Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ điều khiển giám sát tự động để tối ưu năng suất và cỡ hạt máy nghiền bột đá siêu mịn cỡ micromet trên cơ sở công nghệ điều khiển lập trình với sự trợ giúp của máy tính

t

BỘ CÔNG THƯƠNG
VIỆN MÁY VÀ DỤNG CỤ CÔNG NGHIỆP





BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI
MÃ SỐ: 142.11RD/ HĐ-KHCN



Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT
TỰ ĐỘNG ĐỂ TỐI ƯU NĂNG SUẤT VÀ CỠ HẠT MÁY NGHIỀN BỘT
ĐÁ SIÊU MỊN CỠ µM TRÊN CƠ SỞ CÔNG NGHỆ ĐIỀU KHIỂN LẬP
TRÌNH VỚI SỰ TRỢ GIÚP CỦA MÁY TÍNH


CƠ QUAN CHỦ TRÌ CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI

TS. NGUYỄN ĐỨC MINH ThS. PHAN ANH DŨNG





9065



Hà Nội, tháng 11/2011

2
BÁO CÁO TÓM TẮT TÌNH HÌNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP BỘ NĂM 2011
1. Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ điều khiển giám sát tự động để
tối ưu năng suất và cỡ hạt máy nghiền bột đá siêu mịn cỡ
µ
m trên cơ sở công
nghệ điều khiển lập trình với sự trợ giúp của máy tính.
2. Chủ nhiệm đề tài: ThS. Phan Anh Dũng
3. Thời gian thực hiện đề tài: Từ 01/01/2011 đến 30/11/2011
4. Nội dung và kết quả đạt được
Sau thời gian nghiên cứu và triển khai đề tài, nhóm nghiên cứu đã thực
hiện được các công việc sau:
+ Thu thập và nghiên cứu tài liệu về ứng dụng của hệ đ
iều khiển cho máy
nghiền bột đá siêu mịn.
+ Khảo sát các hệ thống điều khiển cho máy nghiền bột đá siêu mịn hiện đang
được sử dụng trong nước và trên thế giới.

+ Thiết kế, lựa chọn thiết bị phần cứng cho hệ thống điều khiển máy nghiền
bột đá siêu mịn phù hợp với điều kiện Việt Nam.
+ Thiế
t kế, chế tạo hệ thống điều khiển cho máy nghiền bột đá siêu mịn.
+ Xây dựng phần mềm điều khiển giám sát tự động cho máy nghiền bột
đá siêu mịn.
+ Thử nghiệm hệ thống điều khiển trên cơ sở mô phỏng thiết bị đầu vào.
+ Khảo nghiệm đánh giá chất lượng của hệ thống.
+ Hoàn thiện thiết kế nguyên lý, thi
ết kế mạch in, phần mềm xử lý và quy
trình lắp ráp sản phẩm.
5. Tài chính
Kinh phí của đề tài đã được sử dụng hết phục vụ cho công tác khảo sát
nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và hoàn thiện sản phẩm. Kinh phí sử dụng theo
đúng quy định của nhà nước.

3
6. Kiến nghị
Nhóm thực hiện đề tài đã thực hiện đúng các yêu cầu của đề tài đã đăng
ký, các nội dung công việc về khảo sát, thiết kế, chế tạo và hoàn thiện sản phẩm.
Hiện nay các nội dung cơ bản của đề tài đã được hoàn thành. Đề nghị cho
phép báo cáo nghiệm thu đề tài.


Chủ nhiệm đề tài




ThS.Phan Anh Dũng

4
DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN CHÍNH

STT Họ và tên Học hàm, học vị, chuyên
môn
Cơ quan
1 Phan Anh Dũng Thạc sỹ Điện tử-Viễn Thông Viện Máy và DCCN
2 Nguyễn Hoài Anh Thạc sỹ Tự động hóa Viện Máy và DCCN
3 Ngô Xuân Cường Thạc sỹ Điện tử-Viễn Thông Viện Máy và DCCN
4 Đỗ Tùng Linh Thạc sỹ Chế tạo máy Viện Máy và DCCN

5 Nguyễn Bá Diệu Kỹ sư Chế tạo máy Viện Máy và DCCN
6 Lê Hoàng Hải Kỹ sư Tự động hóa Viện Máy và DCCN
7 Nguyễn Trung Kiên Kỹ sư Tự động hóa Viện Máy và DCCN
8 Dương Văn Nghĩa Kỹ sư Tự động hóa Viện Máy và DCCN
9 Nguyễn Hữu Vĩnh Kỹ sư Tin học Viện Máy và DCCN
10 Nguyễn Hồng Giang Kỹ sư Điện tử -Viễn Thông Viện Máy và DCCN


















5
MỤC LỤC

Hạng mục Trang
Lời nói đầu 6
Phần 1: Tổng quan 8

1. Công nghệ nghiền bột đá siêu mịn 8
2. Một số máy nghiền bột đá siêu mịn đặc trưng 11
3. Ứng dụng của bộ điều khiển tự động trong máy nghiền bột đá
siêu mịn 13
4. Tình hình nghiên c
ứu ở trong nước và ngoài nước 13
5. Một số thiết bị điều khiển nghiền tự động ở Việt Nam 15
Phần 2: Nội dung nghiên cứu của đề tài 19
1. Xây dựng cấu trúc hệ điều khiển các máy nghiền bột đá siêu mịn 19
2. Lựa chọn cấu hình thiết bị phù hợp điều kiện Việt Nam 21
3. Thiế
t kế mạch nguyên lý các mô đun 23
3.1. Mô đun điều khiển cấp liệu 23
3.2. Mô đun điều khiển nghiền 26
3.3. Mô đun điều khiển phân ly 29
3.4. Mô đun điều khiển lọc giũ 30
3.5. Mô đun điều khiển áp lực khí 31
3.6. Mô đun truyền thông 32
3.7. Mô đ
un nguồn 32
4. Phương án chế tạo phần cứng cho các mô đun 33
5. Thiết kế phần mềm giám sát điều khiển 34
Phần 3: Kết quả chế tạo và thử nghiệm 52
1. Kết quả chế tạo 52
2. Kết quả thử nghiệm hiện trường 53
Phần 4: Kết luận và kiế
n nghị 61
Phụ lục 1: Sơ đồ mạch in các mô đun 62
Phụ lục 2: Mã nguồn phần mềm điều khiển hệ thống 67
Phụ lục 3: Sơ đồ điện hệ thống nghiền 86

