Để hướng tới sự phát triển bền vững, ta cần những dạng năng lượng xanh, năng lượng tái tạo giảm thiểu hoặc loại bỏ hoàn toàn ảnh hưởng tới môi trường. Một trong dạng năng lượng được sử dụng phổ biến hiện nay là viên nén gỗ. Viên nén gỗ là một dạng năng lượng đốt tái sinh, có tiềm năng thay thế nhiên liệu hóa thạch truyền thống vốn đang gây ảnh hưởng lớn tới môi trường. Ngay tại Việt Nam, viên nén gỗ đang dần trở thành một mặt hàng xuất khẩu quan trọng. Đầu tư vào viên nén gỗ là sự đầu tư vào tương lai. Trong đồ án này, tôi xin giới thiệu về khâu ép trong quá trình sản xuất viên nén gỗ. Tôi chọn đề tài này bởi vì đây là một đồ án thiết thực, có thể áp dụng vào thực tiễn sản xuất, hướng tới mục tiêu xa hơn nữa là một nền an ninh năng lượng ổn định vũng mạnh, một môi trường sống không còn ô nhiễm. 1. Lý do chọn đề tài Ngành sản xuất viên nén gỗ Việt Nam vẫn còn thiếu những nhà máy tự động hóa, dẫn tới năng suất chưa tối đa. Vì vậy, tôi muốn nghiên cứu phương pháp tự động hóa dây chuyền sản xuất viên nén để nâng cao năng suất, chất lượng mặt hàng, tăng khả năng cạnh tranh của nhãn hiệu Việt Nam so với thế giới, đồng thời chứng mình rằng tự động hóa dây chuyền sản xuất viên nén gỗ là hoàn toàn khả thi và thiết thực. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Nắm vững quy trình công nghệ của dây chuyền sản xuất viên nén gỗ. - Đưa ra được giải pháp tự động hóa cho dây chuyền sản xuất viên nén gỗ. 3. Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu quy trình công nghệ dây chuyền sản xuất viên nén gỗ từ bước đầu nguyên liệu cho đến khi đóng gói sản phẩm. 8 - Tập trung nghiên cứu tự động hóa cho công đoạn ép của dây chuyền sản xuất viên nén gỗ. 4. Phương pháp nghiên cứu - Khảo sát trực tiếp quy trình sản xuất viên nén gỗ tại nhà máy sản xuất viên nén gỗ của công ty Đông A – khu công nghiệp Nam Cấm, thành phố Vinh. - Tìm hiểu các tài liệu lý thuyết về sản xuất viên nén. 5. Cấu trúc đề tài Trong báo cáo đồ án tốt nghiệp này, phần nội dung đề tài xin được chia làm 3 chương. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN ÉP VIÊN GỖ NÉN CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU TRANG BỊ ĐIỆN CHO GIAI ĐOẠN ÉP CỦA HỆ THỐNG ÉP VIÊN GỖ NÉN CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO GIAI ĐOẠN ÉP CỦA DÂY CHUYỀN ÉP VIÊN GỖ NÉN
TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN ÉP VIÊN GỖ NÉN
V IÊN GỖ NÉN LÀ GÌ ?
Viên gõ nén (wood pellet) là các hạt nhỏ có đường kính 6, 8, 10 hoặc 12 mm và chiều dài không quá 25 mm, được sản xuất từ mùn cưa và dăm gỗ đã sấy khô, làm nóng và nén lại Khi bị tác động bởi nhiệt và áp suất cao, lignin trong gỗ sẽ mềm ra, cho phép sản phẩm được định hình và ép thành viên Với đặc tính khô ráo và khả năng bắt lửa nhanh, viên gõ nén được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực từ dân dụng đến công nghiệp.
Viên gỗ nén có kích thước nhỏ gọn, tiện lợi cho việc sử dụng làm chất đốt cho lò đốt và lò hơi Với độ ẩm thấp (dưới 10%), viên gỗ nén cháy hiệu quả cao, tiết kiệm năng lượng hơn so với nhiên liệu có độ ẩm cao Đặc tính này giúp việc sử dụng viên gỗ trong bếp và các thiết bị sưởi ấm trở nên sạch sẽ hơn Viên gỗ nén dễ quản lý, phù hợp cho hệ thống đốt tự động, tiết kiệm thời gian và công sức cho cả nồi hơi và bếp viên Với mật độ năng lượng cao, viên gỗ nén có thể vận chuyển đường dài và được lưu trữ lâu dài với ít rủi ro nhờ vào quá trình xử lý nhiệt.
Ta có thể liệt kê các ưu điểm của viên gỗ nén như sau:
+ Chất lượng hạt cao, ổn định về hình dáng và tỉ lệ thủy
Mức độ ẩm thấp của viên gỗ nén giúp tiết kiệm năng lượng khi đốt, vì nó giảm thiểu lượng năng lượng cần thiết để loại bỏ độ ẩm trong quá trình cháy.
