NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MID-RANGING CHO QUÁ TRÌNH SẤY GIẤY

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHẠM ĐÌNH PHÚ

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG
BỘ ĐIỀU KHIỂN MID-RANGING
CHO QUÁ TRÌNH SẤY GIẤY

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Đà Nẵng - Năm 2017


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHẠM ĐÌNH PHÚ

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG
BỘ ĐIỀU KHIỂN MID-RANGING
CHO QUÁ TRÌNH SẤY GIẤY

Chuyên ngành
Mã số

: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
: 60.52.02.16

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. PHAN VĂN HIỀN
2. TS. TRẦN KIM QUYÊN

Đà Nẵng - Năm 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn
khoa học của TS. Phan Văn Hiền và TS. Trần Kim Quyên.Các số liệu, kết quả nêu
trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kì cơng trình nào
khác.
Tác giả luận văn

Phạm Đình Phú


TÓM TẮT LUẬN VĂN
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MID-RANGING CHO Q
TRÌNH SẤY GIẤY
Học viên: Phạm Đình Phú. Chun ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa.
Mã số: 60.52.02.16. Khóa: 31. Trƣờng Đại học Bách khoa – ĐHĐN.
Tóm tắt - Độ ẩm của tờ giấy là một trong những tiêu chí để đánh giá chất lƣợng giấy.
Độ ẩm giấy đƣợc quyết định trong nhà máy xeo giấy mà quan trọng nhất là công đoạn
sấy trong buồng sấy. Trong những năm gần đây ngƣời ta dùng sấy đối lƣu (Sấy gió)
theo cơng nghệ mới, đó là hệ điều khiển gió nóng kết hợp với điều khiển mơi trƣờng
sấy đã tăng đƣợc hiệu quả sấy, tiết kiệm đến 40% lƣợng hơi bão hòa và tăng tốc độ
xeo lên 1,2 lần. Trong luận văn này, tác giả nghiên cứu quy trình cơng nghệ sấy giấy
từ đó đi phân tích các phƣơng trình động học q trình chung, xây dựng các mạch

vịng điều khiển cho độ ẩm, cân bằng gió vào – ra (Zerolevel), nhiệt độ điểm sƣơng.
Cuối cùng là đi nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển Mid-ranging để nâng cao tính ổn
định, rút ngắn thời gian đáp ứng và loại bỏ nhiễu đầu vào cho hệ thống sấy giấy theo
công nghệ mới. Tác giả tóm tắt các kết quả đạt đƣợc và hƣớng phát triển tiếp theo.
Từ khóa - Độ ẩm giấy, sấy đối lƣu, mạch vòng điều khiển, Mid-ranging, IMC Midranging.
RESEARCH APPLICATION MID-RANGING CONTROLS FOR PAPER
PROCESSING
Abstract - Moisture of paper is one of the criteria for evaluating paper quality. The
paper moisture is determined in the paper mill, but the most important is the drying in
the drying chamber. Nowaday, People use convection drying (wind dryer) with new
technology, the hot air control combined with the controlled drying environment
increases the drying efficiency, saving up to 40% of saturated steam and increasing the
vehicle speed by 1.2 times. In this essay, the achieved studies the process of drying
technology from which to analyze the general equation of dynamics. Construction of
paper moisture control circuits, control zerolevel, dew point temperature. Finally, a
Mid-ranging controller application was developed to improve stability, shorten
response times, and eliminate input interference for paper-based systems using new
technology. The achieved results are summarized and perspective of the work is
provided.
Key words – Moistrure of paper, convection drying, loop control, Mid-ranging,
Imc Mid-raging


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................... 1
3. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu .......................................................................... 2
4. Phƣơng pháp nghiên cứu .................................................................................... 2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ............................................................................ 2
6. Cấu trúc luận văn ................................................................................................ 2
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẤY GIẤY TRONG DÂY
CHUYỀN XEO GIẤY ................................................................................................... 3
1.1. TÓM TẮT CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT GIẤY ........................................................ 3
1.1.1. Cơng đoạn xử lý nguyên liệu ........................................................................ 3
1.1.2. Công đoạn nấu bột ........................................................................................ 4
1.1.3. Công đoạn rửa, sàng ..................................................................................... 4
1.1.4. Công đoạn tẩy trắng bột ................................................................................ 4
1.1.5. Xeo giấy ........................................................................................................ 5
1.1.6. Bộ phận ép .................................................................................................... 6
1.1.7. Bộ phận sấy và ép nóng ................................................................................ 6
1.1.8. Bộ phận ép quang ......................................................................................... 6
1.1.9. Bộ phận cuốn và cắt cuộn ............................................................................. 7
1.1.10. Giấy thành phẩm ......................................................................................... 7
1.1.11. Các chỉ tiêu chất lƣợng của giấy thành phẩm ............................................. 8
1.2. SẤY HƠI VÀ HỆ ĐIỀU KHIỂN SẤY HƠI ............................................................ 8


1.2.1. Cấu tạo lô sấy................................................................................................ 8
1.2.2. Nguyên lý điều khiển công suất sấy ............................................................. 9
1.3. SẤY ĐỐI LƢU VÀ ĐIỀU KHIỂN GIÓ TRONG BUỒNG SẤY ........................ 11
1.3.1. Phƣơng pháp sấy đối lƣu truyền thống ....................................................... 11
1.3.2. Phƣơng pháp sấy đối lƣu kết hợp thổi gió nóng lên mặt giấy .................... 12
1.3.3. Động học chung quá trình sấy đối lƣu ........................................................ 13

