BÀI TẬP LỚN

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA NHÀ MÁY GIẤY

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY GIẤY BÃI BẰNG

1.1. Tầm quan trọng của ngành sản xuất giấy

Ngàng giấy có vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân, nó quyết định tới nền
văn minh của đất nước nói riêng và của toàn nhân loại nói chung. Giấy là công cụ lưu
SVTH

Page 1


BÀI TẬP LỚN

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA NHÀ MÁY GIẤY

trữ thông tin để truyền bá từ thế hệ này sang thế hệ khác. Giấy góp phần quan trọng vào
thúc đẩy kinh tế – xã hội và khoa học – kỹ thuật phát triển. Nhân loại muốn phát triển
thì các thành tự khoa học – kỹ thuật và thông tin văn hóa phải được phổ biến rộng rãi
trên toàn thế gới, dẫn tới nhu cầu sử dụng giấy đang ngày càng tăng cao.
Giấy được sử dụng trong hầu hết các linh vực : Công nghiệp, giáo dục, sách báo ,y
tế, Quốc phòng, trong sinh hoạt hàng ngày … Hàng năm, giấy mang lại nguồn lợi đáng
kể cho nền kinh tế quốc dân.
Tóm lại giấy dữ một vai trò quan trọng trong nền kinh tế cũng như là văn minh

Bao gói : 344 lớp giấy kraft
Giấy photocopy :
- Định lượng : 70;80 (g/m2)
- Độ trắng : /88 0ISO
- Khổ giấy : Từ A4 tới A0
- Bao gói : 1 lớp giấy kraft
• Giấy kẻ ngang :
- Định lượng : 58 (g/m2)
- Khổ giấy : 21,5 3 16,5 cm, loại 48 và 96 trang
- Bao gói : 10 – 12 quyển trong 1 hộp
• Giấy tessne : Khăn lau mặt, Khăn bỏ túi, Khăn ăn
- Định lượng : 1461 (g/m2)
- Độ trắng : /80 0ISO
- Số lớp : 243
- Độ nhăn : 20425%
- Độ ẩm : 861%
• Giấy toilet :
- Định lượng : 1661 (g/m2)
- Độ trắng : /75 0ISO
- Số lớp : 142
- Độ nhăn : 20425%
- Độ ẩm : 861%
-

•

CHƯƠNG 2. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT GIẤY NHÀ MÁY GIẤY BÃI BẰNG

2.1.


Chiều dài: 35 mm.
Chiều rông: 10 mm.
Chiều dày: 2,5 mm.

Page 4


BÀI TẬP LỚN

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA NHÀ MÁY GIẤY

Hình 2.2. Bãi nguyên liệu của tổng công ty bãi bằng
Các mảnh được đưa vào hệ thống rửa mảnh và qua băng tải đến sân chứa mảnh.
Năng suất của máy chặt tre nứa là 20 tấn/h.
Gỗ được đưa đến bộ phận bóc vỏ bằng băng tải xích. Gỗ sau khi đã bóc vỏ được
rửa sạch rồi đi vào máy chặt mảnh. Mảnh gỗ sau khi chặt có kích thước theo tiêu chuẩn:
- Chiều dài:
35 mm.
- Chiều rộng: 10 mm.
- Chiều dày: 2,5 mm.

Hình 2.3. Thùng bóc vỏ
Mảnh gỗ được đưa qua sàng chọn và đưa ra sân chứa bằng băng tải. Mảnh tre nứa
và gỗ được đưa 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.

2.2.2. Nấu bột

SVTH


2.2.4. Công đoạn tẩy trắng bột
Bột từ công đoạn sàng được đưa vào bể chứa. Từ bể chứa, bột đen được đưa vào
tẩy trắng. Công đoạn tẩy trắng gồm 4 giai đoạn.
Bột được clo hóa bởi Cl2. Sau đó, bột được kiềm hóa để loại bỏ hợp chất màu
Clorarlignin ra khỏi bột. Sau khi kiềm hóa, bột được tẩy tiếp bởi NaClO 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
nghiêm túc, duy trì thích hợp các yếu tố nồng độ bột, mức tỷ lệ hóa chất tẩy, nhiêt độ,
thời gian và độ pH. Bột sau khi tẩy trắng được đưa vào bể chứa để chuẩn bị cho quá
trình nghiền.
2.2.5.

