Thiết kế hệ thống chẩn đoán lỗi và cảnh báo tự động để nâng cao chất lượng vận hành hệ thống lọc bụi tĩnh điện
- 85 trang
- file .pdf
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Thiết kế hệ thống chẩn đoán lỗi và cảnh
báo tự động để nâng cao chất lượng vận
hành hệ thống lọc bụi tĩnh điện
NGUYỄN VĂN TỚI
Ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Giảng viên hướng dẫn: TS. Phạm Quang Đăng
Trường: Điện – Điện tử
HÀ NỘI, 2022
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Thiết kế hệ thống chẩn đoán lỗi và cảnh
báo tự động để nâng cao chất lượng vận
hành hệ thống lọc bụi tĩnh điện
NGUYỄN VĂN TỚI
Ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Giảng viên hướng dẫn: TS. Phạm Quang Đăng
Chữ ký của GVHD
Trường: Điện – Điện tử
HÀ NỘI, 2022
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Nguyễn Văn Tới
Đề tài luận văn: Thiết kế hệ thống chẩn đoán lỗi và cảnh báo tự động
để nâng cao chất lượng vận hành hệ thống lọc bụi tĩnh điện
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số SV: 20202788M
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác
nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày
31/10/2022 với các nội dung sau:
- Tác giả cần rà soát lại các lỗi chính tả và sửa chữa, chỉnh sửa lại cách
sử dụng các thuật ngữ khoa học cho chính xác và nhất quán.
- Các ví dụ minh họa khi trình bày về các thuật toán học máy nhất là hai
thuật toán được sử dụng trong luận văn cần gắn với đối tượng là hệ
thống lọc bụi.
- Cần bổ sung bảng các lỗi thường gặp trong hệ thống và phân tích mối
liên hệ giữa các lỗi đó với các thông số cần thu thập, kỹ thuật chẩn đoán
lỗi, và liên quan gì đến phần dự báo.
Ngày tháng năm 2022
Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
LỜI CẢM ƠN
Qua đây, tác giả xin gửi lời cảm ơn đến TS. Phạm Quang Đăng, người
hướng dẫn tác giả hoàn thành luận văn thạc sĩ. Xin cảm ơn các kỹ sư vận hành tại
nhà máy nhiệt điện Hải Phòng đã cung cấp cho tác giả bộ dữ liệu về hoạt động
của bộ lọc bụi tĩnh điện của nhà máy.
Lời cuối cùng, xin cảm ơn toàn thể các thầy cô tham gia giảng dạy khóa cao
học 20202 cũng như các thầy cô trong bộ môn Tự động hoá công nghiệp, các cán
bộ trong viện Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Trường Đại học Bách khoa Hà
Nội đã giúp tác giả tích lũy được nhiều kiến thức quý báu, phục vụ cho công tác
nghiên cứu hiện tại và sau này trong lĩnh vực Điều khiển và Tự động hóa.
Xin chân thành cảm ơn!
Tác giả
Nguyễn Văn Tới
Tóm tắt nội dung luận văn
Đề tài: “Thiết kế hệ thống chẩn đoán lỗi và cảnh báo tự động để nâng cao chất
lượng vận hành hệ thống lọc bụi tĩnh điện” có mục tiêu là xây dựng được mô hình
có khả năng học từ các dữ liệu đã thu thập, từ đó đưa ra kết quả dự đoán của những
đối tượng muốn theo dõi để hỗ trợ người vận hành trong quá trình vận hành hệ
thống.
a) Nội dung luận văn giải quyết các vấn đề sau:
Phân tích vấn đề xảy ra đối với hệ thống lọc bụi tĩnh điện của nhà máy nhiệt
điện. Giới thiệu kỹ thuật máy học máy và thuật toán sử dụng trong luận văn.
Trực quan hóa dữ liệu để đánh giá những mối tương quan của từng đặc tính
xét đến, thực hiện huấn luyện mô hình học máy để đưa ra dự đoán hiệu quả lọc bụi
đầu ra dựa trên dữ liệu đã thu thập từ nhà máy. Đánh giá mô hình và khả năng ứng
dụng vào thực tiễn.
b) Phương pháp nghiên cứu và công cụ sử dụng
Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp phương pháp phân tích lý thuyết và mô phỏng
dựa trên dữ liệu thực tế. Chương trình mô phỏng được phát triển trên nền tảng mã
nguồn mở Anaconda Navigator trong môi trường tích hợp Jupyter Notebook.
c) Kết quả
Luận văn phù hợp với yêu cầu đặt ra, có tính khoa học và ứng dụng thực tiễn
đối với tình hình nghiên cứu trong nước. Hướng mở rộng của luận văn là giải
quyết, hoàn thiện một hệ thống thân thiện với người dùng và đa dụng hơn cho
nhiều hệ thống.