1.4. VẤN ĐỀ ĐỘ ẨM CỦA GIẤY VÀ QUÁ TRÌNH SẤY TRONG DÂY CHUYỀN
XEO GIẤY .................................................................................................................... 16
1.4.1. Giới thiệu chung ......................................................................................... 16
1.4.2. Đo độ ẩm của giấy ...................................................................................... 17
1.4.3. Cấu hình khâu sấy ....................................................................................... 18
1.5. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 ....................................................................................... 18
CHƢƠNG 2. ĐỘNG HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH SẤY ........................ 19
2.1. ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH SẤY VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘ ẨM TRONG DÂY
CHUYỀN XEO GIẤY .................................................................................................. 19
2.1.1. Cơ chế sấy ................................................................................................... 19
2.1.2. Động học quá trình sấy cho một lơ ............................................................. 19
2.1.3. Phân tích vịng điều khiển độ ẩm ................................................................ 21
2.2. ĐỘNG HỌC Q TRÌNH GIĨ VÀO – RA (ZERO LEVEL) ............................. 21
2.2.1. Động học quá trình cân bằng gió vào – ra .................................................. 21
2.2.2. Cấu trúc điều khiển cân bằng gió vào-ra .................................................... 24
2.3. ĐỘNG HỌC Q TRÌNH NHIỆT ĐỘ ĐIỂM SƢƠNG ...................................... 24
2.3.1. Tính tốn nhiệt độ điểm sƣơng ................................................................... 24
2.3.2. Xây dựng động học nhiệt độ điểm sƣơng ................................................... 25
2.3.3. Cấu trúc mạch vòng điều khiển nhiệt độ điểm sƣơng ................................ 29
2.4. MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC CÁC QUÁ TRÌNH TRONG BUỒNG SẤY .............. 29
2.4.1. Cấu trúc điều khiển và thông số để mô phỏng ........................................... 29
2.4.2. Mô phỏng động học và điều khiển độ ẩm................................................... 30
2.4.3. Mơ phỏng động học và điều khiển cân bằng gió vào – ra (Zero level) ...... 36
2.4.4. Mô phỏng động học và điều khiển nhiệt độ điểm sƣơng ........................... 37
2.4.5. Cấu trúc điều khiển tổng quát trong buồng sấy .......................................... 40


2.5. KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 ....................................................................................... 40
CHƢƠNG 3. XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MID-RANGING CHO LÔ SẤY
GIẤY ............................................................................................................................. 42

3.1. GIỚI THIỆU BỘ ĐIỀU KHIỂN MID-RANGING ............................................... 42
3.1.1. Khái niệm Mid-ranging .............................................................................. 42
3.1.2. Một số cấu trúc Mid-ranging ...................................................................... 42
3.2. XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO LÔ SẤY ..................................... 45
3.2.1. Mơ phỏng mạch vịng điều khiển áp suất cho q trình sấy....................... 45
3.2.2. Thiết kế mạch vịng điều khiển độ ẩm ........................................................ 47
3.2.3. Cấu trúc IMC cho Mid-Ranging ................................................................. 48
3.2.4. Phƣơng pháp thiết kế IMC Mid-ranging .................................................... 50
3.3. MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MID-RANGING CHO LÔ SẤY ....................... 51
3.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 ....................................................................................... 53
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao)
PHỤ LỤC


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU
1. CÁC CHỮ VIẾT TẮT:
Ký hiệu

Ý nghĩa

CD

: Hệ điều khiển ngang máy (Cross Direction)

MD

: Hệ điều khiển dọc máy(Machine Direction)

DMC

: Điều khiển ma trận động (DynamicMatrixcontrol)

GMV

: Cực tiểu tƣơng quan tổng quát (Generalized Minimum Variance)

HEU

: Bộ trao đổi nhiệt (Heat Exchanger Unit)

HRU

: Bộ thu hồi nhiệt (Heat Recycle Unit)

IMC

: Điều khiển theo mô hình nội (Internal Model Control)

IPZ

: Đối tƣợng điều khiển có thành phần tích phân, 1 điểm cực và 1
điểm zero (Intergator Pole Zero)

MPC

: Điều khiển mơ hình dự báo (Model Predictive Control)

NP

: Điểm áp suất không (Neutral Pressure)

NPP

: Mặt phẳng áp suất không (Neutral Pressure Plane)

SISO

: Hệ đơn biến (Single-Input and Single-Output)

ZL

: Cân bằng gió (Zero level)

SP

: Giá trị đặt (Set point)

QCS

: Hệ thống điều khiển chất lƣợng (Quality control System)

2. CÁC KÝ HIỆU:
Ký hiệu

Đơn vị
2

Ý nghĩa

Axy

m

: Diện tích giấy

Cps

kJ/kg.K

: Nhiệt dung riêng của hơi
: Độ dẫn cực đại của van

Cv
dy
f(x)