Phụ lục 4: Biểu đồ năng suất theo độ mở van và tốc độ phân ly 93




6
LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời gian qua, cùng với sự phát triển của đất nước, các sản phẩm cơ
điện tử công nghệ cao có mặt ở khắp mọi nơi. Trong sự phát triển chung của các
sản phẩm cơ điện tử, các máy nghiền siêu mịn cũng có mặt ở khắp mọi nơi.
Với hệ thống cơ khí chính xác và tính chất vật liệu siêu bền, các hệ thống
nghiền đã tạo ra rất nhiều hạt vật liệu phục vụ cho trong nước và xuất khẩu.
Tuy nhiên, các máy nghiền trên, mà tiêu biểu là máy nghiền của hãng
Hosokawa, có hệ điều khiển được thực hiện theo kiểu bán thủ công. Việc đặt các
thông số tối ưu cho hệ thống được thực hiện theo kinh nghiệm người vận hành.
Ngoài ra, trong quá trình vận hành, người vận hành sẽ luôn quan sát các thông
số cấp liệu, dòng nghiền, tố
c độ phân ly và lưu lượng gió để kịp thời hiệu chỉnh
đảm bảo cho cỡ hạt đúng yêu cầu và năng suất đạt tối đa. Vì vậy, việc nghiên
cứu để hệ thống tự động giám điều chỉnh các thông số phù hợp là rất cần thiết.
Trong những năm gần đây, công nghệ vi điều khiển đã có nhiều tiến bộ
vượt b
ậc. Ngoài vấn đề tốc độ xử lý, dung lượng bộ nhớ, các mô đun hỗ trợ
ngày càng nhiều thì các dòng vi điều khiển đã chú trọng nhiều hơn đến việc tăng
dòng phát/thu, đặc biệt là tăng khả năng chống nhiễu, rất thuận lợi cho việc sử
dụng trong công nghiệp.
Viện IMI đã có nhiều năm hoạt động trong lĩnh vực thiết kế, chế tạ
o máy
móc phục vụ lĩnh vực xây dựng. Do vậy Viện đã có nhiều công trình nghiên cứu

và cho ra đời nhiều sản phẩm đo lường điều khiển dùng máy CNC, dùng Máy
tính công nghiệp, dùng PLC và dùng vi điều khiển. Nhiều sản phẩm hiện đang
được ứng dụng trên các máy với độ tin cậy cao cũng như khả năng bảo hành,
bảo trì sản phẩm một cách dễ dàng, tiết kiệm được rất nhi
ều ngoại tệ cho đất
nước. Riêng về lĩnh vực vi điều khiển, IMI đã nghiên cứu và chế tạo thành công
nhiều hệ thống điều khiển đang được sử dụng như cân đóng bao, bộ điều khiển
trạm trộn bê tông IMIDAT, bộ điều khiển định lượng 3 thành phần,
Với khả năng nắm bắt nguyên lý hoạt động của hệ
thống nghiền siêu mịn,
sự phát triển của công nghệ Vi điều khiển cùng kinh nghiệm trong lĩnh vực đo
lường điều khiển của IMI, chúng tôi đã quyết định lựa chọn đề tài “Nghiên cứu,
thiết kế, chế tạo bộ điều khiển giám sát tự động để tối ưu năng suất và cỡ hạt
máy nghiền bột đá siêu mịn cỡ

µ
m trên cơ sở công nghệ điều khiển lập trình
với sự trợ giúp của máy tính”.

7
Mục đích của đề tài là sử dụng máy tính kết hợp vi điều khiển và các linh
kiện phụ trợ để xây dựng một bộ điều khiển giám sát tự động để tối ưu năng suất
và cỡ hạt máy nghiền bột đá siêu mịn cỡ µm được sản xuất tại Việt Nam như
sau:
+ Nghiên cứu, thiết kế hoàn chỉnh hệ thống
điều khiển kết nối với máy
nghiền bột đá siêu mịn trên cơ sở thiết bị lập trình.
+ Chế tạo hoàn chỉnh chế tạo hệ thống điều khiển giám sát tự động kết nối
với thiết bị máy nghiền của hãng HOSOKAWA - CHLB Đức. Xây dựng phần
mềm điều khiển và giám sát tự động để tối ưu năng suất và cỡ

hạt cho máy
nghiền bột đá siêu mịn.
Vì thời gian có hạn nên không thể tránh khỏi những sai sót nhất định,
chúng tôi rất mong nhận được các ý kiến đóng góp chân tình để đề tài ngày càng
hoàn thiện hơn, có tính thực tế cao hơn, góp phần nâng cao khả năng nội địa hoá
các sản phẩm cơ điện tử cũng như góp phần nâng cao trình độ nhóm ngành điện
tử công nghiệp tại Việt nam.
Nhóm đề tài xin chân thành cả
m ơn sự hỗ trợ cũng như những ý kiến
đóng góp của Lãnh đạo Viện, lãnh đạo Trung tâm và các đồng nghiệp trong quá
trình thực hiện đề tài.
Hà nội, ngày 15 tháng 11 năm 2011
TM Nhóm đề tài
Chủ nhiệm đề tài