+ Dễ dàng vận chuyển, đóng gói, bảo quản và lưu trữ do kích thước nhỏ
+ Sử dụng đơn giản, vệ sinh dễ dàng
Mật độ năng lượng cao khoảng 4800 cal/kg cho thấy tiềm năng cạnh tranh với nhiên liệu hóa thạch truyền thống như than đá Điều này cho thấy khả năng của nó trở thành một sự thay thế hiệu quả cho các hệ thống năng lượng, từ quy mô nhỏ đến quy mô lớn.
Viên nén gỗ là lựa chọn thân thiện với môi trường, đáp ứng các tiêu chuẩn thải đốt nghiêm ngặt Chúng tạo ra lượng thải và tro ít gây hại cho môi trường hơn so với các loại chất đốt khác Hơn nữa, viên nén gỗ được sản xuất từ vật liệu chất thải của ngành chế biến gỗ, góp phần giảm thiểu vấn đề chất thải trong quá trình sản xuất.
+ Được làm từ những tài nguyên tái tạo như mùn cưa, dăm bào, gỗ vụn… Rất lý tưởng cho hệ thống tái tạo năng lượng khép kín
Tất nhiên, viên gỗ nén cũng có những nhược điểm của nó:
Việc đốt viên gỗ nén thải ra một lượng lớn CO2, góp phần vào vấn đề nóng lên toàn cầu Mặc dù một số người cho rằng viên gỗ nén là trung tính cacbon, vì lượng CO2 phát thải khi cây chết tự nhiên và khi đốt viên gỗ nén là tương đương, nhưng họ đã bỏ qua lượng CO2 phát thải trong quá trình sản xuất và vận chuyển Điều này cho thấy viên gỗ nén vẫn làm gia tăng hiệu ứng nhà kính.
Viên gỗ nén chưa thể hoàn toàn thay thế các nguồn nhiên liệu hóa thạch khác, và các nhà sản xuất có thể gặp phải tổn thất nghiêm trọng nếu giá dầu thế giới giảm.
- Viên nén gỗ cháy hết thường để lại một chút cặn dư nên lâu ngày cần phải vệ sinh thiết bị tiêu thụ
- Chiếm diện tích lưu trữ gấp 3 lần nếu so với dầu
Ứ NG DỤNG CỦA VIÊN GỖ NÉN
Viên gỗ nén được sử dụng không chỉ làm nhiên liệu đốt mà còn là vật liệu lót chuồng trại trong các mô hình chăn nuôi chuẩn sinh học nhờ khả năng hút ẩm ưu việt So với các loại giường động vật khác, viên gỗ nén có hiệu suất hấp phụ tốt hơn, giúp hấp thụ phân động vật và giảm khí amoniac, giữ cho chuồng trại luôn sạch sẽ và khô ráo Sản phẩm này không chỉ đảm bảo vệ sinh mà còn giúp giảm mùi hôi, từ đó tăng cường sức đề kháng cho vật nuôi.
Viên gỗ nén là một lựa chọn an toàn cho việc sưởi ấm, khác với nhiều loại nhiên liệu khác như than đá hay dầu, thường phát sinh các chất độc hại khi đốt Sản phẩm này không chỉ bảo vệ sức khỏe người sử dụng mà còn ngày càng được ưa chuộng trong các giải pháp sưởi ấm hiện đại.
Hình 1.3 Lò sưởi viên nén gỗ Hình 1.2 Biểu đồ phân bố ứng dụng của viên nén gỗ do Ủy ban Kinh tế Liên Hiệp Quốc châu Âu khảo sát
Trong bối cảnh các quốc gia có mùa đông lạnh, việc sử dụng viên gỗ trong lò sưởi ngày càng phổ biến Phương pháp truyền thống như đốt nhiên liệu hóa thạch đã bị chỉ trích vì gây ra ô nhiễm Để giảm lượng khí thải carbon, các hệ thống sưởi ấm trung tâm cần tìm kiếm giải pháp thân thiện với môi trường, và viên gỗ đã trở thành lựa chọn lý tưởng Liên minh Châu Âu đã thiết lập các tiêu chuẩn chất lượng cho viên gỗ nhằm kiểm soát sản xuất, dẫn đến việc chuyển đổi từ nồi hơi đốt than sang nồi hơi đốt viên gỗ hoặc nồi hơi đốt đồng ở nhiều nước châu Âu.
Viên gỗ nén là lựa chọn lý tưởng để sử dụng làm nhiên liệu cho bếp viên gỗ nén hoặc bếp nướng thay thế than củi Sản phẩm này không chỉ có giá cả phải chăng mà còn sạch sẽ và an toàn cho sức khỏe Hơn nữa, khói từ bếp nướng khi sử dụng viên gỗ nén nhẹ nhàng và dễ chịu hơn, mang lại trải nghiệm nấu nướng tốt hơn cho người dùng.
Viên gỗ nén đang trở thành nguồn nhiên liệu tương lai cho các ngành công nghiệp, nhờ vào hiệu suất sử dụng cao gấp đôi so với dầu mỏ và khả năng tái sinh, đồng thời thân thiện với môi trường Hầu hết các ngành sản xuất và chế biến hiện nay cần nhiệt độ, thường sử dụng nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ và than đá Tuy nhiên, viên gỗ nén đã được áp dụng rộng rãi trong các hệ thống sưởi ấm trung tâm ở châu Âu, cũng như trong nồi hơi và nhà máy nhiệt điện, góp phần giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.