m

: Bề rộng khổ giấy
: Hàm độ ẩm


g

g/m2

: Định lƣợng chuẩn của giấy

cp

kW/m2.K

: Hệ số truyền nhiệt từ lơ vào giấy

G

kW/m2.K

: Hệ số truyền nhiệt từ gió vào giấy
: Hệ số tỉ lệ

kn
mG

kg

: Khối lƣợng khơng khí trong buồng sấy
: Độ mở của van điều chỉnh

m%
mg

kg

: Khối lƣợng giấy

Mw

kg/mol

: Trọng lƣợng phân tử nƣớc
: Chỉ số thể hiện nhóm sấy

n
PN

Pa

: Áp suất đƣờng hơi tổng

PL

Pa

: Áp suất đầu vào lô sấy

ptot

Pa

: Áp suất tổng

Pv,a

Pa

: Áp suất thành phần hơi nƣớc trong khơng khí

Pv,p

Pa

: Áp suất thành phần hơi nƣớc trên bề mặt giấy

Pkq

Pa

: Áp suất khí quyển

Pw

Pa

: Áp suất riêng phần của nƣớc

Psw

Pa

: Áp suất riêng phần của nƣớc khi khơng khí bão hịa

Qn

kW

: Cơng suất nhiệt cấp cho lô sấy

qbh

kg/m2s

: Tốc độ bay hơi trên đơn vị diện tích

Qbuồng

kW

: Cơng suất nhiệt tích lũy trong buồng sấy

Qbx

kW

: Công suất nhiệt bức xạ do lô sấy truyền vào khơng
khí trong buồng sấy

Qchăn

kW

: Cơng suất nhiệt do chăn sấy truyền nhiệt lên
khơng khí trong buồng sấy

Qp

kW

: Cơng suất nhiệt do giấy tiêu thụ

Qtt

kW

: Cơng suất nhiệt thất thốt

Qwa1

kW

: Cơng suất nhiệt gió nóng cấp vào buồng sấy

Qwa2

kW

: Cơng suất nhiệt gió đƣợc hút ra khỏi buồng sấy

Qwbh

kW

: Cơng suất nhiệt do hơi nƣớc bay ra buồng sấy


Rg

J/mol.K

: Hằng số khí

RH%

%

: Độ ẩm tƣơng đối của khơng khí trong buồng sấy

SH

kg/kg

: Độ ẩm tỉ lệ của khơng khí trong buồng sấy

T

0

C

: Nhiệt độ khơng khí trong buồng sấy

Ta1, Ta2

0

C

: Nhiệt độ khơng khí thổi vào, hút ra khỏi buồng sấy

Td

0

C

: Nhiệt độ điểm sƣơng

TG

K

: Nhiệt độ của gió

Tm

K

: Nhiệt độ bề mặt lơ

Tn

0

: Nhiệt độ khơng khí trong buồng sấy

Tp

K

: Nhiệt độ của giấy

Tp1, Tp2

K

: Nhiệt độ bề mặt giấy lúc vào, ra buồng sấy

Ts

K

: Nhiệt độ hơi

V

m3

: Thể tích lớp khảo sát

vx

m/s

: Tốc độ xeo giấy

Wa1

kg/s

: Lƣu lƣợng gió nóng thổi vào buồng sấy

Wa2

kg/s

: Lƣu lƣợng gió đƣợc hút ra buồng sấy

Wbh

kg/s

: Lƣu lƣợng nƣớc bay hơi từ giấy vào khơng khí

Wp

kg/s

: Lƣu lƣợng giấy qua buồng sấy

Ws

kg/s

: Lƣu lƣợng hơi

Wkk

kg/s

: Lƣu lƣợng khơng khí lạnh

C

δ

: Hiệu suất truyền nhiệt từ lô vào giấy

 , 1

kg nƣớc/ kg giấy

: Độ ẩm tỉ lệ của giấy vào và ra

∆Hbh

kJ/kg

: Lƣợng nhiệt cần thiết để nƣớc bay hơi từ giấy vào
khơng khí

∆T

0

: Biến thiên nhiệt độ trung bình trong buồng sấy

∆SH

C

: Biến thiên độ ẩm tỉ lệ không khí trong buồng sấy


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
bảng

Tên bảng

Trang

1.1.

Các chỉ tiêu chất lƣợng của giấy thành phẩm

8

2.1.

Số liệu vận hành thực tế của nhà máy

35


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Số hiệu
hình
1.1.

1.2.
1.3.
1.4.
1.5.
1.6.
1.7.
1.8.
1.9.
1.10.
1.11.
1.12.
1.13.
1.14.
1.15.
1.16.
1.17.
1.18.
1.19.
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
2.5.
2.6.
2.7.
2.8.
2.9.
2.10.
2.11.
2.12.

2.13.
2.14.

Tên hình

Trang

Sơ đồ các cơng đoạn sản xuất giấy
Bãi nguyên liệu
Sơ đồ sản xuất giấy
Cấu tạo hòm phun bột
Bộ phận ép quang
Bộ phận cuốn và cắt cuộn
Cấu tạo lô sấy giấy
Cấu trúc vỏ lô sấy
Cấu trúc điều khiển độ ẩm cho các nhóm lơ giấy
Chênh áp đặt cho các nhóm sấy
Nguyên lý buồng sấy đối lƣu dùng gió
Vị trí của vịi phun khơng khí
Các mạch vịng điều khiển của hệ thống sấy gió phƣơng pháp mới
Cân bằng khối lƣợng độ ẩm trên băng giấy
Cân bằng năng lƣợng tổng quát của băng giấy
Quá trình sấy giấy
Phân bố các nhóm sấy trên dây chuyền xeo giấy
Đƣờng đo của máy Scanner
Hệ sấy sử dụng một máy scanner
Quá trình sấy cho một lơ
Mạch vịng điều khiển độ ẩm
Mơ hình gió vào – ra buồng sấy
Mơ hình khe gió buồng sấy và thiết kế NPP-Neutral Pressure Plane

Mơ hình q trình cân bằng gió vào – ra
Cấu trúc điều khiển cân bằng gió vào – ra (Zero level)
Lơ sấy và bạt sấy
Cân bằng cơng suất nhiệt để tính nhiệt độ trong buồng sấy
Mơ hình động học biến thiên nhiệt độ trung bình trong buồng sấy
Mơ hình động học biến thiên nhiệt độ trung bình trong buồng sấy
Mơ hình động học độ ẩm tỉ lệ của khơng khí
Tính tốn biến thiên nhiệt độ điểm sƣơng
Cấu trúc điều khiển nhiệt độ điểm sƣơng buồng sấy
Sơ đồ của buồng sấy giấy

3
3
5
5
7
7
9
9
10
11
11
12
12
13
14
16
16
17
17

19
21
22
22
24
24
25
26
26
27
27
29
29
29


Số hiệu
hình
2.15.
2.16.
2.17.
2.18.
2.19.
2.20.
2.21.
2.22.
2.23.
2.24.
2.25.
2.26.

2.27.
2.29.
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
3.5.
3.6.
3.7.
3.8.
3.9.
3.10.
3.11.
3.12.
3.13.
3.14.