ThS. Phan Anh Dũng










8

Phần 1
TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ
1. Công nghệ nghiền bột đá siêu mịn
Làm thế nào để nghiền các vật liệu có độ cứng khác nhau thành bột siêu
mịn tới độ hạt nhỏ hơn 40 µm ( 1µm = 0.001 mm) đang được rất nhiều hãng trên
thế giới nghiên cứu và cải tiến hàng ngày. Qua quá trình nghiên cứu phát triển
đã cho ra đời một số công nghệ nghiền như sau:
Máy nghiền rung : Máy nghiền siêu mịn phương pháp rung
được sáng
chế từ những năm 50 thế kỷ 20. Nguyên lý hoạt động gần giống như máy nghiền
bi. Năng lượng nghiền được chuyển đến vật liệu nghiền thông qua hệ thống bi
nghiền rung cao tần. Máy nghiền rung hiện là máy có hiệu suất truyền năng
lượng nghiền cao nhất. Nếu như ở thiết bị nghiền thông thường, để nghiền nhỏ
đến 5 um là rất khó, thì ở thiế
t bị loại này có thể giải quyết được. Mặt hạn chế cơ
bản của phương pháp này là năng suất nghiền thấp do khó khăn trong việc
truyền toàn bộ năng lượng cao rung tầng hiệu quả tới số bi nghiền rất lớn. Vì
vậy các thiết bị này chỉ được dùng phổ biến trong phòng thí nghiệm hoặc sản
xuất với quy mô nhỏ. Rất nhiều hãng tên tuổi trên thế gi
ới đang phát triển theo
hướng này với mong muốn đạt được công suất cao, song dẫn đến giá thành chế
tạo vô cùng đắt, ví dụ như sử dụng bi nghiền là loại bi gốm ( sứ ).
Máy nghiền kiểu khí nén: Vào những năm 90 của thế kỷ 20, một nguyên
lý nghiền siêu mịn kiểu “ thổi khí nén “ nhờ hệ thống máy nén khí đã được ứng
dụng tại các nước Châu Âu. Nguyên liệu cần nghiền được “th
ổi” vào buồng
nghiền do một dòng không khí cực mạnh tạo nên. Dòng không khí này do một
hệ thống khí nén công suất cực mạnh với áp lực rất lớn tạo ra. Tất nhiên, quả tim
của hệ thống này là máy nén khí đặc biệt rất đắt tiền, được chế tạo đơn chiếc.
Phương pháp này có 3 nhược điểm cơ bản:

- Thứ nhất, tỷ suất nghiền thấp và tiêu hao năng lượng cao hơ
n rất nhiều
so với nguyên lý nghiền bi và nghiền rung, phần lớn năng lượng do máy nén khí
cung cấp chủ yếu để đẩy không khí chứ không phải để nghiền sản phẩm.
- Thứ hai, nhược điểm cơ bản là vấn đề tách và thu hồi sản phẩm lẫn trong
dòng khí với áp lực lớn. Việc tách được ra rất tốn kém. Với những hạt sản phẩm
với kích thước từ 10 um trở
xuống, muốn tách được phải dùng đến hệ thống xilo
khổng lồ và những túi lọc rất tốn kém.

9
- Thứ ba, độ bào mòn rất lớn các tấm lót trong buồng nghiền do áp lực khí
tạo nên với áp lực lên tới 200 m/s
Máy nghiền kiểu rotor : Hiện nay, người ta nói đến công nghệ nghiền
rotor siêu mịn áp dụng trong lĩnh vực quốc phòng Nga, Tây Âu và Mỹ. Các thiết
bị nghiền kiểu này đều không được công bố và chỉ được mô tả một cách chung
chung là : bộ phận chính của máy là một rotor quay với vận tốc cực lớn. Làm
sao để quay rotor vớ
i tốc độ cực lớn. Không một tài liệu nào được công bố và
chưa biết liệu có loại động cơ nào đang phổ biến đáp ứng được đòi hỏi đó. Vì
vậy, khả năng ứng dụng trong thực tiễn là xa vời và có thể là không khả thi bởi
tính kinh tế của nó
Máy nghiền bi

Hình 1.1: Máy nghiền bi
Nghiền bi động năng cao hay Nghiền bi năng lượng cao (xuất phát từ tên
gốc là High-energy ball milling) là một kỹ thuật luyện kim bột cho phép tạo ra
các bột vật liệu có kích thước vài chục nanomet bằng cách nghiền các vật liệu
dựa trên sự va đập từ các bi thép cứng được quay trong buồng kín với tốc độ rất
cao. Đây là một dạng công nghệ đang được dùng phổ biến, vì vậy, ta sẽ tìm hiểu

sâu h
ơn về loại công nghệ này.
Nguyên lý hoạt động:
Phương pháp nghiền bi động năng cao là kỹ thuật dựa trên việc nghiền
các vật liệu nhờ sự va đập của các bi thép (không rỉ) với vật liệu khi được đặt
vào buồng kín được quay ly tâm với tốc độ rất cao (có thể đạt 650 vòng/phút đến
vài ngàn vòng phút).
Khi mở máy quay, bi nghiền phía trong vỏ lúc đầu quay cùng nhờ lực ma
sát, sau đó một số bi tách ra khỏi v
ỏ và rơi xuống theo quỹ đạo parabol, một số

10
bi khác lăn trượt lên nhau. Kết quả là vật liệu được nghiền nhỏ do sự trượt tương
đối giữa các viên bi và do va đập của bi vào vật liệu.

