t

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.
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

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

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

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:

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

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:

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

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

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:
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.

+ 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.

+ 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

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?