Tên hình

Trang

Mơ hình mơ phỏng độ ẩm của một lơ
Nhiệt độ tức thời của giấy
Nhiệt độ trung bình của giấy
Độ ẩm tức thời của giấy
Độ ẩm trung bình của giấy
Đáp ứng của độ ẩm với công suất nhiệt sấy từ hơi
Đáp ứng của độ ẩm đối với gió vào
Đáp ứng độ ẩm với nhiễu độ ẩm đầu vào
Sơ đồ khối hệ điều khiển độ ẩm đƣợc xây dựng trên Matlab

Đáp ứng của hệ điều khiển sấy
Sơ đồ khối hệ điều khiển Zerolevel xây dựng trên Matlab
Đáp ứng hệ điều khiển cân bằng gió vào – ra (Zero-level)
Đáp ứng với thay đổi lƣợng đặt ∆Td =±10%
Cấu trúc điều khiển tổng qt
Mơ hình tháp trộn bột giấy
Cấu trúc Mid-ranging đơn. Giá trị đặt u2 là độ sai lệch của bộ
điều khiển P, và Hc(s) thƣờng đƣợc chọn là bộ điều khiển PI
Cấu trúc điều khiển vị trí van
Cấu trúc điều khiển Mid-ranging hỗn hợp
Cấu trúc điều khiển Mid-range MPC
Cấu trúc mạch vòng điều khiển áp suất hơi sử dụng bộ điều
khiển PID
Đáp ứng của mạch vòng điều khiển áp suất hơi với giá trị đặt độ
ẩm 8%
Cấu trúc điều khiển Mid-ranging đƣợc sử dụng cho lô sấy
Cấu trúc điều khiển IMC với mạch vịng hở
Sơ đồ cấu trúc vịng kín IMC
Sơ đồ khối điều khiển Mid-ranging cho lô sấy khi không có tác
động của nhiễu xây dựng trên Matlab
Đáp ứng của cấu trúc điều khiển Mid-ranging với giá trị đặt độ
ẩm 8% khi không nhiễu
Sơ đồ khối điều khiển Mid-ranging cho lơ sấy khi có tác động
của nhiễu xây dựng trên Matlab
Đáp ứng của cấu trúc điều khiển Mid-ranging với giá trị đặt độ
ẩm 8% khi có nhiễu

31
31
32

32
32
33
34
34
35
36
37
37
38
40
42
43
43
44
45
46
46
47
48
48
51
51
52
52


1

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
Độ ẩm của tờ giấy là một thông số rất quan trọng quyết định đến sự vận hành của
quá trình xeo giấy, nếu độ ẩm không đƣợc điều khiển một cách hợp lý giấy sẽ bị đứt,
hoặc cháy làm quá trình sản xuất giấy bị gián đoạn gây ảnh hƣởng đến năng suất.
Đồng thời nó là một trong những tiêu chí để đánh giá chất lƣợng giấy. Độ ẩm của tờ
giấy đƣợc quyết định trong nhà máy xeo giấy mà quan trọng nhất là công đoạn sấy
trong buồng sấy.
Trong công đoạn sấy để đảm bảo độ ẩm giấy, ngƣời ta điều khiển hai thơng số:
Cơng suất nhiệt hơi bão hịa cấp cho lơ (gọi là sấy tiếp xúc); Cơng suất nhiệt gió nóng
cấp cho buồng sấy (gọi là sấy đối lƣu). Ngoài nhu cầu cấp nhiệt cịn bị ảnh hƣởng rất
lớn của thơng số môi trƣờng trong buồng sấy, nhƣ: Điều khiển gia nhiệt gió nóng cấp
vào buồng, nhiệt độ điểm sƣơng đảm bảo mơi trƣờng khơng khí trong buồng sấy sao
cho nƣớc trong giấy có đủ điều kiện bay hơi và cân bằng gió vào – ra đảm bảo tổn thất
nhiệt ít.
Vì vậy việc nâng cao chất lƣợng và năng suất của sản phẩm giấy là một yếu tố
quan trọng để thực hiện thu hồi vốn nhanh và phát huy hiệu quả trong sản xuất kinh
doanh. Một trong những yếu tố quan trọng mà ngƣời ta quan tâm đến khi đánh giá chất
lƣợng sản xuất giấy (độ ẩm của tờ giấy thành phẩm). Và q trình điều khiển khâu sấy
đóng vai trị quan trọng trong việc điều khiển độ ẩm nhằm nâng cao chất lƣợng cũng
nhƣ lợi nhuận của nhà máy.
Trong những năm gần đây ngƣời ta dùng sấy đối lƣu (Sấy gió) theo cơng nghệ
mới, có hệ điều khiển gió nóng kết hợp với điều khiển môi trƣờng sấy đã tăng đƣợc
hiệu quả sấy, tiết kiệm đến 40% lƣợng hơi bão hòa và tăng tốc độ xeo lên 1,2 lần.
Nghiên cứu sấy gió hiện nay đã đƣợc triển khai, nhƣng các cơng trình nghiên cứu về
điều khiển chƣa nhiều, việc chỉnh định hệ điều khiển bằng thực nghiệm nên khi thay
đổi thơng số vận hành hoặc có nhiễu tác động, hệ hoạt động khơng chính xác gây khó
khăn cho vận hành và ảnh hƣởng đến chất lƣợng giấy.
Từ những lý do trên và trong khn khổ khóa Cao học, chun ngành Kỹ thuật
điều khiển và tự động hóa tại trƣờng Đại học Bách khoa Đà Nẵng, đƣợc sự tạo điều
kiện giúp đỡ của nhà trƣờng, khoa Điện và giảng viên Tiến sĩ Phan Văn Hiền cùng

Tiến sĩ Trần Kim Quyên, tác giả đã lựa chọn đề tài tốt nghiệp của mình là “Nghiên
cứu ứng dụng bộ điều khiển Mid-ranging cho quá trình sấy giấy ”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Xây dựng động học và cấu trúc điều khiển độ ẩm cho quá trình sấy giấy.
Ứng dụng bộ điều khiển Mid-ranging cho quá trình sấy giấy để nâng cao chất
lƣợng sản phẩm.