Hình 1.2:
Nguyên lý nghiền bi
Máy nghiền bi là sự lựa chọn trong nhiều năm của công nghiệp sản xuất
bột khoáng sản cao cấp hoặc dùng để nghiền các loại quặng sắt và các vật liệu
khác, là thiết bị quan trọng trong việc nghiền mịn. Máy nghiền bi sử dụng rộng
rãi vào các ngành nghiệp sản xuất như xi măng, sản phẩm si-li-cát, vật liệu xây
dựng kiểu mới, vật liệu chịu lử
a, phân hóa học, chọn quặng kim loại màu và
đen, thủy tinh sự gốm …
Phân loại:
- Theo chế độ làm việc :
+ Làm việc theo chu kỳ.
+ Làm việc liên tục
- Theo phương pháp nghiền:
+ Nghiền khô

+ Nghiền ướt
- Theo kết cấu máy nghiền :
+ Hình trụ 1 bi nghiền
+ 2 buồng nghiền
+ Hình trụ nhiều buồng nghiền
+ Hình nón
+ Theo tỉ số L/D
+ Nghiền bi tang
+ Nghiền bi ống
- Theo phương pháp nạp và thoát liệu :

11
+ Nạp và xả qua 1 cửa
+ Nạp vào 1 cửa, xả theo chu vi
+ Nạp qua tâm trục chính, xả theo lỗ rỗng
- Theo kết cấu truyền động:
+ Truyền động tâm
+ Truyền động chu vi
- Theo sơ đồ vận chuyển của vật liệu bị nghiền:
+ Sơ đồ hở
+ Sơ đồ kín


Hình 1.3:
Cấu trúc khoang nghiền bi

2. Một số máy nghiền siêu mịn đặc trưng

12
2.1. Máy nghiền quả lô Series

Loại máy nghiền quả lô này thích hợp để nghiền hơn 280 loại nguyên vật
liệu sử dụng trong các ngành khoáng sản, hóa chất, vật liệu xây dựng, luyện
kim v.v có độ cứng không lớn hơn cấp 7, độ ẩm dưới 6% như các vật liệu: đá
vuông, đá nhọn, đá trượt, đá vôi, gốm sứ, kính,v.v…cỡ hạt liệu thành phẩm có
thể điều chỉnh trong phạ
m vi là 100- 425mesh


Hình 1.4: Máy nghiền quả lô Series
2.2. Máy nghiền Alpine AG của hãng HOSOKAWA
Đây là dạng máy nghiền bi thông dụng ở Việt nam hiện nay, được dùng
rất nhiều ở các tỉnh có mỏ đá trắng lớn như Nghệ An, Yên bái, Máy sử dụng
công nghệ của Đức, được phân phối bởi hãng HOSOKAWA của Nhật Bản. Do
vậy, các kết cấu cơ khí cũng như thiết bị điều khiển của máy nghiền có chất
l
ượng rất tốt.

13

Hình 1.5:
Quả nghiền trong máy nghiền Alpine tự động
3. Ứng dụng của bộ điều khiển trong các máy nghiền siêu mịn
Các máy nghiền siêu mịn hiện nay được thiết kế theo quy trình khép kín
gồm cấp liệu, nghiền, phân ly và lọc nguyên liệu. Việc đặt các thông số các cụm
thiết bị cho phù hợp với nhau là rất cần thiết. Tuy nhiên, nhóm thông số này chỉ
nhận được thông qua kinh nghiệm hoạt động thực tế. Người vậ
n hành thường
đặt các thông số trong quá trình chạy máy để đảm bảo tối ưu năng suất.Do vậy,
các bộ điều khiển tự động cho các máy nghiền đã được nghiên cứu từ lâu.
Các bộ điều khiển nghiền tự động có thể ở một trong các dạng sau:

+ Sử dụng máy tính kết hợp các mô đun thu thập xử lý dữ liệu cho việc
điều khiển chung.
+ Sử d
ụng PLC kết hợp với các mô đun I/O và ADC, DAC cho việc quản
lý dữ liệu và điều khiển.
+ Sử dụng kết hợp máy tính và các mô đun vi điều khiển cho việc quản lý
điều khiển hệ thống.
4. Tình hình nghiên cứu ở trong nước và ngoài nước
Trong các sản phẩm cơ điện tử công nghệ cao ngày nay, ngoài các yêu
cầu về cơ khí chính xác đạt độ ổn định cao còn cần các hệ thống
điều khiển
giám sát tự động cùng phần mềm quản lý dữ liệu tốt phục vụ cho quá trình sản
xuất và quản lý.
Trong công nghiệp sản xuất vật liệu cho các ngành công nghiệp nhẹ, các
nguyên liệu đầu vào dưới dạng hạt chiếm tương đối lớn. Để tạo ra nguyên liệu

14
dưới dạng hạt cung cấp cho dây chuyền trên thường sử dụng các máy nghiền
vật liệu, tùy theo yêu cầu hạt đầu ra sẽ sử dụng máy nghiền thích hợp.
Trên thế giới, để phục vụ cho đầu vào cho các dây chuyền sản xuất vật
liệu đầu vào của thiết bị hạt mịn là rất lớn. Vì vậy đã hình thành những hãng
sản xuất thiết bị máy nghiền siêu mịn rất l
ớn như: Hosokawa Alpine, Christian
Pfeiffer, Hazemag - CHLB Đức, Bằng nghiên cứu rất kỹ về công nghệ và
ứng dụng những thành tựu khoa học mới nhất đặc biệt là công nghệ điều khiển
các thiết bị của các hãng này càng tối ưu, chất lượng sản phẩm cao hơn và đặc
biệt cỡ hạt càng bé hơn. Việc giải quyết các bài toán tối ưu trong máy nghiền
tạo ra đặc trưng riêng và bí quyết công nghệ củ
a từng hãng tạo ra sự cạnh tranh
cho sản phẩm của mình. Hiện nay, trong các hãng sản xuất thiết bị máy nghiền