Học Viên
Nguyễn Văn Tới
MỤC LỤC
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ BỘ LỌC BỤI TĨNH ĐIỆN ...............................1
1.1 Giới thiệu chung............................................................................................1
1.2 Nguyên nhân tạo thành bụi ...........................................................................1
1.3 Các phương pháp lọc bụi trong công nghiệp ................................................2
1.3.1 Lọc bụi theo phương pháp trọng lực ......................................................2
1.3.2 Lọc bụi theo phương pháp ly tâm ..........................................................2
1.3.3 Lọc bụi theo phương pháp ẩm ...............................................................2
1.3.4 Lọc bụi theo phương pháp qua túi vải – màng vải ................................3
1.3.5 Lọc bụi tĩnh điện ....................................................................................3
1.4 Nguyên lý làm việc của bộ lọc bụi tĩnh điện ................................................3
1.5 Lựa chọn loại điện áp các cực trong lọc bụi tĩnh điện ..................................5
1.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của thiết bị lọc bụi tĩnh điện ...............6
1.7 Hệ thống lọc bụi tĩnh điện nhà máy nhiệt điện Hải Phòng ...........................6
1.7.1 Mô tả chung ...........................................................................................6
1.7.2 Thông số kỹ thuật...................................................................................8
1.7.3 Một số lỗi trường lọc bụi .......................................................................9
Chương 2. TỔNG QUAN VỀ HỌC MÁY ........................................................11
2.1 Giới thiệu về học máy .................................................................................11
2.2 Phân loại các phương pháp học máy ..........................................................11
2.2.1 Học có giám sát (Supervised Learning) ...............................................12
2.2.2 Học không giám sát (Unsupervised Learning) ....................................12
2.2.3 Học bán giám sát (Semi-Supervised Learning) ...................................13
2.2.4 Học tăng cường (Reinforcement Learning) .........................................13
2.2.5 Học sâu (Deep Learning) .....................................................................14
2.3 Một số thuật toán học máy thông dụng.......................................................15
2.3.1 Phân cụm K-means (K-means Clustering) ..........................................15
2.3.2 KNN (K-nearest neighbor) ..................................................................16
2.3.3 Cây quyết định (Decision Tree) ...........................................................17
Chương 3. THUẬT TOÁN CÂY QUYẾT ĐỊNH VÀ RỪNG NGẪU NHIÊN
.............................................................................................................................. 19
3.1 Decision Tree (Cây quyết định) ................................................................. 19
3.1.1 Iterative Dichotomiser 3 (ID3) ............................................................ 20
3.1.2 Thuật toán ID3 .................................................................................... 22
3.1.3 Ví dụ .................................................................................................... 23
3.1.4 Điều kiện dừng .................................................................................... 24
3.1.5 Pruning ................................................................................................ 25
3.2 Random Forest (Rừng ngẫu nhiên) ............................................................ 26
3.2.1 Giới thiệu về phương pháp Ensemble Learning (Học cộng đồng) ..... 27
3.2.2 Xây dựng thuật toán Random Forest .................................................. 29
3.2.3 Đánh giá thuật toán Random Forest .................................................... 31
Chương 4. MÔ HÌNH HỆ THỐNG VÀ CHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM
.............................................................................................................................. 33
4.1 Thu thập số liệu từ PLC ............................................................................. 34
4.1.1 Giao thức truyền thông (Communiction) ............................................ 34
4.1.2 Thu thập số liệu từ PLC ...................................................................... 43
4.2 Môi trường và ngôn ngữ lập trình .............................................................. 51
4.3 Xây dựng chương trình .............................................................................. 55
4.3.1. Một số mã lỗi thông dụng .................................................................. 55
4.3.2. Cấu trúc chương trình ........................................................................ 57
KẾT LUẬN ......................................................................................................... 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 67
PHỤ LỤC ............................................................................................................ 69
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu Tiếng Anh Dịch nghĩa
ESP Electrostatic Precipitator Bộ lọc bụi tĩnh điện
SCADA Supervisory Control And Data Hệ thống điều khiển giám sát và
Acquisition thu thập dữ liệu
OSI Mô hình tham chiếu kết nối các
Open Systems Interconnection
hệ thống mở
TCP/IP Transmission Control Protocol/ Giao thức điều khiển để truyền
Internet Protocol nhận liên mạng
AI Artificial Intelligence Trí tuệ nhân tạo
DT Decision Tree Cây quyết định
ID3 Iterative Dichotomiser 3
KNN K-nearest neighbor K láng giềng gần nhất
SVM Support Vector Machine Máy véc-tơ hỗ trợ
CNN Convolutional Neural Networks Mạng neuron tích chập
DBN Deep Belief Network Mạng niềm tin sâu
RNN Recurrent Neural Network Mạng nơ ron tái phát
LSTM Long Short Term Memory Mạng bộ nhớ dài ngắn hạn
i
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Các nhánh của hệ thống lọc bụi tĩnh điện [4] ..........................................7
Bảng 1.2 Các nhóm trường của hệ thống lọc bụi tĩnh điện [4]...............................7
Bảng 1.3 Thông số kỹ thuật của bộ lọc bụi [4] .......................................................8
Bảng 1.4 Thông số khí thải cho phép [4] ................................................................9
Bảng 1.5 Lỗi trường lọc bụi và cách xử lý [4] ........................................................9
Bảng 3.1 Ví dụ về dữ liệu huấn luyện cây quyết định ..........................................24
Bảng 3.2 Tập dữ liệu Dataset D ............................................................................28
Bảng 3.3 Tập dữ liệu Dataset trong học cộng đồng..............................................28
Bảng 3.4 Ví dụ chẩn đoán của Rừng ngẫu nhiên..................................................31
Bảng 3.5 Sự tương đồng giữa Random Forest và ý tưởng Wisdom of Crowds [13]
...............................................................................................................................32
Bảng 4.1 Bảng tóm tắt các giao thức của một số nhà sản xuất .............................34
Bảng 4.2 Bảng tóm tắt các chức năng được thực hiện trong mỗi lớp của OSI [14]
