chúng được đưa vào một thùng khuấy trộn chung. Lượng huyền phù của thùng khuấy trộn chung này tiếp tục được đưa đến một thùng khấy phân phối trước khi đưa vào xeo. 5 Đối với công nghệ sản xuất tấm lợp không Amiăng, công đoạn này có nhiều thay đổi nhất so với công nghệ cũ, quyết định đến tính chất và chất lượng của sản phẩm. Như chúng ta đã biết trong sản xuất tấm lợp quá trình được nhắc tới nhiều nhất là quá trình xeo cán. Đó là một quá trình quan trọng, nhưng trước khi liệu được xeo để tạo nên bán thành phẩm, quá trình tạo nên hỗn hợp liệu trước đó cũng có tính quyết định đến cơ lý tính của tấm.Vì vậy, ở các cơ sở sản xuất tấm lợp, quá trình này là mối quan ngại và cũng giành được sự quan tâm đặc biệt của nhà sản xuất. Quá trình chuẩn bị một mẻ liệu như sau: Đầu tiên giấy và nước được đưa vào máy khuấy cây thông (101) để khuấy trộn, sau đó một khoảng thời gian ( do nhà công nghệ xác định), giấy được bơm vào thùng chứa trung gian (102), giấy từ đây được bơm qua hệ thống các máy nghiền (103) để thực hiện các chu trình nghiền. Sau khi nghiền xong (đạt yêu cầu công nghệ), giấy tiếp tục được bơm lên các thùng trữ giấy (104). Ở thùng trữ giấy tiếp tục được khuấy trộn. Cùng thời gian này, phụ gia Bentonite và Silicafume cũng được đưa vào các thùng khuấy trộn (105) cùng với nước thực hiện quá trình khấy trộn. Hình 1.3 : Sơ đồ công nghệ cụm chuẩn bị liệu 6 Sau một thời gian khuấy trộn, liệu từ các thùng khuấy (104) và (105) được đưa vào thùng khuấy Turbo (106) thông qua một thùng đong định lượng. Các vật liệu như ximăng và PVA cũng được đưa vào thùng khuấy cây thông để khuấy trộn để tạo thành hỗn hợp nhiều thành phần. Sau một thời gian khuấy để đạt được yêu cầu cần thiết, lượng huyền phù tạo thành sẽ được bơm lên khuấy phân phối để từ đây cung cấp cho công đoạn xeo. 3. Vai trò của tự động hóa công đoạn chuẩn bị liệu trong ngành sản xuất tấm lợp Fibro Ximăng không Amiăng: Khi chúng ta đang từng bước hội nhập với thế giới, sản xuất công nghiệp cũng đứng trước cơ hội lớn để có thể tiếp xúc với những công nghệ và thiết bị hiện đại đến từ các nền công nghiệp phát triển ở khắp nơi trên Thế giới. Với ngành sản xuất vật liệu xây dựng nói chung và ngành sản xuất tấm lợp nói riêng thì việc đưa tự động hóa vào sản xuất là một giải pháp tốt, được nhiều cơ sở sản xuất ứng dụng và có xu thế phát triển rộng. Ngày nay, với việc giá thuê nhân công tăng mạnh và khách hàng đã quan tâm đến chất lượng của sản phẩm nhiều hơn thì những doanh nghiệp sản xuất cũng đứng trước một bài toán khó. Họ bắt đầu quan tâm đến việc đầu tư thêm trang thiết bị cũng như con người để theo kịp nhu cầu mà thực tế đòi hỏi. Để đáp ứng được nhưng yêu cầu thực tế đó, các doanh nghiệp đã phải nghĩ đến các phương án nhằm tăng năng suất lao động và đặc biệt là nâng cao chất lượng sản phẩm. Một trong những phương án mang lại hiệu quả là ứng dụng công nghệ cao vào sản xuất. Tự động hóa được tính đến như là một lời giải pháp phù hợp cho bài toán năng suất và chất lượng. Với một dây truyền sản xuất cụ thể thì nhà công nghệ lại đặt ra một bài toán riêng cho nó. Có thể tự động hóa toàn bộ hoặc từng phần tùy theo yêu cầu công nghệ và sự đáp ứng của thiệt bị của dây truyền. Với những dây truyền sản xuất tấm lợp Fibro Ximăng có sử dụng Amiăng công đoạn chuẩn bị liệu không phức tạp, lượng thiết bị cũng ít hơn đáng kể so với công công đoạn chuẩn bị liệu của dây truyền sản suất tấm lợp không Amiăng. Như trình bày ở trên, liệu được trải qua nhiều công đoạn khuấy trộn 7 trước khi được đưa vào xeo. Việc kiểm soát lượng vật liệu của quá trình này tương đối phức tạp. Mặt khác, yêu cầu đối với công đoạn này là tỷ lệ liệu