Hình 1.4 Nhà máy nhiệt điện lớn Anh Quốc sử dụng wood pellet (Drax power station)
C ÁC TIÊU CHUẨN SẢN XUẤT VIÊN GỖ NÉN
Chất lượng viên gỗ là yếu tố quan trọng đối với một bộ phận nhỏ người tiêu dùng trong sinh hoạt hàng ngày, trong khi khách hàng cá nhân có thể tự xử lý và bảo trì bếp viên Ngược lại, trong ngành công nghiệp lớn, tiêu chuẩn chất lượng viên gỗ không được coi trọng như trong lĩnh vực dân cư Trên thị trường, viên gỗ được phân thành hai loại chính: loại tiêu chuẩn cho mục đích công nghiệp và loại cao cấp cho mục đích dân cư Dưới đây là một số tiêu chuẩn kỹ thuật quan trọng mà người tiêu dùng cần lưu ý.
Tro là phần dư sau quá trình đốt cháy hoàn toàn, và hàm lượng tro càng thấp thì viên nhiên liệu càng sạch, giúp thiết bị đốt hoạt động hiệu quả hơn Hàm lượng tro thấp không chỉ giảm tần suất vệ sinh và bảo trì mà còn tăng giá trị gia nhiệt khi đốt Việc xử lý tro cần thời gian và thiết bị chuyên dụng, với hàm lượng tro lý tưởng dưới 3% cho viên nén công nghiệp và dưới 1% cho viên nén cao cấp Ngoài ra, việc sử dụng nguyên liệu có thành phần vỏ cây sẽ làm tăng hàm lượng tro.
Nhiệt độ nóng chảy của tro, hay còn gọi là điểm nóng chảy, là nhiệt độ mà tro bắt đầu tan chảy hoặc mềm đi Để đảm bảo chất lượng cao cho các viên, điểm nóng chảy của tro cần đạt từ 1200-1300 °C Nếu nhiệt độ thấp hơn mức này, có thể dẫn đến việc hình thành xỉ và/hoặc trầm tích.
Hàm lượng kali và natri cao trong tro làm giảm nhiệt độ nóng chảy, trong khi canxi và magiê lại cải thiện điểm tổng hợp của nó Bên cạnh đó, cần chú ý đến hàm lượng K, Cl và S, vì các kim loại này có thể tạo thành clorua, gây ra sự ăn mòn nhanh chóng cho thiết bị trong quá trình đốt cháy.
Khi các hạt tro trong khí thải bị nung nóng đến nhiệt độ nóng chảy, chúng sẽ bám vào các bức tường lò hơi, tạo thành lớp cách ly làm giảm khả năng truyền nhiệt vào nước lò hơi Điều này dẫn đến việc cần phải thường xuyên làm sạch các đường ống nồi hơi Nếu tiếp tục đun nóng, tro sẽ tan chảy hoàn toàn và hình thành xỉ, gây khó khăn trong việc loại bỏ.
Hàm lượng vỏ cây có ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ nóng chảy của tro Cụ thể, điểm nóng chảy của tro từ gỗ nguyên chất (như thông Scots) là 1230 °C, nhưng khi thêm 5% phụ gia vỏ cây, điểm nóng chảy này tăng lên 1567 °C.
Chiều dài, đường kính và mật độ khối (length, diameter và bulk density):
Chiều dài và đường kính là những thông số cơ bản, trong khi mật độ khối đo lường trọng lượng viên trên mỗi thể tích (kg/m³) Viên có mật độ khối lớn hơn sẽ có mật độ năng lượng cao hơn, dẫn đến chi phí vận chuyển và lưu trữ thấp hơn khi khối lượng viên là như nhau.
Độ ẩm nguyên liệu là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến mật độ khối Nguyên liệu thô với kích thước hạt lớn và độ ẩm cao sẽ làm giảm mật độ khối sản phẩm Ngược lại, nhiệt độ và áp suất cao sẽ tăng mật độ khối Theo tiêu chuẩn châu Âu, mật độ khối cần đạt ít nhất 600 kg/m3.
Khi kiểm tra đáy túi viên nén, có thể nhận thấy một lượng nhỏ bụi và hạt vụn siêu mịn, đây là thành phần không mong muốn trong viên nén Theo tiêu chuẩn châu Âu, lượng bụi trong viên nén nên chỉ ở mức 1-2% Nếu phát hiện bụi quá nhiều, cần xem xét lại tỷ số nén của máy ép để cải thiện chất lượng sản phẩm.
Hàm lượng nước trong viên gỗ, được biểu thị bằng phần trăm, ảnh hưởng trực tiếp đến khối lượng và hiệu suất năng lượng của viên nén Độ ẩm thấp giúp tăng sản lượng nhiệt trên mỗi kg, trong khi độ ẩm cao có thể dẫn đến cháy không hoàn toàn và mất ổn định nhiệt Việc lưu trữ viên nén với độ ẩm cao cũng có nguy cơ gây ra hoạt động vi sinh và đốt cháy tự phát trong silo Viên nén có độ ẩm thấp sẽ có bề mặt mịn và bóng đẹp, trong khi viên quá khô dễ vỡ, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Để đảm bảo độ cháy tốt với ít khói, độ ẩm lý tưởng cho viên gỗ nên dưới 10%, phù hợp với tiêu chuẩn châu Âu.