2
3. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu
* Đối tƣợng nghiên cứu: Điều khiển độ ẩm cho buồng sấy giấy trong dây
chuyền Xeo giấy
* Phạm vi nghiên cứu: Động học và ứng dụng bộ điều khiển Mid-ranging cho
buồng sấy giấy.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Khảo sát thực tế tại nhà máy giấy.
- Nghiên cứu các tài liệu liên quan đến công nghệ sấy giấy.
- Nghiên cứu các cơng trình cơng bố tới sấy giấy.
- Xây dựng động học và điều khiển cho hệ sấy giấy.
- Ứng dụng bộ điều khiển Mid-ranging cho buồng sấy giấy.
- Mơ hình hóa mơ phỏng đánh giá chất lƣợng bộ điều khiển.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
* Ý nghĩa khoa học:
Xây dựng đƣợc động học và điều khiển quá trình sấy giấy trong dây chuyền xeo
giấy. Ứng dụng bộ điều khiển Mid-ranging để điều khiển độ ẩm cho buồng sấy giấy.
* Ý nghĩa thực tiễn:
Ứng dụng bộ điều khiển Mid-ranging cho buồng sấy sẽ tiết kiệm đƣợc nguyên,
nhiên liệu, nâng cao chất lƣợng điều khiển từ đó góp phần nâng cao chất lƣợng sản
phẩm giấy đầu ra.
6. Cấu trúc luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận và phụ lục thì kết cấu luận văn bao gồm 4 chƣơng:
Chƣơng 1: Tổng quan về công nghệ sấy trong dây chuyền Xeo giấy
Chƣơng 2: Động học và điều khiển quá trình sấy giấy
Chƣơng 3: Xây dựng bộ điều khiển Mid-ranging cho buồng sấy giấy


3

CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẤY GIẤY
TRONG DÂY CHUYỀN XEO GIẤY
1.1. TĨM TẮT CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT GIẤY
Trên Hình 1.1 trình bày tóm tắt các cơng đoạn cơng nghệ sản xuất giấy [7],[8],[27].
Xử lý
nguyên liệu

Nấu bột

Rửa,
sàng

Tẩy trắng

SẤY

Ép ƣớt

Phun bột

Nghiền

Ép quang

Cuốn

Cắt cuộn

Giấy thành
phẩm

Hình 1.1. Sơ đồ các cơng đoạn sản xuất giấy
1.1.1. Cơng đoạn xử lý ngun liệu

Hình 1.2. Bãi nguyên liệu
Nguyên liệu đầu vào chủ yếu là tre, nứa và gỗ. Tre nứa đƣợc đƣa từ bãi chứa vào
băng chuyền và đƣợc rửa sạch trƣớc khi đƣa vào máy chặt. Tại đây tre nứa đƣợc băm
thành các mảnh nhỏ có kích thƣớc theo tiêu chuẩn. Các mảnh đƣợc đƣa vào hệ thống
rửa và qua băng tải đến sân chứa mảnh.
Gỗ đƣợc đƣa đến bộ phận bóc vỏ bằng băng tải xích. Gỗ sau khi đã bóc vỏ đƣợc
rửa sạch rồi đi vào máy chặt mảnh. Mảnh gỗ sau khi chặt có kích thƣớc theo tiêu
chuẩn. Mảnh gỗ đƣợc đƣa qua sàng chọn và đƣa ra sân chứa bằng băng tải.


4
Mảnh tre nứa và gỗ đƣợc đƣa vào nồi nấu bởi hệ thống thổi mảnh. Tùy theo yêu
cầu đơn đặt hàng của khách mà có tỷ lệ tre nứa và gỗ khác nhau.
1.1.2. Công đoạn nấu bột
Bột đƣợc sản xuất theo phƣơng pháp sunphat có thu hồi hóa chất. Nguyên liệu
đƣợc nấu trong 3 nồi có hình trụ đứng. Thời gian để hoàn thành một chu kỳ nấu

khoảng 240 phút kể cả thời gian nạp mảnh. Bột sau khi nấu xong đƣợc chuyển sang bể
phóng. Từ đây bột đƣợc chuyển qua máy đánh tơi và đƣợc đƣa đến bộ phận rửa. Năng
suất nấu bột khoảng 150 tấn/ngày.
1.1.3. Công đoạn rửa, sàng
Sau khi đƣợc đánh tơi, bột đƣợc đƣa tới 4 máy rửa lọc chân không. Hệ thống rửa
lọc chân không có cấu tạo lơ hình trụ, đƣợc tạo chân khơng bởi sự chênh lệch áp suất.
Bên trong lơ có hệ thống các đƣờng ống dẫn nƣớc. Trên bề mặt lô đƣợc chia làm nhiều
ngăn và có các ống dùng để dẫn dịch.
Quy trình hoạt động của hệ thống rửa nhƣ sau: Lơ rửa đƣợc quay trịn đều. Trong
q trình quay, nƣớc dùng để rửa bột sẽ theo các ống dẫn đƣợc đƣa vào trong lô. Do
trên bề mặt của lô có các lỗ nên sẽ tạo ra sự chênh lệch áp suất ở bên trong lơ và bên
ngồi lơ. Do đó, tạo ra chân khơng ở bên trong lơ. Nhờ sự chênh lệch áp suất nên bột
sẽ bám dần trên bề mặt của lơ. Sau đó, dùng nƣớc để rửa. Sau khi rửa bột, bột sẽ rơi
xuống hệ thống xoắn vít tải. Từ đây, bột sẽ tới các bể chứa và từ các bể chứa này, bột
đƣợc đƣa lên hệ thống rửa tiếp theo.
Hệ thống bao gồm 4 máy rửa và bột đƣợc đƣa từ máy thứ nhất đến máy thứ 4.
Quá trình rửa ở các máy diễn ra nhƣ nhau.Trong quá trình rửa, nƣớc dùng để rửa sẽ
đƣợc dẫn từ máy rửa thứ 4 lần lƣợt quay trở lại máy thứ 3, 2 và 1 do nƣớc còn sạch.
Bột đen sau khi đã rửa sạch đƣợc đƣa qua hệ thống sàng gồm 2 sàng áp lực, 1
sàng thu và 3 giai đoạn lọc cát. Trong quá trình này, các mấu mắt tre, nứa hoặc bột
sống sẽ đƣợc loại khỏi bột chín, dẫn xuống sàng cơ đặc và xuống vít tải thải ra ngồi.
Bột chín đƣợc đƣa tới các bể chứa và chuẩn bị cho công đoạn tẩy trắng.
Sau khi đƣợc đánh tơi, bột đƣợc đƣa tới 4 máy rửa lọc chân khơng. Hệ thống rửa
lọc chân khơng có cấu tạo lơ hình trụ, đƣợc tạo chân khơng bởi sự chênh lệch áp suất.
Lơ có đƣờng kính d=3,5m có chiều dài là 4,5m. Bên trong lơ có hệ thống các đƣờng
ống dẫn nƣớc. Trên bề mặt lô đƣợc chia làm nhiều ngăn và có các ống dùng để dẫn
dịch. Trong các ngăn có các tấm sàng và các lỗ mắt sàng.
1.1.4. Cơng đoạn tẩy trắng bột
Bột đƣợc Clo hóa bởi Cl2. Sau đó, bột đƣợc kiềm hóa để loại bỏ hợp chất màu
Clorarlignin ra khỏi bột. Sau khi kiềm hóa, bột đƣợc tẩy tiếp bởi Nacl để đạt độ trắng