thì chỉ có thiết bị máy nghiền của một vài hãng nghiền được sản phẩm cỡ µm,
chủ yếu tập trung ở các nước công nghệ cao đặc biệt là CHLB Đức
Bột đá siêu mịn (cỡ µm) là nguyên liệu cho rất nhiều ngành sản xuất cao
cấp như: sơn, mỹ phẩm, men cho gố
m sứ, do vậy rất cần các thiết bị máy
nghiền bột đá siêu mịn cho sản xuất nguyên liệu cao cấp này. Hiện nay máy
nghiền bột đá siêu mịn được sản xuất chủ yếu từ các nước công nghiệp phát
triển (G7) trong đó chủ yếu là các hãng của CHLB Đức như: Hosokawa
Alpine,
Tại các nước công nghiệp đang phát triển như: Trung Quốc, Hàn
Quốc, do nhu cầu cấp bách của thực tiễn
đang đầu tư nghiên cứu để tạo ra
các máy nghiền bột đá siêu mịn cạnh tranh với sản phẩm của các nước công
nghiệp phát triển nói trên. Sản phẩm máy nghiền bột đá siêu mịn của các nước
này mới đáp ứng được trong các dây chuyền bột đá siêu mịn cỡ trung bình và
lớn, do vậy cần tiếp tục nghiên cứu kỹ và cải tiến nhiều về chất lượng mớ
i đáp
ứng được nhu cầu của sản xuất hiện đại.
Để đạt được bột đá siêu mịn (cỡ vài chục µm) thì việc điều khiển máy
nghiền phải giải quyết rất nhiều bài toán về năng suất và kích cỡ hạt. Vì vậy
đây chính là bí quyết công nghệ mà chỉ có những hãng từ các nước công
nghiệp phát triển có được. Đây chính là chìa khóa giúp giá trị thiết bị máy
nghiền bộ
t đá siêu mịn của các nước công nghiệp phát triển rất cao.
Nước ta có nhiều núi đá trắng nên nguồn nguyên liệu để sản xuất bột đá siêu
mịn rất dồi dào đáp ứng thoải mái cho nhu cầu trong nước và có khả năng xuất
khẩu rất lớn nguyên liệu bột đá siêu mịn này. Trước nhu cầu cấp bách rất nhiều

15
các cơ sở sản xuất trong nước đã tự đầu tư nhập dây chuyền sản xuất bột đá siêu

mịn từ các nước công nghiệp phát triển. Các dây chuyền tập trung chủ yếu tại
những vùng có nguồn nguyên liệu lớn như: Nghệ An, Yên Bái, , những thiết bị
nghiền bột đá siêu mịn nổi tiếng trên thế giới cũng được nhập về trong nước như
thi
ết bị của hãng Hosokawa Alpine - CHLB Đức.
Bột đá siêu mịn sản xuất trong nước không những đáp ứng nhu cầu sản
xuất trong nước mà còn xuất khẩu sang thị trường nhiều nước như: Đài Loan,
Thái Lan, Trước nhu cầu của thị trường hiện nay và trong thời gian tới rất
nhiều các cơ sở sản xuất cần mở rộng và xây mới tại nhiều tỉnh trong cả nước
nh
ư: Đồng Nai, Ninh Bình,
Hiện nay, hầu hết các máy nghiền bột đá siêu mịn trong nước ta được
nhập từ các nước công nghiệp phát triển chủ yếu là CHLB Đức. Các doanh
nghiệp nhập về theo hai hướng: nhập nguyên sản phẩm bao gồm hệ thống cơ
khí nghiền mịn và hệ thống điều khiển tự động hóa nâng cao năng suất theo cỡ
hạt, hoặc là nhập riêng hệ thống cơ khí nghi
ền mịn và vận hành thủ công tùy
theo giá thành đầu tư cho hệ thống. Trong quá trình vận hành và sản xuất bột
đá siêu mịn tại nước ta có một số bài toán cần giải quyết như là thay thế hệ
thống điều khiển tự động hóa cho những thiết bị hư hỏng mà không thể nhờ
chuyên gia nước ngoài sửa chữa, hay là lắp thêm hệ thống điều khiển tự động
hóa nâng cao nă
ng suất theo cỡ hạt cho những máy đang vận hành thủ công,
ngoài ra còn cần thêm chức năng quản lý bằng máy tính cho các hệ thống trên.
Trước những yêu cầu thực tế kể trên, việc trong nước tiếp cận và xây dựng
được bộ điều khiển giám sát cho máy nghiền bột đá siêu mịn là điều hết sức
cần thiết cho việc chủ động trong sản xuất và vận hành trong nước.
Với vi
ệc đầu tư vào nghiên cứu ứng dụng của kỹ thuật điều khiển lập
trình cho các thiết bị cơ - điện tử công nghệ cao, Viện IMI đã thành công trong

việc xây dựng nhiều thiết bị cơ - điện tử tương đương các nước công nghiệp
phát triển (G7) như: trạm trộn bê tông, cân băng định lượng, dây chuyền đập
đá, và đặc biệt giải quyết m
ột số bài toán tối ưu trong các sản phẩm này.
Đây chính là tiền đề giúp cho Viện IMI có khả năng triển khai thành công đề
tài này.
5. Một số thiết bị điều khiển nghiền tự động ở Việt nam
5.1. Hệ thống điều khiển Alpine Controller