...............................................................................................................................36
Bảng 4.3 Bảng tóm tắt các giao thức thông dụng ứng với từng lớp trong OSI [14]
...............................................................................................................................37
Bảng 4.4 Bảng tóm tắt các chức năng của các lớp trong TCP/IP [15] .................39
Bảng 4.5 Bảng tóm tắt một số giao thức tương ứng từng lớp [15] .......................39
Bảng 4.6 Mã chức năng và các loại dữ liệu được hổ trợ bởi Modbus [16] ..........43
Bảng 4.7 Các loại tin nhắn của truyền thông Serial [17] ......................................45
Bảng 4.8 Ý nghĩa các thành phần trong câu lệnh [17]..........................................46
Bảng 4.9 Các loại tin nhắn của truyền thông Ethernet [17] ..................................49
Bảng 4.10 Ý nghĩa các thành phần trong câu lệnh [17]........................................50
Bảng 4.11 Một số mã lỗi thông dụng....................................................................55
Bảng 4.12 Các thuộc tính của hệ thống lọc bụi ....................................................58
ii
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Nguyên lý tích và lắng bụi trong thiết bị lọc bụi tĩnh điện [2]................ 4
Hình 1.2 Sự di chuyển của ion từ cực âm đến cực lắng......................................... 5
Hình 1.3 Hệ thống lọc bụi tĩnh điện nhà máy nhiệt điện Hải Phòng [4] ............... 7
Hình 2.1 Các mô hình học máy ............................................................................ 11
Hình 2.2 Ví dụ về phân cụm K-mean [6] ............................................................. 15
Hình 2.3 Ví dụ về bài toán K-nearest neighbor [8] .............................................. 16
Hình 3.1 Ví dụ về bài toán phân lớp sử dụng Decision Tree [9] ......................... 19
Hình 3.2 Đồ thị của hàm entropy với n = 2 [9] .................................................... 22
Hình 3.3 Decision tree cho bài toán dự đoán nồng độ bụi ................................... 24
Hình 3.4 Sơ đồ hoạt động của phương pháp học cộng đồng 1 ............................ 27
Hình 3.5 Sơ đồ hoạt động của phương pháp học cộng đồng 2 ............................ 28
Hình 3.6 Mô tả thuật toán Rừng ngẫu nhiên [12] ................................................ 29
Hình 3.7 Tạo Bootstrap Dataset trong Random Forest ........................................ 30
Hình 3.8 “Cây quyết định” trong “Rừng ngẫu nhiên” ......................................... 30
Hình 3.9 Dataset trong Rừng ngẫu nhiên ............................................................. 30
Hình 4.1 Cấu hình hệ thống lọc bụi kết hợp mô hình học máy ........................... 33
Hình 4.2 Các bước triển khai mô hình máy học .................................................. 33
Hình 4.3 Minh họa quá trình đóng gói dữ liệu [14] ............................................. 35
Hình 4.4 Mô hình OSI 7 lớp [14] ......................................................................... 35
Hình 4.5 Mô hình TCP/IP và các giao thức tiêu biểu [15] .................................. 38
Hình 4.6 Mô hình TCP/IP bốn lớp [15] ............................................................... 38
Hình 4.7 Mô hình phân lớp Modbus [16] ............................................................ 41
Hình 4.8 Cấu trúc khung thông điệp Modbus [16] .............................................. 42
Hình 4.9 Mô tả hệ thống thu thập số liệu từ thiết bị ngoại vi [17]....................... 43
Hình 4.10 Giao thức truyền thông MELSEC với nhiều thiết bị [17] ................... 44
Hình 4.11 Quá trình truyền nhận dữ liệu [17] ...................................................... 44
Hình 4.12 Cấu trúc truyền nhận dữ liệu đối với 4C frame [17] ........................... 45
Hình 4.13 Cấu trúc truyền nhận dữ liệu đối với 3C frame [17] ........................... 46
Hình 4.14 Đọc giá trị từ PLC đối với 3C frame [17] ........................................... 47
iii
Hình 4.15 Đọc giá trị từ PLC đối với 4C frame [17] ............................................47
Hình 4.16 Kết quả trả về đối với 3C frame [17] ...................................................47
Hình 4.17 Kết quả trả về đối với 4C frame [17] ...................................................48
Hình 4.18 Ghi giá trị xuống PLC đối với 3C frame [17]......................................48
Hình 4.19 Ghi giá trị xuống PLC đối với 4C frame [17]......................................49
Hình 4.20 Cấu trúc truyền nhận dữ liệu với truyền thông Ethernet [17] ..............50
Hình 4.21 Đọc giá trị từ PLC qua Ethernet [17] ...................................................50
Hình 4.22 Nhận kết quả từ PLC qua Ethernet [17] ..............................................51
Hình 4.23 Ghi giá trị xuống PLC [17] ..................................................................51
Hình 4.24 Bộ dữ liệu của hệ thống lọc bụi ...........................................................57
Hình 4.25 Dữ liệu sau khi được loại bỏ ................................................................58
Hình 4.26 Mô tả dữ liệu ........................................................................................59
Hình 4.27 Thông tin của các đặc tính trong bộ dữ liệu ........................................59
Hình 4.28 Sự phụ thuộc của nồng độ bụi theo điệp áp các trường .......................60
Hình 4.29 Sự phụ thuộc của nồng độ bụi theo dòng điệp các trường...................60
Hình 4.30 Quá trình huấn luyện với số cây n=500 ...............................................62
Hình 4.31 Kết quả dự đoán của mô hình ..............................................................62
Hình 4.32 Nồng độ bụi thực tế và nồng độ bụi dự đoán.......................................62
iv
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ BỘ LỌC BỤI TĨNH ĐIỆN
1.1 Giới thiệu chung
Khí thải trong công nghiệp là nguồn gây ô nhiễm nghiêm trọng với môi
trường. Một trong những yếu tố gây ô nhiễm của khí thải công nghiệp là bụi và
chính phủ Việt Nam đã ban hành các quy chuẩn về bụi trong trong khí thải công
nghiệp bao gồm “QCVN 19:2009/BTNMT quy chuẩn quốc gia về khí thải công
nghiệp đối với bụi và các chất vô cơ” và “QCVN23:2009/BTMT quy chuẩn quốc
gia về khí thải công nghiệp sản xuất xi măng”.
Ngày nay, các thiết bị lọc bụi làm sạch khí được nghiên cứu thành công như
xiclon, thiết bị lọc túi vải, ống venturi, thiết bị lọc bụi tĩnh điện... Trong các thiết
bị lọc bụi, thiết bị lọc bụi tĩnh điện với những ưu điểm vượt trội được đánh giá
mang lại hiệu suất thu bụi cao, và chi phí hoạt động thấp được ứng dụng rộng rãi
trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau.
Tuy nhiên, bài toán khi vận hành trong thiết bị lọc bụi tĩnh điện có rất nhiều
hiện tượng xảy ra như điện trường giữa các cực, quá trình ion chất khí, phóng điện
vầng quang, tích điện cho các hạt bụi… và ảnh hưởng của các nhân tố khác đến
thiết bị lọc bụi điện như loại điện cực, khoảng cách các cực, đòi hỏi thiết bị lọc bụi
tĩnh điện phải được điều khiển để đạt được hiệu quả làm việc cao nhất.
Để đạt được hiệu suất thu bụi cao, đảm bảo cho thiết bị vận hành an toàn, tin
cậy, việc xem xét và giải quyết các vấn đề trên là hết sức cần thiết. Nhằm ngày
càng nâng cao hiệu suất thiết bị, phát huy những ưu điểm vốn có của thiết bị lọc
bụi tĩnh điện.