theo yêu cầu khoảng 74 - 78%. Để bột có độ trắng đồng đều theo yêu cầu phải thực
hiện quy trình tẩy trắng phức tạp, duy trì thích hợp các yếu tố nồng độ bột, mức tỉ lệ
hóa chất tẩy, nhiệt độ, thời gian và độ pH.


5
Bột sau khi tẩy trắng đƣợc đƣa vào bể chứa để chuẩn bị cho quá trình nghiền bột.
Sau khi nghiền, bột đƣợc pha trộn với các phụ gia nhƣ: cao lanh, nhựa thơng, phèn và
một số hóa chất khác tùy theo yêu cầu của sản phẩm. Bột đã pha trộn phụ gia trong bể
chứa sau đó đƣợc đƣa qua hệ thống phụ trợ rồi đƣa tới hòm phun bột bắt đầu quá trình
sản xuất giấy.
1.1.5. Xeo giấy
Xeo giấy tạo ra giấy từ bột, qua các cơng đoạn nhƣ Hình 1.3.
Trƣớc khi vào máy xeo, bột giấy đƣợc đƣa qua hệ thống nghiền để tăng diện tích
tiếp xúc, tăng khả năng liên kết giữa các sớ sợi với nhau. Sau khi nghiền, bột đƣợc pha
trộn với các phụ gia khác nhau tùy theo yêu cầu của sản phẩm. Bột đã pha trộn phụ
gia trong bể chứa sau đó đƣợc đƣa qua hệ thống phụ trợ: Sàng áp lực, lọc cát và các
thành phần khác có ảnh hƣởng đến tờ giấy rồi đƣợc đƣa tới hịm phun bột, bắt đầu q
trình sản xuất giấy.

Hình 1.3. Sơ đồ sản xuất giấy
1.1.5.1. Hịm phun bột
Chức năng chính của hịm phun bột (Hình 1.4) là phân phối đều hỗn hợp bột theo
chiều ngang của luới xeo thông qua môi phun.
Phun và chải bột đều trơn tru lên bề mặt theo chiều rộng của luới xeo
Ổn định nồng độ bột theo chiều ngang của máy xeo.
Ổn định tốc độ theo huớng máy chạy.
Tạo nên sự xáo trộn để tránh sự vón cục của xơ sợi.
Phun đều từ miệng của vịi phun và tiếp xúc với luới.

Hình 1.4. Cấu tạo hòm phun bột


6
1.1.5.2. Bộ phận lưới
Ban đầu tất cả q trình thốt nƣớc đều dựa vào ảnh hƣởng của trọng lực và các
trục phụ đƣợc thêm vào chỉ để giữ lƣới nằm ngang nhƣng cũng là nguyên nhân làm
mòn lƣới.
Ngày nay các thiết bị tách nƣớc đƣợc ứng dụng và đặt phía dƣới lƣới, với mục
đích tăng hiệu quả tách nƣớc đồng thời còn điều chỉnh mức độ kết tụ của xơ sợi trong
băng giấy đã hình thành.
Việc bố trí dịng bột phun lên lƣới và việc thoát nƣớc ban đầu là quan trong nhất,
nó quyết định tới lƣợng nƣớc thốt ra và chất lƣợng của sản phẩm.
Dòng bột phun ra bắt đúng vị trí lƣới xeo phía trƣớc tấm trợ hình thành.
Nếu dịng phun lên lƣới mà ở ngay phía đầu của tấm trợ hình thành cho nƣớc
thốt ra rất nhanh gây ảnh hƣởng khơng tốt hoặc có thể làm hỏng sự hình thành của
băng giấy.
Ngƣợc lại khơng khí sẽ chui vào huyền phù bột và làm xáo trộn sự hình thành
nếu dịng bột phun lên lƣới ở vị trí đỉnh của tấm hình thành.
1.1.6. Bộ phận ép
Nhiệm vụ chính của bộ phận ép là tách nƣớc ra khỏi giấy, tăng độ bền và độ nhẵn
của băng giấy; đồng thời bộ phận ép cịn có nhiệm vụ dẫn băng giấy đến bộ phận sấy.
Băng giấy ƣớt đƣợc chuyển trực tiếp từ lƣới tới trục ép hút chân không đƣợc bọc
chăn của tổ ép 1. Chức năng quan trọng của lƣới ép là chống tạo vết trên băng giấy. Từ
tổ ép 1, băng giấy đƣợc chuyển tới bộ phận ép lƣới ở tổ ép 2. Tổ ép 2 gồm lƣới nhựa
giữa chăn ép và trục ép phía dƣới nhằm giảm áp suất thủy tĩnh trong tuyến ép. Từ chăn
ép 2, băng giấy đƣợc chuyển tới tổ ép 3 qua một khoảng kéo hở. Tổ ép này khơng có
chăn nên khơng có nhiệm vụ tách nƣớc mà chỉ làm cho băng giấy nhẵn và phẳng hơn.
1.1.7. Bộ phận sấy và ép nóng
Khi băng giấy rời bộ phận ép ƣớt có độ ẩm khoảng 50% và nhiệt độ từ 25 - 30oC.