SVTH

Công đoạn nghiền bột
Page 6


BÀI TẬP LỚN

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA NHÀ MÁY GIẤY

Bột giấy được đưa qua hệ thống nghiền côn để tăng diện tích tiếp xúc, tăng khả
năng liên kết giữa các thớ sợi với nhau, tạo điều kiện thuận lợi cho khả năng hình thành
tờ giấy.
Sau khi nghiền, bột được pha trộn với các phụ gia: Cao lanh, nhựa thông, 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 được đưa qua hệ thống phụ trợ: Sàng áp lực, lọc cát và các thành phần khác
có ảnh hưởng đến tờ giấy rồi được đưa tới hòm phun bột, bắt đầu quá trình sản xuất
giấy.


Hình 2.5. Lưới dài và lưới đỉnh
2.3.3. Bộ phận ép

Ép có nghĩa là tờ giấy được nén bằng cơ học để đạt trên bão hòa.Ở phần này nước
cũng được tách được càng nhiều ra khỏi tờ giấy càng tốt.
Sau công đoạn hình thành tờ giấy, tờ giấy còn khoảng 80% nước (độ khô 20%). Ở
công đoạn ép, độ khô sẽ tăng lên đến 40%. Nhiệm vụ chính của bộ phận ép là tách nước
ra khỏi giấy, tăng độ bền cơ lý của tờ giấy như tăng liên kết của các xơ sợi,tăng độ nhẵn
giảm độ xốp,giảm tiêu hao hơi trong quá trình sấy.
Bộ phận ép có số lượng cặp ép và cấu trúc khác nhau.Một cặp ép bao gồm giá đỡ
và 2 hoặc 3 lô. Lô dưới thường được lắp trên 1 ổ đỡ cố định và là lô dẫn động.Sự ép
xảy ra ở khoảng giữa lô trong khe ép và tờ giấy được chăn dẫn qua khe ép.
Tờ giấy ướt được chuyển trực tiếp từ lưới tới trục ép hút chân không được bọc
chăn của tổ ép 1. Chức năng quan trọng của lưới ép là chống tạo vết trên tờ giấy. Từ tổ
ép 1, tờ giấy được chuyển tới bộ phận ép lưới ở tổ ép 2. Tổ ép 2 gồm một lưới nhựa
giữa chăn ép và trục ép phía dưới nhằm giảm áp suất thủy tĩnh trong tuyến ép. Từ chăn
ép 2, tờ giấy được chuyển tới tổ ép nhẵn 3 qua một khoảng kéo hở. Tổ ép này không có
chăn nên không có nhiệm vụ tách nước mà chỉ làm cho tờ giấy nhẵn và phẳng hơn.

SVTH

Page 8


BÀI TẬP LỚN

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA NHÀ MÁY GIẤY

Hình 2.6. Bộ phận ép ướt

2.3.5. 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.

Hình 2.9. Bộ phận ép quang

SVTH

Page 10


BÀI TẬP LỚN

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA NHÀ MÁY GIẤY

2.3.6. Bộ phận cắt cuộn lại

Tờ giấy hình thành sau ép quang thì được cuộn lại vào lô cuốn kim loại có đường
kính 1800 mm. Các cuộn giấy được chuyển sang bộ phận máy cuộn lại và cắt thành
những cuộn giấy thành phẩm có khổ to, nhỏ tùy theo đơn đặt hàng và được cuộn vào
theo các lõi bằng giấy.

Hình 2.10. Máy cắt cuộn lại
Từ các cuộn giấy lớn, giấy được chuyển sang phân xưởng hoàn thành để gia công
thành các sản phẩm theo đặt hàng: Giấy khổ A3, giấy RAM A4, vở học sinh… Hiện tại,
phân xưởng hoàn thành có 1 máy đóng giấy cuộn các cỡ, 2 máy A3, 2 máy xén và đóng
giấy A4 cao cấp, được tự động hóa hoàn toàn và sản phẩm làm ra có chất lượng cao.
Máy đóng vở học sinh hiện tại không còn được sử dụng do vấn đề vệ sinh môi trường
và hiệu quả không cao.