1.2 Nguyên nhân tạo thành bụi
Bụi có trong không khí do nhiều nguyên nhân, ở đây ta chỉ đề cập đến nguyên
nhân bụi trong công nghiệp. Bụi được sinh ra trong không khí chủ yếu do quá trình
sản xuất luyện kim, công nghiệp hóa chất, hầm mỏ, nhà máy nhiệt điện…
Nguyên nhân tạo thành bụi là do:
- Các hạt rắn bị nghiền nhỏ
- Khi dùng khí để vận chuyển hạt, các hạt nhỏ bị khí cuốn theo
- Trong quá trình ủ hoặc nung vật liệu bị vỡ vụn.
1
Ở một vài quá trình khi tăng nhiệt độ có thể tạo ra khả năng sinh bụi là do
giảm liên kết giữa các hạt trong vật rắn. Mặt khác, khi ngưng tụ hơi của các quá
trình thăng hoa và các phản ứng hóa học.
1.3 Các phương pháp lọc bụi trong công nghiệp
1.3.1 Lọc bụi theo phương pháp trọng lực
Các hạt bụi đều có khối lượng, dưới tác dụng của trọng lực các hạt có xu hướng
chuyển động từ trên xuống dưới (đáy thiết bị lọc bụi). Tuy nhiên, đối với các hạt
bụi nhỏ ngoài tác dụng của trọng lực còn có lực chuyển động của dòng khí và lực
ma sát môi trường. Như đã biết các lực này phụ thuộc vào nhiều nhân tố, trong đó
có kích thước hạt bụi do vậy sẽ ảnh hưởng đến tốc độ lắng của hạt bụi. Vì vậy, lọc
bụi theo phương pháp trọng lực chỉ áp dụng với hạt bụi có kích thước lớn.
1.3.2 Lọc bụi theo phương pháp ly tâm
Khi dòng chuyển động đổi hướng hay chuyển động theo đường cong, ngoài
trọng lực tác dụng lên hạt bụi còn có lực quán tính, lực này lớn hơn nhiều lần so
với trọng lực. Dưới ảnh của lực quán tính, hạt có xu hướng chuyển động thẳng
nghĩa là các hạt có khả năng tách ra khỏi dòng khí. Hiện tượng này được sử dụng
trong các thiết bị lọc bụi Xiclon, tấm chớp, … Các thiết bị này chỉ có khả năng
tách bụi có kích thước > 10µm nên dùng để lắng hạt bụi có kích thước nhỏ không
hiệu quả.
1.3.3 Lọc bụi theo phương pháp ẩm
Khi hạt bụi tiếp xúc với bề mặt dịch thể (giọt dịch thể) các hạt bụi sẽ bám trên
bề mặt dựa trên nguyên tắc đó có thể tách hạt bụi ra khỏi dòng khí. Sự tiếp xúc với
bề mặt dịch có thể xảy ra, dựa trên nguyên tắc đó có thể tách hạt bụi ra khỏi dòng
khí. Sự tiếp xúc giữa các hạt bụi với bề mặt dịch thể có thể xảy ra nếu trọng lực
tác dụng lên hạt bụi theo hướng đến bề mặt dịch thể. Các lực đó gồm: lực va đập,
trọng lực, lực ly tâm (quán tính).
Thực nghiệm cho thấy, theo phương pháp này chỉ thu hồi các hạt bụi có kích
thước > 3÷5µm. Các hạt bụi nhỏ, đặc biệt hạt bụi tạo thành do quá trình thăng hoa
thì lọc bụi theo phương pháp ẩm sẽ kém hiệu quả do tính chất tự nhiên của các hạt
bụi dễ bị bôi trơn bằng dịch thể. Hiện tượng này là do các hạt bụi nhỏ có trong
dòng khí, khi gặp dịch thể (giọt dịch thể hay bề mặt ẩm) thì chúng không bị thấm
ướt còn chỗ dòng khí bị tiếp xúc với dịch thể các hạt bụi có chuyển động uốn cong
nên khả năng thẩm ướt hạt bụi kém.
2
1.3.4 Lọc bụi theo phương pháp qua túi vải – màng vải
Khí chứa đầy bụi, dẫn qua màng vải, bụi được giữ lại trên đó khi tốc độ khí
không lớn. Lọc bụi bằng màng vải được ứng dụng phổ biển trong luyện kim, hóa
chất xây dựng. Một số trường hợp cần thu hồi bụi không dùng lọc túi vải mà dùng
giấy carton, bông, lớp vật liệu xốp hoặc các vật liệu dạng cục (cát, đá cuội, hạt
cốc). Một số vật liệu trong đó như giấy, bông được áp dụng trong phòng thí
nghiệm.
1.3.5 Lọc bụi tĩnh điện
Thiết bị có cấu tạo gồm một dây kim loại nhẵn, có tiết diện nhỏ, được căng
theo trục của ống kim loại nhờ có đối trọng. Dây kim loại được nạp dòng điện một
chiều có điện thế cao khoảng 50-100kV, còn gọi là cực âm hay cực ion hóa của
thiết bị. Cực dương là ống kim loại được bao quanh cực âm và nối đất hay còn gọi
là cực lắng. Khi cấp điện thế cao vào cực âm thì tạo ra một điện trường mạnh bên
trong ống cực dương và khi dòng khí mang bụi đi qua các phân tử khí sẽ bị ion
hóa và truyền điện tích âm cho các hạt bụi do tác dụng va chạm hoặc khếch tán
ion. Các hạt bụi bị nhiễm điện âm sẽ di chuyển về cực dương (cực lắng) và đọng
lại trên bề mặt bên trong của ống hình trụ, mất điện tích và rơi xuống phễu thu bụi.
Ngoài ra còn có thiết bị lọc bụi tĩnh điện kiểu tấm, là loại thiết bị mà cực dương
là các tấm dạng bảng được đặt song song hai bên các cực âm [1].