Độ bền cơ học cao của các viên giúp giảm thiểu hư hỏng và vỡ vụn trong quá trình vận chuyển cũng như khi sử dụng trong các máy cấp liệu nhiên liệu Điều này không chỉ duy trì tính nhất quán của viên mà còn giảm lượng bụi phát sinh Thông số này được chấp nhận ở mức 95%.
Hàm lượng nitơ, lưu huỳnh và clo:
Các thông số này, được thể hiện dưới dạng tỷ lệ phần trăm trên tổng trọng lượng của viên, sẽ ảnh hưởng đến mức độ khí thải ô nhiễm và sự ăn mòn của thiết bị sưởi ấm.
Các chỉ số như As, Cd, Cr, Cu, Pb, Hg, Zn, được đo bằng mg/kg, có ảnh hưởng đáng kể đến mức độ phát thải ô nhiễm trong quá trình đốt và hàm lượng tro của viên gỗ nén.
Nhiệt lượng của viên nén (caloric value):
Thông số quan trọng nhất quyết định chất lượng của viên gỗ nén Thông thường, viên gỗ nén có chỉ số năng lượng từ 3500-5000 kcal/kg
Dưới đây là tiêu chuẩn xuất khẩu hàng loại 3 của một doanh nghiệp sản xuất viên nén gỗ cung cấp
Hình 1.5 Thống kê chất lượng của mặt hàng viên nén gỗ đến từ một thương hiệu
T ÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN CỦA VIÊN GỖ NÉN
Vào năm 2014, viên gỗ nén đã trở thành một trong những nhiên liệu có tốc độ tăng trưởng thị trường nhanh nhất trong vòng 10 năm, nhờ vào các chính sách giảm thiểu biến đổi khí hậu và bảo vệ môi trường Sự gia tăng giá dầu thế giới đã khiến người tiêu dùng tìm kiếm các giải pháp tiết kiệm hơn Xu hướng thương mại toàn cầu, đặc biệt là nhu cầu tiêu thụ viên gỗ tại Châu Âu, đã tác động mạnh mẽ đến các nhà sản xuất, thúc đẩy tăng trưởng sản xuất và xuất khẩu, cũng như ảnh hưởng đến sự phát triển của thị trường quốc gia Thị trường viên nén gỗ công nghiệp đang được thúc đẩy bởi các chính sách giảm phát thải carbon, vì đây là nguồn nhiên liệu tái tạo cacbon thấp, có khả năng thay thế than trong các nhà máy điện.
Năm 2015, ngành sản xuất viên gỗ nén đã trải qua khủng hoảng nghiêm trọng do giá dầu thế giới giảm, khiến nhiều nhà sản xuất gặp khó khăn Tuy nhiên, đến năm 2019, tình hình phát triển của viên gỗ nén trở nên khả quan hơn Các quốc gia lớn trên thế giới đã thắt chặt cam kết về khí thải và môi trường, dần chuyển sang sử dụng viên gỗ nén thay thế cho nguyên liệu hóa thạch như than trong sản xuất nhiệt điện Nhiều nhà máy nhiệt điện hiện nay đã hoàn toàn chuyển đổi sang phụ thuộc vào viên gỗ nén.
Hình 1.6 Tính hình xuất khẩu viên nén gỗ từ năm 2012 đến năm 2018 tại Việt Nam
Theo thống kê, năm 2017, Hàn Quốc đã nhập khẩu 2,5 triệu tấn viên nén gỗ, trong đó 65% (hơn 1,7 triệu tấn) đến từ Việt Nam Dự báo đến năm 2022, nhu cầu của Hàn Quốc sẽ tăng lên 5 triệu tấn/năm Ngoài Hàn Quốc, Nhật Bản cũng là một thị trường tiềm năng, với hơn 500.000 tấn viên nén gỗ nhập khẩu từ Việt Nam trong năm 2017, dự kiến sẽ đạt 5 triệu tấn vào năm 2030 Những con số này mở ra cơ hội lớn cho ngành chế biến viên nén gỗ trong nước.
Cơ hội lớn đi kèm với thách thức trong ngành xuất khẩu viên gỗ nén Cuối năm 2018, giá xuất khẩu viên gỗ nén quốc tế đạt 160 USD/tấn, trong khi giá nội địa chỉ khoảng 2.3-2.6 triệu đồng/tấn Mặc dù sản phẩm viên nén gỗ của Việt Nam đủ tiêu chuẩn xuất khẩu, nhưng chất lượng thường chỉ xếp hạng 3, dẫn đến giá thấp hơn so với thị trường quốc tế Nguyên nhân chủ yếu là do các doanh nghiệp trong nước chưa đầu tư mạnh vào công nghệ tiên tiến, tập trung vào sản lượng hơn là chất lượng Tuy nhiên, một số nhà sản xuất đã bắt đầu chuyển mình, áp dụng máy móc hiện đại và tự động hóa trong quy trình sản xuất.