- Giấy được sấy đồng đều nhau do mọi vị trí trên tờ giấy đều được cung cấp
nhiệt theo cách giống nhau.
• Nhược điểm của hệ thống sấy hai bạt dẫn:
- Hệ truyền động phức tạp, cồng kềnh.
- Điều khiển phức tạp.
- Phối hợp tải trong hệ truyền động rất khó khăn.
•

3.1.2. Truyền động của nhóm sấy
- Để đảm bảo giấy không bị rách, dày mỏng khác nhau … thì tốc độ của các lô

sấy phải là như nhau.
SVTH

Page 12


BÀI TẬP LỚN
-

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA NHÀ MÁY GIẤY

Trong hệ truyền động có sử dụng bánh răng liên kết các lô sấy trong cùng
một nhóm
Số lượng lô sấy lớn (8 lô sấy) nên để đảm bảo hệ thống hoạt động trơn tru,
chất lượng truyền động tốt chúng ta dùng hai động cơ truyền động M 1 và M2
sau đó thực hiện phối hợp tải (Thực hiện chia tải) cho hai động cơ này như
sau :
Tốc độ đặt


HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA NHÀ MÁY GIẤY

Hình 3.3. Các thanh gây sáo trộn trong lô sấy
Các thanh trong lô sấy có tác dụng phá vỡ nước ngưng do hiện tượng công hướng.
Các thanh trong lô sấy cũng ảnh hướng tới qua trình sấy,sau đây là sự so sánh giữa ảnh
hưởng của các thanh trong lô sấy :

Hình 3.4. Ảnh hưởng của các thanh trong lô sấy tới quá trình sấy
Đường có chấm tròn thể hiện tốc độ của lô sấy khi có các thanh bên trong lô sấy
và đường có chấm hình tam giác biểu thị quá trình sấy không có các thanh bên trong lô
sấy.
Từ đồ thị hình .3.4 chúng ta thấy tốc độ sấy khi các lô sấy có các thanh bên trong
lô sấy nhanh hơn so với trường hợp lô sấy không có các thanh ở bên trong. Do, các lô
sấy có thanh bên trong sẽ phá vỡ lớp nước ngưng do đó hiệu quả truyền nhiệt tốt hơ so
với trường hợp lo sất không có thanh bên trong lô sấy.
SVTH

Page 14


BÀI TẬP LỚN

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA NHÀ MÁY GIẤY

Hình 3.5. Cấu tạo trong của lô sấy
3.2.2. Nguyên lý hoạt động
• Tác dụng của lô sấy

Hình 3.6. Sấy giấy trên lô sấy
Khi giấy được gia nhiệt bới các lô sấy, nước ở giữa và bên trong sơ sợi sẽ chuyển


Page 16


BÀI TẬP LỚN

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA NHÀ MÁY GIẤY

Hình 3.8. Hệ thống thông hơi của lô sấy
Hệ thống thông hơi có chức năng như sau:
- Tạo môi trường thuận lợi để bốc hơi
- Cải hiện việc sử dụng năng lượng
- Duy trì điều kiện tốt cho phòng máy xeo
- Giảm mù sương thoát ra khỏi nhà máy
3.3. Mô tả toán học của lô sấy
3.3.1. Mô tả quá trình trong lô sấy
Lô sấy là các trụ kim loại rỗng, hơi nước bão hòa ở nhiệt độ cao được đưa vào bên
trong, gia nhiệt cho lớp vỏ kim loại. Làm nhiệt độ tăng lên, khi tiếp xúc với giấy ẩm,
quá trình truyền nhiệt xảy ra và làm bay hơi nước trên bề mặt tờ giấy. Do nhiệt từ hơi
nước mất đi làm nhiệt độ trên bềmặt lô sấy giảm, phía trong lô, hơi nước chuyển từ
dạng hơi chuyển về dạng lỏng thành một lớp nước ngưng tụ ở mặt trong của lô sấy. Vậy
quá trình vật lí bên trong lô sấy là quá trình cân bằng pha giữa pha hơi và pha lỏng của
nước. Vấn đề điều khiển ở đây là điều khiển cân bằng pha đểnhiệt cung cấp làm bay hơi
nước trên tờ giấy là ổn định và đạt được công suất mong muốn. Đối tượng điều chỉnh là
áp suất hơi bão hòa trong khoang lô sấy.