16
Hệ thống sử dụng PLC S7 200 cùng các mô đun mở rộng EM221, EM231
và một số mô đun con khác trên cơ sở điều khiển phân tán. Bộ điều khiển trung
tâm sẽ điều khiển toàn bộ hệ thống cấp liệu, hệ thống nghiền, hệ thống phân ly
và hệ thống lọc cũng như hệ thống vận chuyển liệu ngược trở lại máy nghiền.
Đây là hệ
thống tương đối lạc hậu dùng cho các máy nghiền đơn giản được áp
dụng trong những năm đầu thế kỷ 21.
Các bộ phận chính của hệ thống như sau:
PLC Siemens S7-200, CPU 226, 24 đầu vào, 16 đầu ra relay, nguồn 220
VAC
PLC S7-200, CPU 226
6ES7216-2BD23-0XB0
Nguồn cung cấp: 220 VAC
Ngõ vào số: 24 DI DC
Ngõ ra số : 16 DO Relay
Ngoài mô đun PLC, hệ thống còn một số mô đun con khác như mô đun
điều khiển lọc giũ, mô đun điều khiển phân ly,

Hình1.6:
Sơ đồ công nghệ máy nghiền bi Alpine

17

Hình 1.7:
Thiết bị điều khiển áp lực gió

5.2. Hệ thống điều khiển Y1100
Hệ thống sử dụng Bộ điều khiển trung tâm là PLC S7-300 cùng 06 mô
đun mở rộng. Hệ thống điều khiển tập trung, bộ điều khiển trung tâm sẽ
điều khiển toàn bộ hệ thống cấp liệu, hệ thống nghiền, hệ thống phân ly
và hệ th
ống lọc cũng như hệ thống vận chuyển liệu ngược trở lại máy
nghiền.
Đầu ra số tích hợp sẵn:16 DO
Đầu vào tương tự tích hợp sẵn: 4 AI, 1 Pt100
Đầu ra tương tự tích hợp sẵn: 2 AO


18

Hình 1.8:
Màn hình điều khiển Y1100
Tổng kết:

Qua tìm hiểu một vài thiết bị trên, có thể thấy một vài nhược điểm sau:
+ Việc ra quyết định cho các thông số làm việc là do con người dựa theo
các kinh nghiệm đã đạt trước đó.
+ Các mô đun phân tán cần có tính năng linh hoạt hơn, như trong trường
hợp nhà máy tại Nghệ An hỏng quạt gió và muốn thay bằng biến tần nhưng
không có thiết bị tương ứng nên không thay thế quạt được.

Có thể
rút ra một số đặc điểm cần phải có đối với một hệ thống điều khiển
nghiền tự động để đảm bảo khả năng kỹ thuật và kinh tế. Đó là:
+ Có khả năng điều khiển phân tán các mô đun riêng lẻ.
+ Việc tính toán các thông số cần phải thực hiện thông qua thực nghiệm,
lấy mẫu đơn lẻ, sau đó xây dựng hàm l
ấy mẫu để hệ thống tự động cập nhật.
+ Độ ổn định cao: khả năng chống nhiễu điện và nhiễu rung tốt.
+ Tính chủ động trong sửa chữa, lắp đặt tốt.
+ Chia thành các mô đun thuận tiện cho việc mở rộng hệ thống.
+ Giá thành phù hợp.


19
PHẦN 2
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1. Xây dựng cấu trúc hệ điều khiển máy nghiền bột đá siêu mịn
Sơ đồ khối của hệ thống được mô tả trong Hình 1:

Trong đó:
+ Mô đun nguồn: cung cấp nguồn đầy đủ cho các mô đun khác. Từ nguồn
đầu vào 220 Vac, qua mô đun này chuyển thành các nguồn 24Vdc, ±12Vdc,
±5Vdc có độ ổn định cao và dòng lớn.
+ Mô đun điều khiển c
ấp liệu: gồm hai mô đun cấp liệu sơ cấp và thứ cấp,
có nhiệm vụ điều khiển liệu đầu vào máy nghiền thô cấp 1 và máy nghiền thô
cấp 2, đảm bảo năng suất đầu vào hợp lý cho máy nghiền. Việc điều khiển sẽ
thông qua các biến tần điều khiển băng tải dẫn liệu. Việc điều khiển tối ưu hệ
thống này cho phép tăng năng suất của hệ thống.
Tại đầu vào có 2 máy nghiền thô để nghiền đá kích cỡ 500mm x 500 mm
đưa về kích cỡ đá 5-10mm đưa vào đầu vào quả nghiền.
+ Mô đun điều khiển quả nghiền: là mô đun điều khiển đóng, ngắt các
động cơ nghiền, giám sát nhiệt độ động cơ nghiền, điều khiển hệ thống làm mát
đảm bảo h
ệ thống hoạt động trong dải cho phép.


Máy tính
điều khiển
trung tâm
Mô đun
nguồn
Mô đun điều
khiển nghiền

Mô đun điều
khiển phân
ly


Mô đun điều
khiển áp lực
khí
Mô đun đk
cấp liệu
Mô đun
lọc giũ
H
ình 2.1: Sơ đồ khối bộ điều khiển nghiền

20
Tại các quả nghiền có hệ thống trợ nghiền để giảm ma sát nghiền làm
nóng hệ thống. Việc điều khiển lưu lượng phụ gia phụ thuộc vào vật liệu và
năng suất cần thực hiện.
+ Mô đun điều khiển phân ly: là mô đun rất quan trọng trong việc quyết
định cỡ hạt của vật liệu, dựa vào cấu hình hệ thống phân ly, đặc tính cỡ
hạt trong
thực nghiệm để quyết định điều khiển góc đóng mở tương ứng cỡ hạt cần đạt
được. Các hạt lớn hơn sẽ rơi xuống và được điều khiển đưa lại máy nghiền.
+ Mô đun lọc giũ: đây là phần lấy liệu cuối cùng, các hạt bụi vật liệu được
đưa vào các túi lọc, hệ điều khi
ển sẽ lần lượt điều khiển giũ từng túi. Vật liệu
sau khi giũ được đưa vào các silo chứa.