Phương pháp này có thể đạt hiệu quả lọc lên đến 99,5%. Thiết bị lọc bụi kiểu
tĩnh điện rất hiệu quả đối với các loại bụi kích cỡ từ 0,5 đến 8µm. Khi các hạt bụi
có kích cỡ khoảng 10µm và lớn hơn thì hiệu quả giảm. Có thể làm việc trong môi
trường có nhiệt độ cao lên đến 500ºC, làm việc trong phạm vi áp suất cao hoặc áp
suất chân không và có khả năng tách bụi có độ ẩm cao, cả dạng lỏng hoặc rắn.
1.4 Nguyên lý làm việc của bộ lọc bụi tĩnh điện
Như đã tìm hiểu ở trên, trong các phương pháp lọc bụi thì phương pháp lọc
bụi tĩnh điện phù hợp với các nhà máy ở Việt Nam như nhà máy sản xuất xi măng,
nhà máy nhiệt điện, ... và đạt hiệu quả tối đa cho việc phòng chống ô nhiễm không
khí đảm bảo sức khỏe của người dân ở xung quanh khu công nghiệp khi đạt hiệu
quả lọc bụi lên đến 99%. Chính vì vậy, phương pháp lọc bụi tĩnh điện sẽ được tác
giả lựa chọn để nghiên cứu.
3
Hình 1.1 Nguyên lý tích và lắng bụi trong thiết bị lọc bụi tĩnh điện [2]
Hình 1.1 trình bày nguyên lý tích và lắng bụi trong thiết bị lọc bụi tĩnh điện.
Khí thải cần lọc bụi được thổi qua hệ thống hai điện cực: điện cực nối đất được
gọi là điện cực lắng vì bụi được lắng chủ yếu trên điện cực này, điện cực thứ hai
gọi là điện cực quầng sáng (điện cực phóng), điện cực này được cung cấp dòng
điện một chiều có điện thế cao, do điện thế cao nên cường độ điện trường xung
quanh có giá trị lớn và gây ra hiện tượng va đập ion mãnh liệt biểu hiện là nhìn
thấy một quầng sáng bao phủ xung quanh điện cực này. Tại điện cực phóng, quầng
sáng không lan rộng ra toàn bộ không gian giữa hai điện cực mà yếu đi và tắt dần
theo phương tới điện cực lắng, điện trường giữa hai điện cực là điện trường không
đều, các ion được tạo ra chủ yếu trong vùng quầng sáng [3].
Dưới tác dụng của lực điện trường các ion sẽ dịch chuyển dịch về phía điện
cực trái dấu của chúng, ion dương chuyển dịch về phía cực âm (cực quầng sáng),
các ion âm dịch chuyền về phía cực dương (cực lắng) sự dịch chuyển dòng khí tạo
ra dòng điện thể hiện qua hình 1.2. Dòng điện này gọi là dòng điện quầng sáng,
khi thổi khí thải có chứa bụi bẩn qua không gian giữa hai điện cực thì các ion sẽ
bám dính lên bề mặt của các hạt bụi và các hạt bụi đã tích điện sẽ chuyển dịch tới
các điện cực trái dấu với điện tích chúng tích được, khi tới các điện cực các hạt
bụi được lắng lại trên bề mặt điện cực. Lượng bụi được lắng chủ yếu trên bề mặt
các điện cực lắng. Trên bề mặt các điện cực quầng sáng cũng có lắng bụi lại nhưng
lượng bụi này nhỏ không đáng kể so với lượng bụi lắng trên điện cực lắng. Tùy
theo mức độ tích tụ bụi trên bề mặt điện cực, hệ thống rung lắc sẽ rung lắc định kỳ
các điện cực hoặc xối nước rửa điện cực và lấy bụi [3].
4
Corona plasma region Unipolar ion region
(aro)
Negative ion Negative ion
Gas molecule
Discharge electrode
e Att. -
-
-
-
e
a e Att.
e e Ion
New electron - - -
+
e e -
-
+
-
e
Secondary electron +
Positive ion
Ionization boundary Plasma boundary Grounded electrode
E/N = 120 Td E/N = 80 Td
Hình 1.2 Sự di chuyển của ion từ cực âm đến cực lắng
Ngoài ra, trên thực tế thiết bị lọc bụi tĩnh điện khi hoạt động thường xảy ra
quá trình phóng điện khi điện trường vượt ngưỡng nhất định, hoặc sự tích tụ quá
lớn các hạt bụi bám trên điện cực lắng. Ngưỡng giới hạn này của thiết bị lọc bụi
tĩnh điện phụ thuộc rất nhiều yếu tố bên ngoài mà các yếu tố đó cũng liên quan
trực tiếp đến hiệu suất của thiết bị lọc bụi tĩnh điện.
1.5 Lựa chọn loại điện áp các cực trong lọc bụi tĩnh điện
Để tạo thành hiện tượng phóng ion hay được gọi là sự “tạo thành corona” có
thể sử dụng:
- Corona âm
- Corona dương
Tuy nhiên, đối với các thiết bị lọc bụi tĩnh điện trong công nghiệp thường sử
dụng corona âm vì các lý do:
- Hầu hết là các khí trong công nghiệp mang electron âm trong tự nhiên, như
là các khí như SO2, CO2, O2, H2O, … chúng thường tạo nên thành phần khí thải
(khói lò) công nghiệp có khả năng hấp thụ (hút) electron tự do tốt nhất.
- Quầng sáng âm: các ion âm có độ linh động hơn so với độ linh động của
các ion dương
(Độ linh động của ion là tốc độ mà ion có được trong điện trường khi cường
cm / s
độ bằng một đơn vị nghĩa là )
v / cm
5
- Ngưỡng phát tia lửa điện trong corona âm cao hơn corona dương, do vậy
đạt điện trường cao hơn.
- Điện áp phát sinh corona khi mũi nhọn có cực tính dương cao hơn khi mũi
nhọn có cực tính âm.
Điện áp DC thay cho AC trong thiết bị lọc bụi tĩnh điện, vì điện áp AC làm
cho các phân tử tích điện bị dao động, ngược lại điện áp DC sinh một lực cố định
về phía cực nối đất.