3.3.2. Các quá trình cân bằng

SVTH


( ρ wVw ) = qc − qw (2)
dt

Trong đó :
- qS : Lưu lượng hơi nước vào trong lô sấy (Kg/s)
- qC : lưu lượng hơi nước ngưng tụ trong lô sấy (Kg/s)
- qW : lưu lượng nước ngưng tụ được hút ra ngoài (Kg/s)
- VS, VW : lần lượt là thể tích hơi và nước ngưng tụ (m 3)
- ρS , ρw : lần lượt là khối lượng riêng của hơi nước và nước ngưng (Kg/m 3)
b. Cân bằng năng lượng
d
(3)
( ρ susVs ) = qs hs − qc hs
dt
d
( ρ w uwVw ) = qc hs − qw hw − Qm (4)
dt
d
(5)
( mC p,mTm ) = Qm − Qp
dt

Trong đó :
Qm : công suất nhiệt cấp từ hơi nước cho lớp vỏ kim loại của lô sấy (W)
QC : công suất cấp nhiệt từ vỏ lô tới tờ giấy (W)
m : Khối lượng lô sấy (Kg)
Cp,m : nhiệt dung riêng của kim loại làm vỏ lô sấy (J/kg.K)
Tm : nhiệt độ vỏ lô (K)
US, UW : nội năng của hơi nước và nước ngưng (J/kg)
SVTH

3.3.4. Mô hình hóa quá trình
Tổng kết lại từ các phương trình biểu diễn quá trình vật lý của hệ thống :
d
 dt ( ρ sVs ) = qs − qc

0 = qc hs − qw hw − Qm
 d
 ( mC p ,mTm ) = Qm − Q p
 dt
Q m = α sc Acyl (Ts − Tm )

Q p = α cp Acyl .η .(Tm − Tp )


Loại bỏ hai biến qc và Qm từ hệ trên thu được:
 d
 hs dt ( ρ sVs ) = qs hs − qw hw − α sc Acyl (Ts − Tm )

 d ( mC T ) = α A (T − T ) − α A .η.(T − T )
p ,m m
sc cyl
s
m
cp cyl
m
p
 dt

Hai biến trạng thái là áp suất và nhiệt độ hơi nước.
Giả thuyết, hơi nước trong lô là bão hòa và

0 = q 0 hs (p0 ) − qw (p0 )hw (p0 ) − α sc Acyl (Ts (p 0 ) − T 0 )
s


0
0
0
0
0 = α sc Acyl (Ts (p ) − Tm ) − α cp Acyl .η .(Tm − Tp )
q 0s hs (p0 ) − qw (p0 )hw (p 0 )
0
0
⇒ Tp = Tm −
α cp Acyl .η

m

Tuyến tính hóa tại điểm làm việc :

d ρs
dh
dq
dT 
d ∆p  0 dhs
0
=  qs
− qw (p0 ) w − hw (p0 ) w − α sc Acyl s 
∆p + α sc Acyl ∆Tm + hs (p0 )∆ q s
hs (p ) V
dp

sc
 cp

Giả thuyết rằng
Mô hình trở thành :


d ρs
dT 
d ∆p 
0
=  −α sc Acyl s 
∆p + α sc Acyl ∆Tm + hs (p0 )∆ q s
hs (p ) V
dp p = p0 dt
dp  p = p0



mC d ∆Tm = α A dTs
− α sc Acyl ∆Tm − α cp Acylη∆Tm
sc cyl
 p ,m dt
dp p = p 0


Quá trình nhiệt Qp xảy ra chậm so với quá trình truyền nhiệt Q m từ hơi sang vỏ lò.
Chuyển mô hình đã cho sang không gian trạng thái:
 x&= Ax + B∆qs