Ngành sản xuất viên nén gỗ, đặc biệt là viên nén mùn cưa, có tiềm năng phát triển mạnh mẽ và là mặt hàng xuất khẩu có thị trường rộng lớn Tuy nhiên, ngành này đang gặp khó khăn do thiếu sự quan tâm từ các cơ quan chức năng, dẫn đến nguồn cung trong nước không đủ để đáp ứng nhu cầu xuất khẩu Để nâng cao hiệu quả kinh tế cho ngành sản xuất viên nén mùn cưa, cần có sự hỗ trợ và chú ý từ phía các cơ quan quản lý.
Hình 1.7 Sản lượng nhập khẩu của thị trường Hàn Quốc những năm gần đây
Hơi nước Buồng trộn sàng
TÌM HIỂU TRANG BỊ ĐIỆN CHO GIAI ĐOẠN ÉP CỦA HỆ THỐNG ÉP VIÊN GỖ NÉN
B ÀI TOÁN TỰ ĐỘNG HÓA DÂY CHUYỀN ÉP VIÊN GỖ NÉN
Yêu cầu và bài toán tự động hóa:
+ Cho nguyên liệu vào là mùn cưa, dăm bào đã qua giai đoạn sấy, đã qua giai đoạn trộn phụ gia
+ Ổn đinh công suất ép theo giá trị đặt để đảm bào năng suất và chất lượng
+ Theo dõi và điều chỉnh đc hoạt động của dây chuyền thông qua máy tính
Sử dụng một PLC trung tâm để nhận tín hiệu từ cảm biến, xử lý dữ liệu bằng thuật toán và phát tín hiệu điều khiển PLC này được kết nối với phần mềm máy tính, cho phép điều chỉnh các thông số một cách linh hoạt thông qua giao diện máy tính.
Sử dụng biến tần để điều khiển băng tải kết hợp với PLC giúp điều chỉnh tốc độ động cơ hiệu quả Tín hiệu về tốc độ sẽ được gửi phản hồi về PLC, cho phép theo dõi và giám sát thông số hoạt động một cách chính xác.
Kết nối động cơ 3 pha của máy ép với khởi động mềm giúp điều khiển lực ép thông qua tín hiệu dòng điện Việc điều chỉnh lượng nguyên liệu vào, bao gồm tốc độ của động cơ tải vít và buồng trộn, ảnh hưởng đến lực ép Tín hiệu dòng điện phản hồi được truyền vào PLC để tối ưu hóa quá trình điều khiển.
S Ơ ĐỒ CÔNG NGHỆ MÔ TẢ HOẠT ĐỘNG CỦA CÔNG ĐOẠN ÉP
a Đông cơ M1 M2 và M4 cần phải lựa chọn, trong khi động cơ M3 là động cơ sẵn có của máy ép
Các cảm biến mức cao và mức thấp chỉ liên quan đến công đoạn trước đó, không sử dụng trong công đoạn ép
Buồng chứa tạm Nguyên liệu sau khi trộn
Cảm biến mức cao Cảm biến mức thấp
Hình 2.1 Sơ đồ công nghệ mô tả hoạt động của công đoạn ép trong dây chuyền ép viên gỗ nén
C ÁC TRANG THIẾT BỊ TRONG CÔNG ĐOẠN ÉP CỦA DÂY CHUYỀN ÉP VIÊN GỖ NÉN
Hình 2.2 Sơ đồ thiết kế của nhà máy sản xuất viên nén gỗ
Sau đây là các thiết bị cần thiết trong công đoạn ép của dây chuyền sản xuất viên nén
Bảng 2.1 Các thiết bị chấp hành
STT Loại thiết bị Mã sản phẩm
1 Động cơ 3 pha không đồng bộ M1 3.5kw
2 Động cơ 3 pha không đồng bộ M2 3.5kw
3 Động cơ 3 pha không đồng bộ M4 2.2kw
Hình 2.3 Sơ đồ thiết kế cho công đoạn ép – hình ảnh phóng to
Bảng 2.2 Các thiết bị điều khiển và cảm biến
STT Loại thiết bị Mã sản phẩm
2 Biến tần 1 cho động cơ M1 FRN0012E2S-4GB
3 Biến tần 2 cho động cơ M2 FRN0012E2S-4GB
4 Biến tần 4 cho động cơ M4 FRN0007C2S-4a
5 Khởi động mềm cho động cơ M3 của máy ép Pstx300-600-70
8 Bộ truyền động cho van HTD-052-DA
9 Bộ định vị cho van EPR-FN2SN3NTR
10 Cảm biến đo độ ẩm MTR-731A
Hình 2.5 Động cơ 3 pha Hình 2.4 Băng tải
T ÌM HIỂU CÁC THIẾT BỊ CHẤP HÀNH
Động cơ 3 pha không đồng bộ, băng tải, vít tải
Tất cả các băng tải và vít tải đều cần động cơ để hoạt động hiệu quả Trong dây chuyền này, chúng ta cần điều khiển ba động cơ 3 pha 380V, bao gồm động cơ cho vít tải và buồng trộn, mỗi động cơ có công suất 3.5kW, cùng với động cơ tải hạt có công suất 2.2kW.