1.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của thiết bị lọc bụi tĩnh điện
Những yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng đầu ra của thiết bị lọc bụi tĩnh điện
[4]:
- Điện áp và dòng điện cấp cho hệ thống lọc bụi tĩnh điện;
- Tốc độ dòng khói đi qua các trường của hệ thống lọc bụi tĩnh điện;
- Nồng độ, kích thước tro, bụi trong khói;
- Nhiệt độ khói vào hệ thống lọc bụi tĩnh điện;
- Độ ẩm của khói vào hệ thống lọc bụi tĩnh điện;
- Mức tro trong các phễu tro của hệ thống lọc bụi tĩnh điện.
Các yếu tố ảnh hưởng này dẫn tới ngưỡng cường độ điện trường (hay điện áp
giữa các bản cực lọc bụi) gây ra hiện tượng phóng điện thay đổi và nhiệm vụ điều
khiển đối với điện áp các cực lọc bụi tĩnh điện là duy trì điện áp này ở mức cao
nhất có thể mà không xảy ra phóng tia lửa điện trong buồng lọc bụi tĩnh điện [4].
1.7 Hệ thống lọc bụi tĩnh điện nhà máy nhiệt điện Hải Phòng
1.7.1 Mô tả chung
Hệ thống lọc bụi tĩnh điện (ESP) có nhiệm vụ:
- Tách tro bay khỏi sản phẩm cháy để bảo vệ môi trường
- Tránh mài mòn cánh các quạt khói
- Giảm nhẹ điều kiện làm việc của hệ thống khử lưu huỳnh trong khói (FGD)
6
Hình 1.3 Hệ thống lọc bụi tĩnh điện nhà máy nhiệt điện Hải Phòng [4]
Hệ thống lọc bụi tĩnh điện sử dụng loại 2LZC312-4 hãng Luzhou do Trung
Quốc sản xuất [4]. Mỗi tổ máy có 2 nhánh lọc bụi (Nhánh A, Nhánh B), có cấu
trúc tương tự nhau. Mỗi nhánh gồm 8 trường và được tổ hợp trong các khoang
riêng rẽ. Cụ thể như sau:
Bảng 1.1 Các nhánh của hệ thống lọc bụi tĩnh điện [4]
HT ESP1 HT ESP2 HT ESP3 HT ESP4
D11, D12, D13, D14 D51, D52, D53, D54 Tương tự Tương tự
Nhánh A
D21, D22, D23, D24 D61, D62, D63, D64 ESP1 ESP2
D31, D32, D33, D34 D71, D72, D73, D74 Tương tự Tương tự
Nhánh B
D41, D42, D43, D44 D81, D82, D83, D84 ESP1 ESP2
Theo chiều của dòng khói, 16 trường lọc bụi chia thành các nhóm trường sau:
Bảng 1.2 Các nhóm trường của hệ thống lọc bụi tĩnh điện [4]
HT ESP1 HT ESP2 HT ESP3 HT ESP4
Nhóm Tương tự Tương tự
D11, D21, D31, D41 D51, D61, D71, D81
trường 1 ESP1 ESP2
Nhánh Tương tự Tương tự
D12, D22, D32, D42 D52, D62, D72, D82
trường 2 ESP1 ESP2
Nhóm Tương tự Tương tự
D13, D23, D33, D43 D53, D63, D73, D83
trường 3 ESP1 ESP2
Nhóm Tương tự Tương tự
D14, D24, D34, D44 D54, D64, D74, D84
trường 4 ESP1 ESP2
7
Mỗi nhánh được lắp sau bộ sấy không khí kiểu quay, sản phẩm cháy sau khi
được tách tro, bụi được đưa tới đầu hút của quạt khói [4]. Các cực phóng và cực
lắng đặt cách nhau và song song với nhau theo chiều đi của khói thải. Cực phóng
nối với cực âm, có cấu trúc treo được cấu tạo là các khung có lắp các dây gai hoặc
trơn. Cực lắng nối với cực dương, được làm dưới dạng tấm có cấu trúc kiểu treo
đảm bảo khoảng cách giữa các tấm cực nằm trong phạm vi cho phép [4]. Với mỗi
trường, các cực phóng và cực lắng được bố trí xen kẽ nhau.
Tại đầu vào của mỗi bộ lọc bụi có tấm đục lỗ làm bằng thép để phân dòng khói
vào các trường lọc bụi cho đều. Trên mỗi trường có các hệ thống rung, hệ thống
gõ tương ứng số trường. Cực phóng cách điện với vỏ bằng sứ cách điện, sứ cách
điện có thiết bị gia nhiệt. Dưới trường lọc bụi có các phễu tro sử dụng để gom tro
bay tách ra từ khói thải. Các phễu tro có bộ gia nhiệt bằng hơi và các vòi sục khí
nóng để tránh tắc và giúp cho việc thải tro dễ dàng [4].
Khi tro bay đi qua các điện cực, các hạt tro được tích điện âm bị hút về phía
cực lắng, một số ít hạt bám vào cực phóng do nhiễm điện tích dương. Tro bám trên
các bản cực được các búa gõ định kỳ rơi xuống phễu tro và được hút về các Silô
tro.
1.7.2 Thông số kỹ thuật
a) Thông số chung
Bảng 1.3 Thông số kỹ thuật của bộ lọc bụi [4]
STT Thông số Đơn vị Đặc tính kỹ thuật
1 Kiểu lọc bụi - 2LZC312-4 - Luzhou (China)
2 Công suất tổ máy MW 300
3 Số lượng phễu thu tro Phễu 16
4 Số trường lọc bụi Trường 16 (8 trường/nhánh)
5 Năng suất thu bụi t/h 996
6 Lưu lượng khói lớn nhất m³/h 2×743430
7 Vận tốc khói m/s 0,68
8 Nhiệt độ khói t0 121
Thời gian khói lưu lại
9 s 20,6
trong 4 trường
Khoảng cách giữa cực lắng
10 cm 20
và cực phóng
11 Nguồn cấp điện áp A/kV 1,2/72
8
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Thiết kế hệ thống chẩn đoán lỗi và cảnh
báo tự động để nâng cao chất lượng vận
hành hệ thống lọc bụi tĩnh điện
NGUYỄN VĂN TỚI
Ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Giảng viên hướng dẫn: TS. Phạm Quang Đăng
Trường: Điện – Điện tử
HÀ NỘI, 2022
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Thiết kế hệ thống chẩn đoán lỗi và cảnh
báo tự động để nâng cao chất lượng vận
hành hệ thống lọc bụi tĩnh điện
NGUYỄN VĂN TỚI
Ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Giảng viên hướng dẫn: TS. Phạm Quang Đăng
Chữ ký của GVHD
Trường: Điện – Điện tử
HÀ NỘI, 2022
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Nguyễn Văn Tới
Đề tài luận văn: Thiết kế hệ thống chẩn đoán lỗi và cảnh báo tự động
để nâng cao chất lượng vận hành hệ thống lọc bụi tĩnh điện
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số SV: 20202788M
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác
nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày
31/10/2022 với các nội dung sau:
- Tác giả cần rà soát lại các lỗi chính tả và sửa chữa, chỉnh sửa lại cách
sử dụng các thuật ngữ khoa học cho chính xác và nhất quán.