phải có độ chính xác cao. Trong công đoạn này, chủ yếu liệu được đưa vào trước khi trộn lẫn ở 2 dạng là rắn và huyền phù (lỏng). Ngoài ra để thực hiện thao tác ở mức độ chính xác và đồng đều nhằm đáp ứng được yêu cầu về công nghệ thì việc sự dụng một lúc nhiều nhân công thao tác và quan sát sự hoạt động của các thiết bị là không khả thi và gặp nhiều khó khăn trong việc di chuyển liên tục. Chính sự bất hợp lý này có thể gây ra những sai sót chủ quan làm giảm năng suất của công đoạn, ảnh hưởng lớn đến chất lượng cũng như năng suất lao động chung. Vì vậy việc lựa chọn một phương án tự động hóa cho công đoạn này trong dây truyền sản xuất tấm lợp Fibro Ximăng không Amiăng là cần thiết và phù hợp với yêu cầu thực tế của công nghệ. Như vậy tự động hóa công đoạn chuẩn bị liệu chủ yếu là bài toán định lượng vật liệu 2 pha là rắn và huyền phù. Cùng với đó là sự chuẩn xác của các thao tác điều khiển thiết bị. 4. Các phương pháp định lượng trong sản xuất tấm lợp Fibro Ximăng không Amiăng : 4.1 . Phương pháp định lượng vật liệu rắn: Trên thế giới các vật liệu ở thể rắn được định lượng chủ yếu bằng phương pháp cân. Thiết bị thực hiện phương pháp này gồm các lạo cân dưới đây: - Cân cơ học: Cân này là loại cân đơn giản với việc lấy quả cân làm đối trọng để xác định khối lượng vật liệu. Cân này có độ chính xác không cao và không hiệu quả đối với liệu có khối lượng lớn. Vì vậy loại cân này ít được sử dụng trong công nghiệp. 8 Hình 1.4 : Cân đĩa - Cân điện tử: Hiện nay trên thế giới có rất nhiều loại cân điện tử khác nhau, mỗi loại cân sử dụng cho những mục đích khác nhau Cân đếm Cân treo 9 Cân bàn Hình 1.5 : Các loại cân điện tử Những loại cân này có độ chính xác cao, nhưng có giới hạn về tải trọng như : cân đếm, cân treo, cân tiểu ly. Những loại cân này thường dùng trong phòng thí nghiệm và sử dụng trong thương mại. Cân bàn là lạo cân rất tiện lợi cho việc di chuyển và có giới hạn tải trọng tương đối lớn nhưng để cân được một hệ thống có kích thước lớn và phức tạp thì sử dụng cân bàn sẽ gặp hiều khó khăn. Ngoài những loại cân trên, có một thiết bị định lượng mà được sử dụng rất nhiều trong công nghiệp là: thiết bị định lượng cảm ứng (Loadcell). Với những thiết bị này thì việc cân hệ thiết bị có tải trọng lớn có thể thực hiện một cách dễ dàng. Với những ưu điểm về mặt kích thước, giới hạn tải trọng, độ chính xác của thiết bị…Loadcell có thể đáp ứng được những điều kiện trong sản xuất công nghiệp Hình 1.6: Thiết bị cảm ứng ( Loadcell ) 4.2 . Phương pháp định lượng vật liệu lỏng 10 Nhu cầu về những hệ thống tự động hóa xử lý tinh vi, sự nghiêm ngặt trong điều khiển quá trình và những yêu cầu ngày càng khắt khe trong môi trường đo mức khiến kỹ sư phải đi tìm những hệ thống đo mức tin cậy hơn, chính xác hơn. Kết quả đo chính xác cao làm giảm thiểu những sai lệch trong việc trộn các chất ở dạng lỏng, góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm đầu ra, giảm chi phí và lãng phí. Những công nghệ đo mức: a. Thiết bị đo mức đơn giản và cổ nhất trong công nghiệp là một loại bình trong suốt. Là một phương pháp đo thủ công truyền thống và nó có nhiều hạn chế: con người phải tiếp xúc trực tiếp với môi truòng đo có thể xảy ra tình trạng rò rỉ chất lỏng qua nắp và cặn của chất lỏng có thể hạn chế tầm nhìn, điều này càng không phù hợp khi đo dung dịch có chứa nhiều thành phần và đặc biệt là có chứa ximăng trong đó ,đây là vật liệu dễ bám vào thành bình. b. Phao: Phao có nguyên lý làm việc rất đơn giản . Phao là một vật nổi trên mặt nước do trọng lực của chất lỏng và không khí phía trên tác động. Để theo dõi mức độ dao động của chất lỏng ta gắn một thiết bị cơ khí với phao . Những hệ thống phao đầu tiên sử dụng các thiết bị cơ khí như dây cáp , dòng dọc và bánh răng để theo dõi mức chất lỏng. Những kiểu đo này có độ chính xác không cao. Ngày nay một loại phao phổ dụng đó là phao từ. Những bộ phát tín hiệu mức đầu tiên đi kèm với với phao là những thiết bị cho tín hiệu tưong tự hoặc rời rạc, nên giá trị đo giữa các bước tín hiệu bị bỏ qua. c. Thiết bị thủy tĩnh: Ống thủy , phương pháp đo bằng bong bóng và bộ phát tín hiệu áp suất vi sai đều được gọi là thiết bị đo thủy tĩnh. 11 Ống thủy hoạt động dựa trên định luật Ác-si-met. Như trong hình 2 ta thấy , ống thủy được nhúng trong chất lưu . Chất lưu trong ống thủy đậm đặc hơn ở ngoài bình chứa. Khi chất lưu trong bình chứa dâng thì chất lưu trong ống thủy cũng dâng tương ứng. Mức chất lưu trong ống thủy thay đổi sẽ tạo ra một áp lực, và một bộ chuyển đổi nối với bộ phát tín hiệu làm nhiệm vụ kiểm soát sự thay đổi áp lực đó. Qua đó ta biết được sự thay đổi mức chất lỏng trong bình chứa. Cảm biến kiểu mức bong bóng (hình 3) có 1 ống dẫn khí xuống đáy bình chứa để tạo bong bóng . Khi khí được dẫn vào , áp suất trong ống sẽ tăng cho đến khi thắng được áp suất của chất lỏng có trong bình . Một bộ chuyển đổi được nối với ống dẫn khí để giám sát sự tăng áp suất đo được sẽ tính ra mức chất lỏng trong bình chứa. d. Loadcell(cầu điện trở đo áp lực). loadcell hay thước đo độ biến dạng . loadcell đo mức bằng cách chuyển đổi trọng lực của chất lỏng tác động lên nó thành tín hiệu điện . Khi mức chất lỏng trong bình chứa tăng , thì lực tác dụng lên loadcell cung tăng và ngược lại. Lợi thế của loadcell là đo không tiếp xúc với chất lỏng nên nó đựoc sử dụng khá rộng rãi. Nhưng có những nhượ điểm là các thùng chứa nguyên liệu trong nghành sản xuất tấm lợp đều có khuấy gây rung động nên dùng loadcell sẽ nhanh hỏng. e. Thước đo mức từ tính: Thước đo mức từ tính (hình 5) được lấy mẫu làm vật thay thế cho phương pháp đo bằng bình trong suốt. Thước đo từ tính có nguyên lý giống như phao, nhưng có điểm khác là chúng xác định mức bằng từ tính. 12 Một chiếc phao từ tính được đặt trong ống phụ gắn thông hai đầu với bình chứa. Do vậy khi mức chất lỏng trong bình chứa tăng thì trong bình chứa cũng tăng tương ứng hoặc ngược lại. Và phao từ tính trong ống cũng tăng lên hoặc hạ xuống tương ứng theo mức chất lỏng trong ống phụ. f. Cảm biến đo mức bằng điện dung. Cảm biến đo mức điện dung (hình 6) hoạt động dựa trên sự khác biệt về hằng số điện môi giữa chất lưu và không khí. Điều kiện đẻ áp dụng phương pháp này là hằng số điện môi của chất lưu phải lớn hơn hằng số điện môi của không khí thường là gấp đôi. Hằng số điện môi của nước gấp khoảng 50 lần so với không khí.Khi mức chất lưu thay đổi thì hằng số điện môi cũng thay đổi tưong ứng . Một loại tụ điện được gọi là cầu điện dung đo toàn bộ điện dung và cho tín hiệu đo liên tục. g. Cảm biến siêu âm 13 Có lẽ sự khác biệt lớn nhất giữa công nghệ đo mức tín hiệu liên tục trứơc đây và công nghệ bây giờ đó là thời gian cho kết quả tín hiệu đo.Những thiết bị đo mới được trang bị công nghệ hiện đại ngày nay cho kết quả đo bằng cách đo khoảng cách giữa chất lưu và điểm đặt cảm biến hoặc bộ truyền tín hiệu đặt tại nóc bình chứa. Những thiết bị này phát ra một sóng xung xuyên qua lớp không khí gặp bề mắt chất lưu và dội ngược trở lại cảm biến .Một bộ định thời trong cảm biến đo tổng thời gian sóng xung phải di chuyển , chia đôi và sau đó tính ra mức của chất lỏng . Đó là cảm biến siêu âm.Cảm biến siêu âm sử dụng sóng ở dải tần số 10khz. Tốc độ truyền của sóng (340m/giây) trong không khí. Cảm biến này có thể lấy tín hiệu đo liên tục, nó rất phù hợp với việc pha