Có tổng cộng 12 túi lọc và được điều khiển đóng mở liên tiếp để lọc vật
liệu đưa về các silo chứa.
Để đưa về silo chứa thì vật liệu được đưa qua đường dẫn có hai van đóng
mở đảm bảo ít nhất một van
đóng để giữ áp suất trong hệ thống không bị suy
hao quá nhanh.
+ Mô đun điều khiển áp suất: để tạo áp suất hút bụi vật liệu từ máy nghiền
lên tầng phân ly rồi qua túi lọc thì ở cuối của máy nghiền có hệ thống quạt hút
tạo áp suất cao với động cơ quạt hút chạy với tốc độ không đổi. Do đó, để thay
đổi áp suất trong hệ thống phù hợp nă
ng suất tối đa, ta cần điều chỉnh góc đóng
mở của cánh cửa thông gió. Cánh cửa thông gió được chế tạo bằng vật liệu siêu
mịn và siêu bền, đảm bảo cho việc đóng mở liên tục theo tín hiệu điều khiển.
Thiết bị trên hiện không có tại Việt Nam nên để thuận tiện cho việc sửa chữa sau
này, ta sẽ nghiên cứu cải tạo bằng cách dùng biến tần
điểu khiển tốc độ động cơ
quạt hút thay vì đóng mở cửa như hiện nay.
Tại tầng thoát khí có hệ thống đo áp suất để xác định áp suất hệ thống có
đạt yêu cầu hay không.
+ Máy tính điều khiển trung tâm: Các mô đun được kết nối với máy tính
thông qua đường truyền RS485, tất cả các dữ liệu từ các mô đun được chuyển về
máy tính, được máy tính tính toán xử lý và đưa ra các l
ệnh điều khiển phân tán
về các mô đun.
Các tín hiệu đưa về máy tính gồm:
+ Công suất chạy của hệ thống cấp liệu, tình trạng đầy vơi của các phễu
cấp liệu, các lỗi nếu có.
+ Dòng nghiền, công suất máy nghiền, nhiệt độ động cơ.

21

+ Các góc nghiền máy phân ly, tốc độ các động cơ phân ly.
+ Các thông số máy điều khiển lọc giũ.
+ Dòng động cơ quạt hút, áp suất đầu ra của hệ thống, góc mở hiện tại.
2. Lựa chọn cấu hình thiết bị phù hợp điều kiện Việt Nam
Để chế tạo một hệ thống phù hợp điều kiện Việt Nam, cần nghiên cứu
một số đặc tr
ưng về môi trường và công nghệ tại nước ta.
2.1. Môi trường sử dụng thiết bị
Khác với thiết bị được sử dụng tại các nước phát triển, thiết bị được sử
dụng tại Việt Nam phải chịu đựng môi trường làm việc khá khắc nghiệt. Đó là:
+ Độ ẩm lớn
+ Hoá chất ăn mòn nhiều (ví dụ: hơi mặn từ biển).
+ Độ
rung lớn: do kết cấu cơ khí không hoàn toàn vững chắc.
+ Điện cấp không ổn định
+ Nhiễu lớn: nhiều thiết bị cùng được sử dụng ở một nơi, trong khi mỗi
thiết bị đều gây ra nhiễu rung, nhiễu điện khá cao.
2.2. Đặc điểm công nghệ
+ Công nghệ thiết kế phần mềm điều khiển: nhờ việc ứng dụng các hệ
th
ống điều khiển trong một khoảng thời gian khá dài nên chúng ta đã nắm được
các nguyên lý thiết kế cơ bản cho các hệ thống điều khiển định lượng.
+ Công nghệ chế tạo mạch in: một số công ty đã nhập về các máy móc
chế tạo mạch in hiện đại, có thể chế tạo mạch in nhiều lớp.
+ Công nghệ hàn: hiện nay trình độ hàn linh kiện khá cao với sự trợ giúp
đắ
c lực của các mỏ hàn mũi nhỏ nhưng nhiệt độ cao.
+ Công nghệ đo kiểm: với sự trợ giúp của các thiết bị đo kiểm có độ chính
xác cao như ô xy lô, đồng hồ vạn năng, việc kiểm tra độ chính xác các thiết bị
được thực hiện khá dễ dàng.

2.3. Cấu hình thiết bị phù hợp tại Việt Nam
Hiện nay, PLC là một thiết bị sẵn có trên thị trường với
độ ổn định cao, có
nhiều mô đun mở rộng đáp ứng các tính năng cần phải có một cách dễ dàng. Do
vậy, việc sử dụng các mô đun PLC để phục vụ cho việc điều khiển giám sát
nghiền là một lựa chọn hợp lý.

22
Tuy nhiên, cùng với sự phát triển ngày càng lớn mạnh của vi điều khiển,
khả năng xử lý các thuật toán phức tạp của máy tính, cũng như khả năng nắm
bắt công nghệ thiết kế và chế tạo tại Việt Nam, nhằm mục đích nâng cao số
lượng sản phẩm chế tạo trong nước, chúng ta lựa chọn phương án thiết kế sản
phẩm trên cơ sở s
ử dụng vi điều khiển chế tạo các mô đun chức năng, kết nối
với máy tính để thực hiện việc điều khiển hệ thống.
Chi tiết lựa chọn như sau:
+ Dùng vi xử lý cho việc đo lường điều khiển hệ thống.
+ Hệ thống được chia thành nhiều mô đun nhỏ có các tính năng khác
nhau. Thuận tiện cho việc mở rộng, kiểm tra, thay th
ế các mô đun.
+ Điều khiển giám sát toàn bộ hệ thống trên cơ sở trợ giúp của máy tính.
+ Số đầu vào ra là 32 hoặc hơn, đảm bảo khả năng linh hoạt khi mở rộng
các thành phần của hệ thống.
+ Phần mềm máy tính đảm bảo cho việc thu thập dữ liệu và quản lý dữ
liệu.
2.4. Lựa chọn công nghệ và thiết bị cho đề tài
- Lựa chọn vi đi
ều khiển: Hiện nay có nhiều dòng vi điều khiển khác nhau
như họ 8051, AVR, PIC, Lựa chọn dòng PIC vì các lý do sau:
+ Độ ổn định cao, khả năng chống nhiễu tốt.