 ;B = V




Acyl 
−

mCm , p 
Acyl
d ρs
hsV
dp

1
d ρs
dp
0



 ; C = [1 0] ; D = 0



Từ mô hình trạng thái có thể rút ra hàm truyền của lưu lượng hơi tới áp suất trong

 h V d ρ s mCm , p
 s dp



÷
÷
÷
÷


Hàm truyền là sự kết hợp của khâu tích phân và khâu có đặc tính lead-lag tùy
thuộc vào vị trí
−λ
điểm cực
và điểm không – z.
Có thể đưa về dạng chuẩn của mô hình- IPZ(mô hình chứa khâu tích phân , 1 điểm
cực, 1 điểm không.)
G (s) = kv

kv =

1 + sT1 − sL
e
s (1 + sT2 )

mCm, p hsV

mCm , p



Page 21


BÀI TẬP LỚN

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA NHÀ MÁY GIẤY

Mục đích của hệ điều khiển áp suất hơi và nước ngưng tụ hay điều khiển cân bằng
pha trong lô sấy mục đích là để cung cấp công suất nhiệt để làm bay hơi nước trên giấy
để đạt chỉ tiêu chất lượng mong muốn.
Các lô sấy trong quá trình được chia thành nhiều nhóm khác nhau, từ 5-10 nhóm.
Mỗi nhóm được điều khiển bởi 1 bộ điều khiển độc lập. Khi mà hơi nước trong lô sấy
là hơi bão hòa thì quá trình tạo ra nước ngưng tụ trên mặt trong của lô là liên tục, và có
sự tương quan giữa áp suất và nhiệt độ hơi nước.

Hình 3.10. Mô hình một nhóm 6 lô sấy, van và bộ điều khiển van.
Điều khiển áp suất đơn giản nhất ở trong các lô sấy là lấy dòng hơi nước ở áp suất
cao cho vào các nhóm lô sấy, đầu ra được đưa tới bộ phận ngưng. Việc điều khiẻn này
sẽ điều khiển riêng rẽ áp suất ở các nhóm và hoàn toàn không phụ thuộc lẫn nhau,
nhưng đổi lại hiệu suất sử dụng rất thấp.
Một phương án khác là sử dụng nói tầng các nhóm sấy với nhau để có thể tối ưu
hiệu suất. Bằng việc sắp xếp các nhóm lô hợp lý theo thứ tự áp suất làm việc ở các
nhóm từ cao tới thấp. Dòng hơi nước áp suất cao sau khi qua nhóm sấy áp suất cao
được dẫn tới các nhóm sấy hoạt động áp suất thấp.

SVTH

Page 22



BÀI TẬP LỚN

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA NHÀ MÁY GIẤY

Hình 3.12. sơ đồ 1 nhóm sấy với máy nén hơi ổn định áp suất.
Một sơ đồ P&ID cơ bản của một phân xưởng sấy được xây dựng theo cấu trúc nối
tầng có sử dụng máy nén hơi.

Hình 3.13. sơ đồ P&ID của 1 hệ thống sấy có cấu trúc nối tầng các nhóm sấy với
nhau.
Trong sơ đồ P&ID này, hệ thống sấy được chia thành 6 nhóm sấy khác nhau.
SVTH

Page 24


BÀI TẬP LỚN

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA NHÀ MÁY GIẤY

Có nhiều vòng lặp điều khiển nhưng vòng lặp cơ bản và chủ yếu nhất là vòng điều
khiển áp suất. Cùng với đó là vòng điều khiển mức trong bình ngưng, điểu khiển áp
suất nguồn hơi từ máy cấp hơi, điều khiển chênh lệch áp suất giữa các nhóm lô sấy…
3.4.2. Thiết kế bộ điều khiển áp suất

Vòng điều chỉnh áp suất là vòng điều chỉnh cơ bản và quan trọng nhất quyết định
tới chất lượng sấy của hệ thống sấy.
Trong phần trước ta đã đi mô hình hóa được hàm truyền từ lưu lượng hơi đầu vào
tới áp suất hơi trong lô sấy có dạng hàm truyền IPZ.



1
1
C ff (s) = k c  β +
+ sγ Td ÷ ; Cc (s) = k c 1 +
+ sTd ÷
sTi


 sTi


Trong thực tế để nâng cao chất lượng điều khiển người ta thường thêm bộ lọc
thông thấp vào thành phần của bộ điều khiển PID .

SVTH

Page 25