Trong bộ phận sấy lƣợng nƣớc còn lại đƣợc tách ra bằng phƣơng pháp bay hơi. Sấy là
quá trình sử dụng nhiệt năng của hơi nƣớc bão hịa trong lịng lơ sấy để cấp nhiệt cho
giấy kết hợp với gió nóng thổi vào buồng sấy làm bay hơi nƣớc có trong băng giấy.
Sau quá trình sấy trƣớc, băng giấy đƣợc đƣa qua bộ phận ép keo. Chức năng của
khâu ép keo là phủ lớp keo lên bề mặt giấy, tăng độ bóng, độ dai, bịt các lỗ trên bề mặt
băng giấy. Sau khâu ép keo, băng giấy đi tới hệ thống sấy sau.
1.1.8. Bộ phận ép quang
Bộ phận ép quang gồm hai lô quay tiếp xúc với nhau. Máy ép quang sẽ đảm bảo
độ đồng đều, độ nhẵn bóng bề mặt làm tăng độ bền kéo, độ chịu bục và thấm khí của
tờ giấy.


7

Hình 1.5. Bộ phận ép quang
1.1.9. Bộ phận cuốn và cắt cuộn

Hình 1.6. Bộ phận cuốn và cắt cuộn
Băng giấy hình thành sau ép quang đƣợc cuộn lại vào lơ cuốn kim loại Hình 1.6.
Các cuộn giấy đƣợc chuyển sang bộ phận máy cuộn và cắt thành những cuộn giấy
thành phẩm có khổ khác nhau tùy theo đơn đặt hàng.
1.1.10. Giấy thành phẩm
Từ các cuộn giấy lớn, giấy đƣợc chuyển sang phân xƣởng hồn thành để gia cơng
thành các sản phẩm theo đặt hàng: Giấy khổ A3, giấy RAM A4, vở học sinh…


8
1.1.11. Các chỉ tiêu chất lƣợng của giấy thành phẩm
Bảng 1.1. Các chỉ tiêu chất lượng của giấy thành phẩm
Thứ

STT
Tên chỉ tiêu
Mức chỉ tiêu
nguyên
Định lƣợng
g/m2
52; 55; 58; 60; 70; 80
Định
Chuẩn
1
lƣợng
584 < 7061
Sai số cho phép
g/m2
5245861
70412062
Kg/m3

660

Độ ẩm

%

(5-7) ± 10%

4

Độ trắng không nhỏ hơn

%

84

5

Độ hút nƣớc không nhỏ
hơn

g/m2

30

6

Độ đục không nhỏ hơn

%

7

Độ nhám trung bình
khơng lớn hơn

8

Độ tro khơng nhỏ hơn

9

Chỉ số bền kéo trung bình
hai hƣớng khơng nhỏ hơn

Nm

33

10

Độ bụi khơng lớn hơn

ppm

20

11

Keo bề mặt (nếu có)

%

243

2

Độ chặt khơng nhỏ hơn

3

76

ml/Ph
%

81
350

8

16

Phƣơng
pháp thử
TCVN
1270
TCVN
3652
TCVN
1867
TCVN
1865
TCVN
6726
TCVN
6728
TCVN
3226
TCVN
1864
TCVN

1862
TCVN
1868
TCVN
7069

1.2. SẤY HƠI VÀ HỆ ĐIỀU KHIỂN SẤY HƠI
1.2.1. Cấu tạo lô sấy
Tờ giấy đƣợc lƣới sấy ép sát vào thành lô sấy, khi lƣới sấy tiếp xúc với tờ giấy,
lƣợng ẩm chuyển qua chăn một phần là nƣớc phần cịn lại là hơi bởi vì sự chênh lệch
áp suất hơi giữa lƣới và giấy. Lƣới sấy có nhiệt độ thấp hơn tờ giấy vì vậy nhiệt
ngƣng tụ của hơi sấy tăng lên, làm nhiệt độ lƣới tăng lên và một lƣợng hơi sẽ phân
tán trực tiếp qua lƣới. Lƣới sấy đƣợc ép sát vào lô sấy nhờ lô căng. Trong quá trình
sấy, một phần nƣớc đƣợc chuyển qua lƣới, một phần thốt ra ở khoảng cách giữa
các lơ Hình 1.7.


9

Hình 1.7. Cấu tạo lơ sấy giấy

Hình 1.8. Cấu trúc vỏ lô sấy
1.2.2. Nguyên lý điều khiển công suất sấy
Trong dây chuyền xeo, hệ thống sấy, ngƣời ta chia ra các nhóm lơ sấy để cấp hơi.
Khi thiết kế, theo cân bằng năng lƣợng ngƣời ta tính tốn đƣợc cơng suất nhiệt sấy cần
cấp cho lô:

Qn  WsC ps Ts

(1.1)

Trong đó:
Qn (kW): Cơng suất nhiệt cấp cho lơ.
Ws (kg/s): Lƣu lƣợng hơi cấp cho lô.
Cps (kJ/kg.K): Nhiệt dung riêng của hơi cấp cho lô.
Ts (K): Nhiệt độ hơi cấp cho lô.
Công suất nhiệt sấy đƣợc điều chỉnh bởi thông số lƣu lƣợng hơi, thông qua điều
chỉnh độ mở của van [5], ta có:
1
Ws
 Cv m%
(1.2)
P
Trong đó:
Cv là độ dẫn cực đại của van.
m% độ mở của van điều chỉnh.
P  PN  PL là chênh lệch áp giữa áp suất tổng PN và áp suất đầu
vào lô PL đƣợc điều khiển giữ không đổi theo lƣợng đặt.