Với sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp gỗ, máy ép viên nén đã trở thành thiết bị phổ biến, có khả năng sử dụng nhiều loại nguyên liệu thô đa dạng như mùn cưa, gỗ, dăm, lá, rơm ngô, rơm lạc, chất thải từ tre, mía, bột ngô, cỏ, và các loại rơm khác như đậu nành và lạc, cũng như vỏ dừa.
Nguyên liệu dăm bào và mùn cưa sau khi trộn với phụ gia sẽ được đưa vào máy ép Tại đây, nguyên liệu sẽ được ép qua một khuôn với các lỗ có kích thước phù hợp, đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn chất lượng.
Kích thước của viên gỗ thường là 6 mm, nhưng có thể lên đến 8 mm hoặc lớn hơn Áp suất cao trong quá trình ép gỗ làm tăng nhiệt độ đáng kể, khiến lignin tự nhiên trong gỗ biến đổi thành một "chất keo" tự nhiên, giúp liên kết các viên gỗ lại với nhau khi chúng nguội đi.
Máy ép viên nén là thiết bị chính trong dây chuyền sản xuất viên nén gỗ, quyết định chất lượng sản phẩm cuối cùng Máy ép viên nén khuông phẳng gồm hai phần: phần quay tròn quanh trục bằng động cơ điện 3 pha và phần nén xuống bằng động cơ thủy lực Thiết bị này tự động điều chỉnh công suất ép phù hợp với lượng nguyên liệu cấp vào, với phần quay hoạt động ở tốc độ cố định, không cần biến tần, chỉ cần khởi động mềm cho động cơ Trong dây chuyền khảo sát, máy ép kahl C39-1000 được lựa chọn với công suất tối đa 2.5 tấn/h, trong đó động cơ phần quay có công suất 160 kW và động cơ phần ép có công suất 0.25 kW.
Hình 2.8 Máy ép viên gỗ nén Kahl
Hình 2.9 Động cơ điện cho bộ phận thủy lực - hình ảnh thực tế
Nồi hơi và máy nén khí
Nồi hơi có dung tích 50l, sử dụng để cung cấp hơi ẩm cho buồng trộn, nhằm điều chỉnh độ ẩm của nguyên liệu trước khi ép
Máy nén khí có tác dụng cấp nguồn điều khiển cho van
Hình 2.10 Động cơ điện cho bộ phận quay, hình ảnh thực tế
Hình 2.11 Máy nén khí (trái) và Nồi hơi (phải)
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO GIAI ĐOẠN ÉP CỦA DÂY CHUYỀN ÉP VIÊN GỖ NÉN
C ÁC YÊU CẦU VỀ SẢN PHẨM ĐẦU RA
Để đạt được chất lượng sản phẩm tối ưu khi ép, độ ẩm của nguyên liệu đầu vào cần duy trì ở mức 8-10% Mức độ ẩm này không chỉ giúp sản phẩm sau khi ép không thay đổi nhiều mà còn đáp ứng các tiêu chuẩn xuất khẩu Về ngoại hình, sản phẩm cần có độ chắc chắn, không bị vụn, chứa ít bụi, và các hạt phải đạt chiều dài tiêu chuẩn, không bị gãy hoặc quá dài Đối với sản lượng, công suất ép cần đạt khoảng 2 tấn/h, trong khi máy ép có công suất tối đa là 2.5 tấn/h.
Yêu cầu về giám sát tự động bao gồm việc theo dõi các thông số kỹ thuật quan trọng, chẳng hạn như tần số hoạt động của các động cơ băng tải và dòng điện tải trên máy ép.
T HIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
+ Các đối tượng của bộ điều khiển Đối tượng cần điều khiển: dòng tải I3 của động cơ máy ép Đối tượng được điều khiển: f1,f2,f4 của các động cơ M1,M2,M4
Thiết bị chấp hành: Biến tần, khởi động mềm
+ Xác định nguyên tắc điều khiển:
Hệ thống điều khiển đơn giản, điều khiển tốc độ động cơ để tải đầu ra không đổi, vậy nên ta sử dụng bộ điều khiển PID quen thuộc
+ Sơ đồ vòng điều khiển
Hình 3.1 Viên nén đạt chất lượng và viên nén kém chất lượng
+ Kết nối các phần tử với nhau
Kết nối giữa biến tần, khởi động mềm, cảm biến và PLC sử dụng tín hiệu analog và digital, đồng thời thiết lập kết nối giữa PLC, module mở rộng và máy tính qua giao thức ethernet.
Sơ đồ Hình 3.2 mô tả hệ thống gồm ba biến tần điều khiển các động cơ M1, M2 và M4, cùng với khởi động mềm cho động cơ M3 Hệ thống sử dụng PLC S7-1200 kết hợp với module 1231 8AI và module 1232 4AQ Nguồn cấp cho hai module vào ra là nguồn ngoài 24V, với đầu ra DQ của PLC được cung cấp tín hiệu (+24V là dương nguồn, GND là âm nguồn 24V).
Các tín hiệu phản hồi FMA/FM với giá trị 0-10V được kết nối với AI1 trên PLC, cùng với 0+ và 2+ trên module đầu vào tương tự Đây là các tín hiệu phản hồi tần số f1, f2, f4 từ biến tần gửi về PLC.