trộn nhiều pha chất lỏng khác nhau . Khả năng kết nối với các thiết bị điều khiển đơn giản. 5. Tình hình ứng dụng tự động hóa quá trình chuẩn bị liệu trong sản xuất tấm lợp ở nước ta: Ở nước ta, việc sản xuất tấm lợp trước đây chủ yếu là sản phẩm Fibro Ximăng có sử dụng Amiăng, hầu hết những dây truyền thiết bị này chưa đưa tự động hóa vào sản xuất. Có một vài dây truyền sản xuất tấm lợp được trang bị thiết bị tự động thì đều là những dây truyền ngoại nhập như : Tấm lợp Đông Anh- Hà Nội, tấm lợp Đồng Nai. Cả 2 doanh nghiệp này đang sử dụng những dây truyền thiết bị nhập từ Châu Âu. Với những dây truyền thiết bị này thi chỉ có những doanh 14 nghiệp lớn mới có khả năng đầu tư, chi phí cho một dây truyền nhập ngoại gấp nhiều lần một dây truyền tương tự được chế tạo trong nước. Hiện nay, một phần lớn những cơ sở sản xuất tấm lợp trong nước đều là những doanh nghiệp vừa và nhỏ nên khả năng đầu tư một dây truyền ngoại hiện đại là một vấn đề rất khó thực hiện. Những doanh nghiệp này thường sử dụng những dây truyền trong nước chế tạo, với những dây truyền này họ cũng phần nào đáp ứng được sản lượng cũng như chất lượng sản phẩm. Theo khảo sát của nhóm đề tài, hiện nay cả nước có khoảng 50 dây truyền sản xuất tấm lợp đang hoạt động, riêng miền Bắc có khoảng 30 dây truyền sản xuất. Tỷ lệ ứng dụng tự động hóa vào sản suất nói chung, vào công đoạn chuẩn bị liệu nói riêng như sau: Về toàn bộ dây truyền sản xuất: 9 Tự động hóa toàn bộ: 0% 9 Đưa tự hóa vào trong sản xuất: ≈10% 9 Chưa ứng dụng tự động hóa : ≈90% Về cụm chuẩn bị liệu: 9 Chưa ứng dụng tự động hóa : ≈95% 9 Đưa tự động hóa vào sản xuất: <5% Nói chung, có một số đơn vị đã cố gắng đưa những ứng dụng khoa học vào sản xuất, nhưng đây chỉ là phần rất nhỏ. Còn lại đều đang sự dụng một số lượng nhân công không nhỏ cho mỗi công đoạn sản xuất. Tại miền Bắc một trong những đơn vị sản xuất có những ứng dụng khoa học công nghệ tiến tiến vào sản xuất, đó là công ty tấm lơp Đông Anh - Hà Nội. Đây là một dây truyền nhập ngoại toàn bộ và giá thành của nó gấp nhiều lần một dây truyền tương tự được chế tạo trong nước. Với dây truyền thiết bị này, những ứng dụng về tự động hóa đã được nhà chế tạo đưa vào trong nhiều công đoạn sản xuất. Mặt khác với việc dây truyền được nhập từ nước ngoài, ngoài việc phải đầu tư ban đầu lớn, việc kiểm soát được thiết bị cũng gặp không ít khó khăn. Nhất là những thiết bị điều khiển, mỗi khi thiết bị gặp hỏng hóc hoặc không ổn định thì khâu bảo dưởng và khắc phục rất khó khăn và tốn kém. 15 Qua khảo sát tại nhà máy sản xuất tấm lợp thuộc công ty cổ phần Thuận Cường –Tứ Kỳ-Hải Dương chúng tôi đã thu thập được những số liệu về năng suất và cường độ lao động trong công đoạn chuẩn bị liệu như sau : 9 Số mẻ liệu trong một ca (8 giờ/ca) : 10 9 Số thiết bị làm việc trong công đoạn này: 5 máy 9 Số lao động thủ công cho công đoạn này : 4 người/ca 9 Thành phần từng vật liệu pha trộn được định lượng bằng: Cân đĩa và bằng cảm quan (mắt thường). Những số liệu trên là của một nhà máy cũ, với một nhà máy tấm lợp không amiăng mới, lượng thiết bị làm việc trong công đoạn này là rất lớn (gấp khoảng 2 lần thiết bị của dây truyền cũ) . Để đảm bảo được tính thống nhất trong từng mẻ liệu, tạo nên sự đồng đều của sản phẩm, giảm bớt chi phí nhân lực. Đòi hỏi phải có sự đầu tư trang thiết bị phù hợp. Tuy nhiên hiện nay chưa có đơn vị sản xuất nào trong nước nghiên cứu thiết kế chế tạo và đưa vào ứng dụng tự động hóa cho công đoạn này. Vì vậy nhu cầu thay thế công cụ lao động và cải tiến kỹ thuật ở công đoạn này là rất lớn, nhất là trong tương lai gần với chất lượng sản phẩm được khách hàng đặt lên hàng đầu. Mặt khác, trong các năm gần đây , Viện Công Nghệ- Bộ Công Thương đã chế tạo thành công dây truyền sản xuất tấm lợp không Amiăng và đang xúc tiến xuất khẩu sản phẩm này. Việc đưa công nghệ kỹ thuật tiên tiến vào trong các công đoạn sản xuất là một điều cần thiết và càng có ý nghĩa hơn khi nó mở ra một trang mới cho ngành sản xuất tấm lợp ở Việt Nam: Giai đoạn của chất lượng sản phẩm, giai đoạn của khoa học kỹ thuật. 