- Các ví dụ minh họa khi trình bày về các thuật toán học máy nhất là hai
thuật toán được sử dụng trong luận văn cần gắn với đối tượng là hệ
thống lọc bụi.
- Cần bổ sung bảng các lỗi thường gặp trong hệ thống và phân tích mối
liên hệ giữa các lỗi đó với các thông số cần thu thập, kỹ thuật chẩn đoán
lỗi, và liên quan gì đến phần dự báo.
Ngày tháng năm 2022
Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
LỜI CẢM ƠN
Qua đây, tác giả xin gửi lời cảm ơn đến TS. Phạm Quang Đăng, người
hướng dẫn tác giả hoàn thành luận văn thạc sĩ. Xin cảm ơn các kỹ sư vận hành tại
nhà máy nhiệt điện Hải Phòng đã cung cấp cho tác giả bộ dữ liệu về hoạt động
của bộ lọc bụi tĩnh điện của nhà máy.
Lời cuối cùng, xin cảm ơn toàn thể các thầy cô tham gia giảng dạy khóa cao
học 20202 cũng như các thầy cô trong bộ môn Tự động hoá công nghiệp, các cán
bộ trong viện Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Trường Đại học Bách khoa Hà
Nội đã giúp tác giả tích lũy được nhiều kiến thức quý báu, phục vụ cho công tác
nghiên cứu hiện tại và sau này trong lĩnh vực Điều khiển và Tự động hóa.
Xin chân thành cảm ơn!
Tác giả
Nguyễn Văn Tới
Tóm tắt nội dung luận văn
Đề tài: “Thiết kế hệ thống chẩn đoán lỗi và cảnh báo tự động để nâng cao chất
lượng vận hành hệ thống lọc bụi tĩnh điện” có mục tiêu là xây dựng được mô hình
có khả năng học từ các dữ liệu đã thu thập, từ đó đưa ra kết quả dự đoán của những
đối tượng muốn theo dõi để hỗ trợ người vận hành trong quá trình vận hành hệ
thống.
a) Nội dung luận văn giải quyết các vấn đề sau:
Phân tích vấn đề xảy ra đối với hệ thống lọc bụi tĩnh điện của nhà máy nhiệt
điện. Giới thiệu kỹ thuật máy học máy và thuật toán sử dụng trong luận văn.
Trực quan hóa dữ liệu để đánh giá những mối tương quan của từng đặc tính
xét đến, thực hiện huấn luyện mô hình học máy để đưa ra dự đoán hiệu quả lọc bụi
đầu ra dựa trên dữ liệu đã thu thập từ nhà máy. Đánh giá mô hình và khả năng ứng
dụng vào thực tiễn.
b) Phương pháp nghiên cứu và công cụ sử dụng
Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp phương pháp phân tích lý thuyết và mô phỏng
dựa trên dữ liệu thực tế. Chương trình mô phỏng được phát triển trên nền tảng mã
nguồn mở Anaconda Navigator trong môi trường tích hợp Jupyter Notebook.
c) Kết quả
Luận văn phù hợp với yêu cầu đặt ra, có tính khoa học và ứng dụng thực tiễn
đối với tình hình nghiên cứu trong nước. Hướng mở rộng của luận văn là giải
quyết, hoàn thiện một hệ thống thân thiện với người dùng và đa dụng hơn cho
nhiều hệ thống.
Học Viên
Nguyễn Văn Tới
MỤC LỤC
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ BỘ LỌC BỤI TĨNH ĐIỆN ...............................1
1.1 Giới thiệu chung............................................................................................1
1.2 Nguyên nhân tạo thành bụi ...........................................................................1
1.3 Các phương pháp lọc bụi trong công nghiệp ................................................2
1.3.1 Lọc bụi theo phương pháp trọng lực ......................................................2
1.3.2 Lọc bụi theo phương pháp ly tâm ..........................................................2
1.3.3 Lọc bụi theo phương pháp ẩm ...............................................................2
1.3.4 Lọc bụi theo phương pháp qua túi vải – màng vải ................................3
1.3.5 Lọc bụi tĩnh điện ....................................................................................3
1.4 Nguyên lý làm việc của bộ lọc bụi tĩnh điện ................................................3
1.5 Lựa chọn loại điện áp các cực trong lọc bụi tĩnh điện ..................................5
1.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của thiết bị lọc bụi tĩnh điện ...............6
1.7 Hệ thống lọc bụi tĩnh điện nhà máy nhiệt điện Hải Phòng ...........................6
1.7.1 Mô tả chung ...........................................................................................6
1.7.2 Thông số kỹ thuật...................................................................................8
1.7.3 Một số lỗi trường lọc bụi .......................................................................9
Chương 2. TỔNG QUAN VỀ HỌC MÁY ........................................................11
2.1 Giới thiệu về học máy .................................................................................11
2.2 Phân loại các phương pháp học máy ..........................................................11
2.2.1 Học có giám sát (Supervised Learning) ...............................................12
2.2.2 Học không giám sát (Unsupervised Learning) ....................................12
2.2.3 Học bán giám sát (Semi-Supervised Learning) ...................................13
2.2.4 Học tăng cường (Reinforcement Learning) .........................................13
2.2.5 Học sâu (Deep Learning) .....................................................................14
2.3 Một số thuật toán học máy thông dụng.......................................................15
2.3.1 Phân cụm K-means (K-means Clustering) ..........................................15
2.3.2 KNN (K-nearest neighbor) ..................................................................16
2.3.3 Cây quyết định (Decision Tree) ...........................................................17
Chương 3. THUẬT TOÁN CÂY QUYẾT ĐỊNH VÀ RỪNG NGẪU NHIÊN
.............................................................................................................................. 19
3.1 Decision Tree (Cây quyết định) ................................................................. 19
3.1.1 Iterative Dichotomiser 3 (ID3) ............................................................ 20
3.1.2 Thuật toán ID3 .................................................................................... 22
3.1.3 Ví dụ .................................................................................................... 23
3.1.4 Điều kiện dừng .................................................................................... 24