Tín hiệu analog từ PLC được thiết lập theo chuẩn 4-20mA, với các chân 0, 1, 2 trên module đầu ra analog kết nối đến chân C1 trên biến tần Điều này cho phép nhận tín hiệu điều khiển tần số hoạt động của các động cơ f1, f2 và f4.
Chân 11 trên các biến tần là chất đất của tín hiệu analog vào/ra
Tín hiệu AO từ khởi động mềm (29) có giá trị trong khoảng 4-20mA, có thể điều chỉnh để phản hồi tín hiệu dòng điện tải I3 của động cơ M3 Kết nối 2+ tại (29) và 2- tại (30) để hoàn tất quá trình.
Ngoài ra, tín hiệu điều khiển van và phản hồi van, tín hiệu từ cảm biến độ ẩm đều là 4-20mA
Các chân REV, FWD của biến tần và start, stop của khởi động mềm được nối với các
DQ của PLC có tác dụng điều khiển động cơ chạy hoặc dừng
Các biến tần và khởi động mềm
Hình 3.2 Sơ đồ vòng điều khiển
53 Để việc kết nối hoàn thiện, ta cần cài đặt một vài tham số trên biến tần và khởi động mềm Đối với biến tần của động cơ M1,M2 và M4
F01 = 2 (Biến tần thay đổi tần số dựa trên giá trị dòng điện của chân C1)
F02 = 1 ( để có thể điều khiển động cơ chạy hoặc dừng thông qua tín hiệu số của FWD và REV)
F03 và F04 cài đặt dải tần số tương ứng
F31 = 0 (để chân FM/FMA phản hồi tín hiệu tần số ra theo điện áp từ 0-10V)
Hình 3.3 Kết nối vào ra giữa biến tần, khởi động mềm và PLC
54 + Cài đặt đầu ra cho analog cho khởi động mềm
Hình 3.4 Điều khiển chạy dừng động cơ thông qua chân REV và FWD của các biến tần
Hình 3.6 Kết nối DI kiểu source cho các biến tần
Hình 3.5 Vài thông số cần thiết lập cho đầu ra AO của khởi động mềm
+ Cấu hình phần mềm cho PLC tia portal
Thêm cpu, thêm module vào ra AI x8 và AQ x4
Thiết lập dạng tín hiệu mà cổng analog sẽ đọc/phát là dòng điện hay điện áp
Hình 3.8 Thiết lập loại tín hiệu analog trên các khối module
Hình 3.9 Xử lý tín hiệu analog vào, đưa về dạng đúng để hiển thị
Sử dụng khôi chức năng norm_x để đưa giá trị analog nhận được thành tín hiệu theo
Out = (value-min)/(max-min)
Sử dụng hàm scale_X giúp chuyển đổi tín hiệu đã xử lý thành giá trị phần trăm trong dải giá trị thực của tín hiệu Ví dụ dưới đây minh họa cách hiển thị giá trị dòng điện tải trên máy ép, trong đó tín hiệu đầu vào là dòng điện 0-10mA, được lưu trữ dưới dạng số tương đương từ 0.
27648 Qua hai hàm chuyển đổi, ta đã có thể hiển thị giá trị dòng điển tải này chính xác
Sau cùng, tiến hành thiết kế màn hình HMI, ta sẽ được màn hình hiển thị như thế này
Hình 3.10 Màn hình hiển thị HMI công đoạn ép của dây chuyền ép viên gỗ nén - hình ảnh thực tế khảo sát
S Ử DỤNG CHỨC NĂNG PID CỦA PLC S7-1200
PLC S7-1200 có tính năng hiện đại tự động nhận diện hệ thống và cung cấp bộ điều khiển PID thích hợp thông qua chức năng commissioning của PID_compact Dưới đây là một số hướng dẫn để sử dụng chức năng này hiệu quả.
Tạo khối ngắt chu kỳ (cyclic interrupt) giúp bộ điều khiển PID hoạt động liên tục với tần số cố định, không bị ảnh hưởng bởi vòng quét và các thiết bị khác Tần số hoạt động của khối ngắt chu kỳ này được điều chỉnh thông qua thời gian chu kỳ (cyclic time).
Probram blocks add new block cyclic interrupt OK
To utilize the PID_compact block in PID control technology, follow these steps: navigate to Instructions, then Technology, and select PID control to access PID_compact The block features several input and output parameters: the input (%) and input_per (analog range from 0-27648) serve as the inputs, while the output (%) and output_per (analog range from 0-27648) represent the outputs Additionally, the output_pwm parameter indicates the control pulse output, and the state parameter reflects the operational status of the system.
Hình 3.11 Tạo khối cyclic interrupt
Vào configuation để tùy chỉnh khối pid_compact
Thao tác: Project tree PLC_1 Technology objects PID_compact_1 [DB1]
Hình 3.14 Configuration của khối pid_compact
Hình 3.13 Khối PID_compact Hình 3.12 Các chế độ vận hành của bộ pid_compact thông qua giá trị state
Khi chọn loại điều khiển trong controller type, nếu chọn Voltage, giá trị đầu ra của bộ PID sẽ là Vol, mV Nếu chọn Length, giá trị đầu ra sẽ là độ dài với các đơn vị cm, dm, m Tuy nhiên, người dùng có thể giữ nguyên tùy chọn General, lúc này giá trị đầu ra sẽ là %.