16 Hình 1.6: Một số khâu trong công đoạn chuẩn bị liệu thủ công 6. Giải pháp tự động hóa cho quá trình chuẩn bị liệu 6.1. Giải pháp tự động hóa cho cụm chuẩn bị liệu: Với cụm khuấy và định lượng: Cụm này gồm nhiều thiết bị và có rất nhiều van được bố trí trên các đương ống cấp liệu nên điều khiển hệ thống van là hệ thống khí nén được bố trí như sơ đồ P$ID(Process and Intrues Diagram) như hình dưới đây: Đối cụm chuẩn bị liệu trên, đối tượng điều khiển là các thiết bị điện như các động cơ điện và các van điện từ cho hệ thống xilanh khí. Số đối tượng cần điều khiển trong cả quá trình là rất lớn đòi hỏi cần một phương án thống nhất chung cho cả cụm. Vì vậy phương án điều khiển PLC cho điều khiển động cơ và van điện từ là giải pháp tốt . 17 Hình 2.1 : Sơ đồ P$ID cụm khuấy 6.2. Giải pháp tự động cho hệ thống định lượng: Với pha rắn (định lượng Ximăng): Qua phân tích ở trên, chọn thiết bị cảm ứng (Loadcell) cho định lượng Ximăng. Với pha lỏng (huyền phù) : Qua phân tích các hệ thống đo mức trên, phương án sử dụng cảm biến siêu âm là phù hợp với tính chất và đáp ứng được yêu cầu của công nghệ. Vì vậy, chọn thiết bị siêu âm cảm ứng cho định lượng huyền phù nhiều thành phần. 18 Chương III: Thiết kế động học của hệ thống 1. Định lượng Ximăng 1.1. Cơ sở thiết kế Với những yêu cầu công nghệ của nhà sản xuất ( Công ty Cổ Phần Phúc Đạt - Hải Dương), lượng Ximăng cấp cho mỗi mẻ liệu nằm trong khoảng tử 400 kg đến 600 kg. Thời gian cho mỗi lần cấp liệu là 3 phút, thời gian cấp từ Silô Ximăng đến thùng định lượng là 10 phút. Với vít tải, có thể đáp ứng được những yêu cầu về năng suất. Hơn nữa so với các thiết bị vận chuyển khác như băng tải, gầu tải thì vít tải còn là phương án làm giảm bụi cho nhà máy và không gây ồn. 1.2. Yêu cầu thực tiễn Với một nhà máy tấm lợp không Amiăng, việc cấp Ximăng không liên tục mà mang tính thời điểm theo một chu kỳ do nhà máy xác định. Nhưng lượng Ximăng đưa vào mỗi mẻ liệu yêu cầu phải đạt độ chính xác cao về mặt khối lượng. Với yêu cầu và những cơ sở trên, chọn vít tải cho vận chuyển xi măng. 1.3. Vít tải Ximăng: 1.3.1: Giới thiệu về vít tải Trong công nghiệp vi sinh vít tải được ứng dụng để di chuyển các nguyên liệu (như bột, tinh bột, muối, chủng nấm mốc dạng khô, các sản phẩm chăn nuôi, ...) trong hướng mặt phẳng ngang và nghiêng. Vít tải ngang gồm máng, vít, các ống nạp và tháo liệu. Vít được quay nhờ cơ cấu dẫn động và được tựa trên các ổ đầu mút và ổ giữa. Nguyên liệu được vào máng qua ống nạp liệu và khi vít quay nó được chuyển động tới ống tháo liệu nằm dưới đáy máng. Các cửa quan sát được bố trí theo chiều dài của vít. Nguyên liệu chuyển dời không thể quay cùng với vít vì bị trọng lực và lực ma sát ngăn cản. Số vòng quay của vít tải 0,5 ÷ 2,0 vòng/s. Nguyên tắc tác động của vít nghiêng tương tự như vít nằm ngang. Vít tải được làm từ những trục vít có đường kính và bước vít theo tỉ lệ sau: 19 Hình 4.1 : Sơ đồ vít tải Đường kính vít, mm 100 125 160 200 250 320 400 500 650 800 Bước vít, mm 80 100 125 160 200 250 320 400 500 650 Năng suất vít tải (tấn/h): Q = 0,047 D 3 n ρ K B K Z K y trong đó: D- đường kính vít tải, m; ρ- mật độ xếp, kg/m 3 ; n- số vòng quay của trục vít, vòng/ph; K B - hệ số phụ thuộc bước vít và đường kính