+ Có nhiều tính năng tiên tiến như ADC 10 bit, 3 timer, ngắt
+ Có khả năng kết nối USB với máy tính.
+ Phần mềm hỗ trợ lập trình, mô phỏng đầy đủ, dễ sử dụng.
+ Mạch nạp dễ chế tạo, nhỏ gọn, dễ
mang đi thử nghiệm.
- Lựa chọn loại linh kiện: các linh kiện được chọn là linh kiện chân cắm,
có khoảng cách chân khá rộng, đảm bảo không bị chập cháy khi muốn cho dây
dẫn chạy ở giữa.
- Lựa chọn phương pháp thiết kế mạch in: mạch in thiết kế có đường
mạch không nhỏ hơn 0,3 mm, đảm bảo mạch không bị đứt khi thuê gia công.
- Lựa chọn phương pháp kết nối: dùng chuẩn giao ti
ếp RS-485 giữa các
mô đun nhằm đảm bảo việc mở rộng các mô đun được dễ dàng, từ đó dễ dàng
nâng cấp hệ thống lên nhiều thành phần.
Dữ liệu được kết nối giữa trung tâm điều khiển với máy tính qua cổng
COM thông qua bộ chuyển đổi RS-232/RS-485.

23
- Lựa chọn tốc độ truyền và khung truyền dữ liệu: dữ liệu được truyền qua
cổng COM tại tốc độ 9600 kb/s và định dạng của khung truyền là 9600, N, 8, 1.
Định dạng này được dùng cho cả truyền thông tin giữa các mô đun với nhau
cũng như giữa các mô đun với PC. Trong trường hợp cần mở rộng hệ thống lên
nhiều mô đun tương tự, ta có thể thay đổi tốc độ đườ
ng truyền lên 19.200 kb/s
để đảm bảo tốc độ truyền.
3. Thiết kế mạch nguyên lý các mô đun
Các mô đun cần thiết kế bao gồm:
+ Mô đun điều khiển cấp liệu.
+ Mô đun điều khiển nghiền.
+ Mô đun điều khiển phân ly

+ Mô đun điều khiển lọc giũ.
+ Mô đun điều khiển áp lực khí.
+ Mô đun truyền thông.
+ Mô đun ngu
ồn.
3.1. Mô đun điều khiển cấp liệu
Hoạt động:
Khi bật nguồn, mô đun điều khiển cấp liệu sẽ nhận thông tin từ máy tính,
yêu cầu cấp liệu với năng suất đầu vào là bao nhiêu. Trong mô đun sẽ tính toán
giá trị điều khiển tốc độ biến tần phù hợp với đáp ứng của hệ thống băng tải và
liệu
đầu vào, cùng năng suất của 02 máy nghiền thô để đảm bảo năng suất đầu ra
phù hợp.
Mô đun điều khiển cấp liệu với thành phần chính là vi điều khiển
PIC18F4550 có các tính năng sau:
+ Gồm 5 cổng vào ra với tối đa 35 chân I/O

+ Có 4 timer, cho phép xây dựng 4 luồng điều khiển độc lập.
+ Hỗ trợ 3 ngắt ngoài
+ Tần số làm việc: lên tới 48MHZ
+ Bộ nhớ flash: 32K
+ Bộ nhớ Ram: 2048 Byte
+ Cổng giao tiếp USB V2.0
+ Bộ nhớ flash ghi/xoá 100.000 lần
+ Dữ liệu lưu được 40 năm.
Mô đun điều khiển cấp liệu kết nối dữ liệu với máy tính thông qua mạch
truyền thông Max485.

24
Khi kết nối với máy tính, các dữ liệu được truyền xuống gồm có các

thông tin sau:
+ Dữ liệu năng suất của hai máy nghiền thô.
+ Mức liệu thô trong các phễu chứa.
Ngoài vi điều khiển chính, mô đun điều khiển cấp liệu còn bao gồm cả
màn hiển thị, bàn phím nhập dữ liệu, mô đun truyền thông kết nối với máy tính.
Màn hiển thị được lực chọn ở đây là màn hi
ển thị 2 dòng, dùng để hiển thị
các thông số dữ liệu năng suất của hai máy nghiền thô.
Sơ đồ nguyên lý của mô đun điều khiển cấp liệu được mô tả ở hình 2.2:
Thuật toán điều khiển cho mô đun điều khiển cấp liệu được thực hiện như sau:
START
Khởi tạo các tham số cũ
Chờ các tham số mới từ MT
Có TS mới
Chờ máy tính truyền
tham số làm việc mới
S
Đ
Đo tốc độ 2 vít tải cấp liệu
Thực hiện điều khiển tốc
độ cấp liệu theo yêu cầu
Tiếp tục điều khiển tốc độ
cấ
p
li
ệ
u theo thôn
g
số mới
Kết thúc?

S
Đ
Có tín hiệu
mới từ MT
S
Đ
END

25

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý mô đun điều khiển cấp liệu