10

Ống nƣớc ngƣng
Hình 1.9. Cấu trúc điều khiển độ ẩm cho các nhóm lơ giấy
Giả thiết áp suất hơi tổng PN, nhiệt dung riêng và nhiệt độ hơi cấp cho lô là
không đổi. Điều chỉnh công suất sấy hơi bằng điều khiển lƣu lƣợng thơng qua mạch
vịng điều khiển chênh áp ∆P, có cơ cấu chấp hành là Van. Khi lƣợng đặt chênh áp
nhỏ, lƣu lƣợng lớn tức là công suất sấy lớn và ngƣợc lại Hình 1.10.
Trên Hình 1.9 là cấu trúc điều khiển công suất sấy hơi. Ứng với từng nhóm lơ ta
đặt chênh áp tƣơng ứng với giá trị đặt độ ẩm theo thứ tự các nhóm lô theo quan hệ hàm

f(x) [8] (là quan hệ giữa độ ẩm và chênh áp đƣợc tính theo cơng thức):

f n  kn r  mn

 kn  1
Với 
0  k n  1

Khi mn < 0
Khi mn = 0

(1.3)

Trong đó:
r: là giá trị đặt từ bộ điều khiển độ ẩm.
kn: là hệ số tỷ lệ.
n: là chỉ số thể hiện số nhóm sấy.
Trên Hình 1.10 biểu diễn lƣợng đặt chênh áp theo các nhóm lơ. Khi giấy vào
đoạn đầu của buồng sấy, giấy có độ ẩm lớn, cần lƣu lƣợng hơi vào lô nhiều nhất, hay
chênh áp giữa đƣờng áp suất tổng với áp suất trong lô là nhỏ nhất. Cuối buồng sấy, độ
ẩm của giấy giảm, chênh áp lớn, giảm lƣu lƣợng hơi cấp vào lô, công suất nhỏ.


11

Hình 1.10. Chênh áp đặt cho các nhóm sấy
1.3. SẤY ĐỐI LƢU VÀ ĐIỀU KHIỂN GIĨ TRONG BUỒNG SẤY
Q trình sấy trong dây chuyền xeo đƣợc thực hiện trong hai buồng sấy: Buồng
thứ nhất sau ép ƣớt độ ẩm vào buồng 50%, đầu ra có độ ẩm 5 - 7%, giấy chạy tiếp đến
ép keo và vào buồng sấy thứ hai có độ ẩm khoảng 20% ra buồng sấy 5%, đến ép quang

đƣợc cuộn thành lô sản phẩm giấy.
1.3.1. Phƣơng pháp sấy đối lƣu truyền thống
Trên Hình 1.11 mơ tả nguyên lý buồng sấy trong đó sấy đối lƣu dùng gió. Khơng
khí khơ đƣợc trộn với một phần gió thu hồi từ đầu ra của buồng để tận dụng nhiệt thải
tái sử dụng nhiệt lấy từ đầu ra buồng sấy. Với tác dụng của gió kết hợp với nhiệt sấy
cấp từ lô, nƣớc trong giấy sẽ bốc hơi nhanh hơn [7].

Hình 1.11. Ngun lý buồng sấy đối lưu dùng gió
Nhƣợc điểm của phƣơng pháp này là tăng độ ẩm không khí sấy, làm tăng nhiệt
độ điểm sƣơng trong buồng, hạn chế quá trình bay hơi; điều này đẫn đến tăng lƣợng hơi
tiêu thụ, hay nói cách khác, phƣơng pháp này khơng kiểm sốt đƣợc mơi trƣờng sấy.


12
1.3.2. Phƣơng pháp sấy đối lƣu kết hợp thổi gió nóng lên mặt giấy
1.3.2.1. Vị trí đặt các vịi phun gió

Vịi phun khơng khí
Hình 1.12. Vị trí của vịi phun khơng khí
Để khắc phục nhƣợc điểm của phƣơng pháp sấy gió trƣớc đây (phân tích nhƣ
trên) [8],[20]. Ngƣời ta áp dụng phƣơng pháp sấy đối lƣu kết hợp với thổi gió nóng
trực tiếp vào mặt giấy, nhƣ Hình 1.12.
1.3.2.2. Các mạch vịng điều khiển của hệ thống sấy đối lưu

Hình 1.13. Các mạch vòng điều khiển của hệ thống sấy gió phương pháp mới
Điều khiển nhiệt độ gió nóng, khơ cấp cho buồng sấy: Gió lấy từ khí trời lƣu
lƣợng Wa1 đƣợc gia nhiệt một phần từ khơng khí thải qua bộ HRU (thu hồi nhiệt), sau
đó gió đƣợc đƣa sang thiết bị trao đổi nhiệt HEU gia nhiệt bằng hơi bão hịa, điều
khiển nhiệt độ gió sấy thơng qua van điều khiển lƣu lƣợng hơi. Gió nóng, khơ đƣợc
thổi vào hai mặt giấy bằng vịi phun Hình 1.13. [11],[20],[22].

Điều khiển cân bằng khối lƣợng ZL (Zero Level): Để đảm bảo cân bằng khối
lƣợng gió vào và ra, hạn chế khí giả (gió lạnh) lọt vào buồng sấy từ ngồi. ZL tạo nên