Thao tác: Basic settings controller type
Để điều khiển ngược, đầu ra của bộ PID sẽ tăng lên khi giá trị đo được lớn hơn giá trị đặt Trong phần "Set Mode to", có năm chế độ vận hành: inactive (không hoạt động), pretuning (nhận dạng thô), fine tuning (nhận dạng tinh), automatic mode (chạy tự động), và manual mode (vận hành tay) Ở đây, chúng ta sẽ tạm thời chọn chế độ automatic mode.
Tiếp tục lựa chọn đầu vào ra
Thao tác: Input / output parameters
Hình 3.16 chọn chế độ hoạt động automatic mode
Nếu chọn Input hoặc Output thì tín hiệu là các tín hiệu số (đã qua xử lý)
Còn nếu sử dụng ngay tín hiệu của các đầu vào ra tương tự thì chọn input_PER(analog) / output_ PER(analog)
Output_PWM là đầu ra tạo xung
Các thông số trong phần process value settings để điều chỉnh dải scale, và giới hạn các tín hiệu vào ra, ta có thể giữ nguyên
In the Advanced settings, skip the first three options and select PID Parameters Here, you can check the Enable manual entry option if you wish to manually adjust the PID settings However, uncheck it if you prefer to use the commissioning tool for automatic recognition.
Hình 3.18 Điều chỉnh bộ PID Hình 3.17 Lựa chọn đầu vào ra cho bộ PID
Sau khi hoàn tất cài đặt và tải chương trình xuống PLC, chúng ta có thể sử dụng chức năng commissioning để PLC nhận diện hệ thống tự động và tự động thiết lập bộ số PID.
Chọn commissioning ngay bên dưới configuration
Trong phần này, ta sẽ bắt đầu nhận dạng hệ thống với Pretuning
Thao tác: Ở mục Turning mode Pretuning Start
Hình 3.21 Màn hình commissionning, bắt đầu với nhận dạng pretuning, nhấn start
Hình 3.19 Chọn Download to device, tải chương trình xuống PLC
Sau khi hoàn thành quá trình pretuning, chúng ta đã có một bộ PID thô với độ chính xác khoảng 80-90% Tiếp theo, chúng ta chuyển sang chế độ fine tuning để tối ưu hóa bộ PID và đạt được độ chính xác cao nhất Các bước thực hiện bao gồm: Chọn chế độ Tuning, sau đó chọn Fine tuning và nhấn Start.
Sau khi đã hoàn thành commissioning (chạy ổn định rồi, bộ PID đã dừng hoạt động), ta upload thông số pid này vào bộ điều khiển
Sau khi thực hiện bước này, bạn có thể tự điều chỉnh hệ thống bằng tay để cải thiện hiệu suất Để làm điều này, hãy quay lại phần PID parameters trong Configuration và tích chọn Enable manual entry, cho phép bạn thay đổi các thông số của bộ PID.
Sau khi quá trình nhận dạng hoàn tất và đã thiết lập một bộ PID ổn định cho hệ thống, việc nhận dạng lại sẽ không cần thiết trừ khi có thay đổi về phần cứng Giữ nguyên các tham số PID đã được xác định để bộ PID_compact có thể hoạt động ở chế độ tự động trong quá trình sản xuất và vận hành.
Hình 3.22 Chọn Fine tuning trong tuning mode, sau đó nhấn start
Hình 3.23 Nhấn upload PID parameters để cập nhật bộ thông số PID
Hình 3.24 Điều chỉnh tham số bộ PID bằng tay
Trong bối cảnh giảm thải ô nhiễm môi trường, ngành công nghiệp sản xuất viên gỗ nén đang trở thành mối quan tâm hàng đầu tại Việt Nam và các cường quốc công nghiệp Mặc dù sản xuất viên nén đã tồn tại từ thế kỷ trước, nhưng ngành này ở Việt Nam vẫn chủ yếu mang tính thủ công Đồ án này hy vọng chứng minh rằng tự động hóa trong sản xuất viên nén gỗ là khả thi, giúp doanh nghiệp nâng cao năng suất lao động và sẵn sàng đầu tư Bài viết chỉ đề cập đến những khía cạnh cơ bản của dây chuyền sản xuất viên nén gỗ.
Qua đồ án này, tôi đã trình bày và giải quyết được các vấn đề sau:
+ Nắm vững quy trình công nghệ sản xuất viên nén gỗ
+ Đưa và được ý tưởng, phương pháp và phương thức cụ thể để điều khiển tự động cho khâu ép của dây chuyền sản xuất viên nén
Tuy vậy, đồ án nãy vẫn chưa hoàn thiện bởi:
+ Đồ án vẫn chưa nghiên cứu tự động hóa cho các khâu sấy, trộn và làm mát
+ Đồ án vẫn chưa có cơ hội áp dụng và thử nghiệm trực tiếp
Phương hướng phát triển trong tương lai: Thiết kế tự động hóa cho toàn bộ dây chuyền nhà máy.