trục vít (đối với nguyên liệu hạt nhẹ K B = 0,75 ÷1,0; đối với nguyên liệu miếng to và nhám K B = 0,5 ÷ 0,6); K Z - hệ số chất đầy máng (đối với nguyên liệu nhẹ và không có tính mài mòn (bột) K Z = 0,32; đối với nguyên liệu nặng và ít mài mòn (muối, cám, xôđa,...) K Z = 0,25; K y - hệ số phụ thuộc vào góc nghiêng của vít tải: Góc nghiêng, độ 0 5 10 15 20 K y 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 Công suất dẫn động (kW) của vít tải ngang và vít tải nghiêng: η367 )( Zc KHLKQN += trong đó: Q- năng suất vít tải, tấn/h; 20 L- chiều dài vít tải theo đường nằm ngang, m; K z - hệ số dự trữ công suất (K Z = 1,15-1,25); η- hiêu suất truyền động (η = 0,8 ÷ 0,85); K c - hệ số cản chuyển động của nguyên liệu (đối với nguyên liệu hạt K c = 1,5 ÷1,6; đối với nguyên liệu dạng bột tấm, dạng bông K c =1,2 ÷ 1,3; đối với nguyên liệu miếng, thỏi có tính mài mòn K c = 1,8 ÷ 2,0; đối với nguyên liệu hạt mịn K c = 4) 1.3.2. Tính các thông số của truyền động vít tải Từ công thức trên, chọn : Đường kính vít tải D= 250 (mm) Số vòng quay của trục vít là : 50 (v/ph) K B = 1,0 ; K Z = 0,32; K y =1 Năng suất vít tải (tấn/h): Q = 0,047 D 3 n ρ K B K Z K y (T/h) Q = 0,047 0,25 3 50 .1500 .0,32.1 =17 (T/h) Hình 4.2 : Sơ đồ bố trí vít tải Công suất dẫn động (kW) của vít tải ngang và vít tải nghiêng: 21 η367 )( Zc KHLKQN += Thay các giá trị vào công thức trên có: N = 17.(1,5.4 + 0,5).1,25/(367.0,8) =0,47 (Kw) Từ công suất tính toán, với điều kiện của bài toán là gắn trực tiếp vít tải vào thùng đong, thì truyền động vít tải phải có kết cấu phù hợp. Vậy: Chọn động cơ dẫn động chính là động cơ liền hộp giảm tốc có công suất: N = 1,1 kw; n= 50 (v/ph) 1.3.2. Các bản vẽ chi tiết (Xem trong phụ lục phần 1) 2. Định lượng vật liệu lỏng và huyền phù 1. 1. Cơ sở thiết kế Ở đây, chọn thiết bị đo là thiết bi siêu âm đang được ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới. Với thiết bị này, ta có thể giải quyết bài toán đo mức một cách dễ dàng hơn. Hãng sản suất thiêt bị điện tử OMRON đã và đang giới thiệu một số tiết bị siêu âm sau: Sensing Range Model 50 to 500 mm E4PA - LS50 - M1 - N 120 to 2000 mm E4PA – LS200 - M1 - N 240 to 4000 mm E4PA – LS400 - M1 - N 400 to 6000 mm E4PA – LS600 - M1 - N 1.2. Yêu cầu thực tiễn Với yêu cầu công nghệ tại công ty cổ phần Phúc Đạt - Hải Dương, thiết bị định lượng đo mức tại 2 thùng : Cụm nghiền và thùng đong định lượng. Thùng nghiền với yêu cầu xác định một mức có độ cao so với mặt thùng khoảng 22 300mm đến 400mm, thùng định lượng có 3 mức đo, mức cao nhất cách mặt thùng 800mm đến 1000mm mức thấp nhất có khoảng cách đến mặt thùng khảng 400mm đến 500mm. Với những yêu cầu thực tế trên và với những loại sensor ở bảng trên tôi chọn loại Sensor Model E4PA – LS200 - M1 – N với giới hạn khoảng cách là 120mm đến 2000mm là phù hợp với những điều kiện của nhà sản xuất (công ty cổ phần Phúc Đạt –Hải Dương). 1.3. Kết cấu hệ thống định lượng và vị trí đặt đầu đo của thiết bị siêu âm. Như đã trình bày ở trên, công đoạn đo mức của pha lỏng là đầu Sensor siêu âm được đặt trên mặt thùng và xác định khoảng cách tới bền mặt huyền phù và mặt nước cần đo. Khoảng cách từ siêu âm đền bề mặt huyền phù Ho (120÷2000mm) Hình 4.3 : Sơ đồ nguyên lý lắp sensor siêu âm trên thùng đong định lượng 23 Chương IV: Hệ thống điều khiển và hiển thị 1. Hệ thống điều khiển: 1.1. PLC Siemens S7-224 Đây là bộ điều khiển logic có khả năng lập trình linh hoạt với các giá trị điều khiển đầu ra theo chương trình được lập trình bên trong. Chương trình ở đây có thể là các hàm logic, bộ đếm, bộ điều khiển thời gian và ngoài ra còn có khả năng kết nối với các thiết bị thông minh khác. Hình 4.1:Bộ điều khiển trung tâm PLC S7-224 Chương trình điều khiển cho PLC S7-224 được viết trên máy tính bằng phần mềm Step7-MicroWin sau đó được nạp từ máy tính vào PLC qua cổng COM. Hình 4.2 Chương trình Step7/Microwin lập trình cho S7-224 trên máy tính 24 1.2. Sensor siêu âm đo khoảng cách E4PA-N Các tính năng - Dải đo rộng với độ chính xác cao. - Cho phép đặt cấu hình lại dải đo bằng cách sử dụng thiết bị E4PA-P01. - Thích hợp với tất cả loại bề mặt: nhẵn, nhám, lớp chất lỏng… và không ảnh hưởng bởi mầu sắc. Thông số kỹ thuật Thông số Giá trị Dải đo 120 – 2000 mm Khoảng chết 0 – 120 mm Kích thước vật chuẩn 100 x 100 mm phẳng Tần số 180 kHz Thời gian đáp ứng 195 ms Nguồn cấp 10 – 30 VDC, 10% Công suất tiêu thụ 1800 mW Đầu ra 4 – 20 mA, 0 – 10 V Độ tuyến tính Tối đa 1% Độ chính xác lặp lại Tối đa 0,1% 25 Biến thiên theo nhiệt độ 1% ở 23oC và trong dải –10oC đến 55oC Biến thiên theo điện áp đặt Tối đa 5% Nhiệt độ làm việc -10oC đến 55oC (không có băng giá) Nhiệt độ bảo quản -40oC đến 85oC (không có băng giá) Điện trở cách điện vỏ 50Mohm Độ cách điện vỏ 1000VAC trong 1 phút Rung động cho phép Tối đa 1mm, 10 – 55 Hz theo mọi hướng Chịu sốc Tối đa 3 lần 300m/s2 theo mọi hướng Cấp bảo vệ IP65 Khối lượng 240g 1.3. Loadcell. Là một loại giá đỡ cơ khí được trang bị một hay nhiều cảm biến đo độ lệch/nghiêng của giá đỡ. Khi lực tác động vào loadcell thay đổi làm cho giá đỡ cũng thay đổi theo và tạo ra tín hiệu đầu ra tương ứng. Các load-cell được thiết kế với mọi kích cỡ thiết bị (Từ thiết bị nhỏ có trọng lượng vài gam đến thiết bị có trọng lượng tính bằng tấn). Loadcell đo mức bằng cách chuyển đổi trọng lực của vật cần đo thành tín hiệu có thể đọc được. Khi khối lượng vật cần đo tăng thì lực tác động vào loadcell tăng và ngược lại. Lợi thế của loadcell là đo không tiếp xúc nên chúng được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau, được sử dụng rất phổ biến trong việc cân đo những vật có khối lượng lớn, với độ chính xác rất cao. - Sai số tổng(%FS): < 0.030. - khoảng nhiệt độ làm viêc(C) : -35 to 65 - Khoảng điện áp ra(V) : 5 to 15V - Trở kháng đầu vào(ohms) : 349.37 - Trở kháng đầu ra(ohms) : 347 26 - Đầu ra loadcell: Có 6 đầu ra được phân biệt với nhau qua màu sắc.Đỏ (+ve) và Đen (-ve) là hai đầu cấp nguồn nuôi cho loadcell. Đỏ (+) và Đen(-) : là dây nguồn cấp cho loadcell từ bộ K3HB-VL Xanh(+ve) và Trắng: Là hai dây tín hiệu từ loadcell tới K3HB 1.4. Bộ xử lý và hiển thị K3HB VLC: *Cấu tạo bên trong: 27 - Nguồn cấp(Power supply): Là nguồn xoay chiều (100 – 220)V, được đưa vào chân A1 và A2.(hình 1) - Đầu ra so sánh: K3HB-VLC có modul đầu ra rơle(K34-C2) dùng để điều khiển lượng vào ra khi cân.(hình 2) Hình 2 Hình 1 28 *Các dải đầu vào và độ chính xác: *Sơ đồ ghép nối loadcell với K3HB VLC: 29 Chẳng hạn : Từ 0 đến 100kg có thể hiển thị tỉ lệ tải 100kg ứng với điện áp nguồn nuôi sensor là 10v và tỉ lệ đầu ra 2mv/v. Ở đây tỉ lệ đầu ra 2mv/v có nghĩa là đầu ra loadcell 2mv ứng với 1v. 10v điện áp sẽ tương ứng đầu ra của loadcell là 20mV(tức = 2mVx10) . *Đặc tính biểu thị quan hệ giữa điện áp đầu vào và giá trị hiển thị của K3HB VLC 2. Quá trình điều khiển và hiển thị của hệ thống: 2.1. Điều khiển Điều khiển quá trình nghiền độc lập với quá trình khuấy trộn, thao tác độc lập với các bàn điều khiển được bố trí để người công nhân tiện trong quá trình vận 30 hành và dễ dàng quan sát nhất. 2.2. Hiển thị - Bộ K3HB hiển thị định lượng ximăng trong thùng đong ximăng . Yêu cầu thiết lập để cân được lượng Ximăng là 400kg. Sau khi hiệu chỉnh và thiết lập có kết quả hiển thị sau. • Hiển thị: K3HB hiển thị tại (Mức H) : 380 Hình 4.3 : Hiển thị cân Xi măng - Bộ K3HB hiển thị thể tích huyền phù trong thùng đong. Với thực tế yêu cầu lắp đặt tại nhà máy, K3HB được thiết lập để đo được 3 mức của lượng huyền phù trong thùng đong: Sau khi hiệu chỉnh và thiết lập có 3 kết quả hiện thị: + Mức thứ nhất: K3HB hiển thị mức thấp nhất (Mức LL) : 915 31 + Mức thứ hai : K3HB hiển thị mức trung gian (Mức H) : 1015 Hình 4.4 : Hiển thị huyền phù mức thứ hai + Mức thứ ba : K3HB hiển thị mức cao nhất (Mức HH) : 1510 Hình 4.4 : Hiển thị huyền phù mức thứ nhất 32 Hình 4.4 : Hiển thị huyền phù mức thứ 3 Với các kết quả đo hiển thị trên : Với một lần kiểm tra bất kỳ - Định lượng Ximăng sau khi đạt mức hiển thị cài đặt có sai lệch 2/380.100% = 0,526% - Định lượng huyền phù: Mức sai lệc so với mức hiển thị cài đặt Mức 1 : Độ sai lệch 5/900.100% = 0,55% Mức 2 : Độ sai lệch 2/1015.100% = 0,197% Mức 3: Độ sai lệch 5/1510.100%= 0,33% Sau 8 lần(1 ca) thử nghiệm thu được các kết quả sai lệch là: - Với định lượng Ximăng: 0,2% ÷ 0,7% - Với định lượng huyền phù: 0,1% ÷ 0,8% Với kết quả thử nghiệm trên, việc ứng dụng những thiết bị tự động hiện đại đã được nhà sản xuất đánh giá cao và coi kết quả là rất tốt. Có thể ứng dụng vào sản xuất. 33 B. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN. 1. Kết quả đạt được: Về mặt khoa học : ƒ Đề tài đã giải quyết tự động hoá một cụm thiết bị tương đối hoàn chỉnh trong dây truyền sản xuất tấm lợp không Amiăng. ƒ Vận dụng được những tiến bộ của khoa học kỹ thuật vào trong sản suất Về mặt thực tiễn: ƒ Đề tài đã giải quyết được vấn đề về năng suất và nhân lực cho xơ sở sản xuất tấm lợp không Amiăng. ƒ Có thể hoàn thiện hơn và ứng dụng rộng rãi trong ngành sản xuất tấm lợp nói riêng và các ngành công nghiệp khác nói chung. Các kết quả của đề tài cũng được một số cơ sở khác như : Công ty cổ phần Việt Thái –Thái Bình, Công ty Cổ Phần Diamon - Vĩnh Phúc, Công ty Cổ Phần Phúc Đạt - Hải Dương ký hợp đồng chế tạo thiết bị, hiện nay thiết bị đã được lắp đặt và sử dụng tại Thái Bình. Dự kiến trong năm 2008 sẽ tiếp tục ký hợp đồng chế tạo một số thiết bị tương tự. 2. Hướng phát triển. 2.1. Hoàn thiện hơn về kết cấu cơ khí để có thể áp tốt hơn yêu cầu về điều khiển và công nghệ. 2.2. Có thể phát triển để có thể tự động hóa, hiện đại hóa bằng cách thiết lập hệ thống giám sát theo dõi quá trình chuẩn bị liệu qua máy tính. 34 Để việc nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống định lượng vật liệu nhiều pha điều khiển số, ứng dụng trong ngành sản xuất tấm lợp thành công, nhóm đề tài xin chân thành cảm ơn: - Công ty cổ phần Phúc Đạt - Hải Dương đã có đóng góp quyết định trong việc đưa kết quả của đề tài sớm ứng dụng vào thực tiễn. Quá trình thử nghiệm tại công ty đã hoàn chỉnh và rút ra được nhiều thông số quan trọng để hiệu chỉnh hoạt động có tải của thiết bị. - Nhóm cán bộ của Phòng Thí nghiệm trọng điểm Tự động hóa - Đại học Bách Khoa - Hà Nội do PGS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang lãnh đạo đã tích cực hợp tác nhằm thực hiện các nhiệm vụ phức tạp về điều khiển hoạt động của thiết bị . - Lãnh đạo Viện Công Nghệ và các phòng ban chức năng đã tạo điều kiện để nhóm đề tài thực hiện nhiệm vụ được giao. 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Trọng Hiệp – Nguyễn Văn Lẫm, Nhà xuất bản giáo dục - 1999 Thiết kế chi tiết máy 2. Trịnh Chất – Lê Văn Uyển . 1998 Tính toán, thiết kế hệ dẫn động cơ khí 3. PGS.TS. Vũ Liêm Chính Cơ sở thiết kế máy Xây dựng 4. Robert L. Mott, P.E. University of Dayton. 1992 Machine Elements in Machanical Design. Second Edition 5. Frank P. Bleier. 1997 Boston, Masachusetts Burr Fidge Illinois Fan Handbook – Selection, Application and Design.