3.1.5 Pruning ................................................................................................ 25
3.2 Random Forest (Rừng ngẫu nhiên) ............................................................ 26
3.2.1 Giới thiệu về phương pháp Ensemble Learning (Học cộng đồng) ..... 27
3.2.2 Xây dựng thuật toán Random Forest .................................................. 29
3.2.3 Đánh giá thuật toán Random Forest .................................................... 31
Chương 4. MÔ HÌNH HỆ THỐNG VÀ CHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM
.............................................................................................................................. 33
4.1 Thu thập số liệu từ PLC ............................................................................. 34
4.1.1 Giao thức truyền thông (Communiction) ............................................ 34
4.1.2 Thu thập số liệu từ PLC ...................................................................... 43
4.2 Môi trường và ngôn ngữ lập trình .............................................................. 51
4.3 Xây dựng chương trình .............................................................................. 55
4.3.1. Một số mã lỗi thông dụng .................................................................. 55
4.3.2. Cấu trúc chương trình ........................................................................ 57
KẾT LUẬN ......................................................................................................... 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 67
PHỤ LỤC ............................................................................................................ 69
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu Tiếng Anh Dịch nghĩa
ESP Electrostatic Precipitator Bộ lọc bụi tĩnh điện
SCADA Supervisory Control And Data Hệ thống điều khiển giám sát và
Acquisition thu thập dữ liệu
OSI Mô hình tham chiếu kết nối các
Open Systems Interconnection
hệ thống mở
TCP/IP Transmission Control Protocol/ Giao thức điều khiển để truyền
Internet Protocol nhận liên mạng
AI Artificial Intelligence Trí tuệ nhân tạo
DT Decision Tree Cây quyết định
ID3 Iterative Dichotomiser 3
KNN K-nearest neighbor K láng giềng gần nhất
SVM Support Vector Machine Máy véc-tơ hỗ trợ
CNN Convolutional Neural Networks Mạng neuron tích chập
DBN Deep Belief Network Mạng niềm tin sâu
RNN Recurrent Neural Network Mạng nơ ron tái phát
LSTM Long Short Term Memory Mạng bộ nhớ dài ngắn hạn
i
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Các nhánh của hệ thống lọc bụi tĩnh điện [4] ..........................................7
Bảng 1.2 Các nhóm trường của hệ thống lọc bụi tĩnh điện [4]...............................7
Bảng 1.3 Thông số kỹ thuật của bộ lọc bụi [4] .......................................................8
Bảng 1.4 Thông số khí thải cho phép [4] ................................................................9
Bảng 1.5 Lỗi trường lọc bụi và cách xử lý [4] ........................................................9
Bảng 3.1 Ví dụ về dữ liệu huấn luyện cây quyết định ..........................................24
Bảng 3.2 Tập dữ liệu Dataset D ............................................................................28
Bảng 3.3 Tập dữ liệu Dataset trong học cộng đồng..............................................28
Bảng 3.4 Ví dụ chẩn đoán của Rừng ngẫu nhiên..................................................31
Bảng 3.5 Sự tương đồng giữa Random Forest và ý tưởng Wisdom of Crowds [13]
...............................................................................................................................32
Bảng 4.1 Bảng tóm tắt các giao thức của một số nhà sản xuất .............................34
Bảng 4.2 Bảng tóm tắt các chức năng được thực hiện trong mỗi lớp của OSI [14]
...............................................................................................................................36
Bảng 4.3 Bảng tóm tắt các giao thức thông dụng ứng với từng lớp trong OSI [14]
...............................................................................................................................37
Bảng 4.4 Bảng tóm tắt các chức năng của các lớp trong TCP/IP [15] .................39
Bảng 4.5 Bảng tóm tắt một số giao thức tương ứng từng lớp [15] .......................39
Bảng 4.6 Mã chức năng và các loại dữ liệu được hổ trợ bởi Modbus [16] ..........43
Bảng 4.7 Các loại tin nhắn của truyền thông Serial [17] ......................................45
Bảng 4.8 Ý nghĩa các thành phần trong câu lệnh [17]..........................................46
Bảng 4.9 Các loại tin nhắn của truyền thông Ethernet [17] ..................................49
Bảng 4.10 Ý nghĩa các thành phần trong câu lệnh [17]........................................50
Bảng 4.11 Một số mã lỗi thông dụng....................................................................55
Bảng 4.12 Các thuộc tính của hệ thống lọc bụi ....................................................58
ii
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Nguyên lý tích và lắng bụi trong thiết bị lọc bụi tĩnh điện [2]................ 4
Hình 1.2 Sự di chuyển của ion từ cực âm đến cực lắng......................................... 5
Hình 1.3 Hệ thống lọc bụi tĩnh điện nhà máy nhiệt điện Hải Phòng [4] ............... 7
Hình 2.1 Các mô hình học máy ............................................................................ 11
Hình 2.2 Ví dụ về phân cụm K-mean [6] ............................................................. 15
Hình 2.3 Ví dụ về bài toán K-nearest neighbor [8] .............................................. 16
Hình 3.1 Ví dụ về bài toán phân lớp sử dụng Decision Tree [9] ......................... 19
Hình 3.2 Đồ thị của hàm entropy với n = 2 [9] .................................................... 22
Hình 3.3 Decision tree cho bài toán dự đoán nồng độ bụi ................................... 24
Hình 3.4 Sơ đồ hoạt động của phương pháp học cộng đồng 1 ............................ 27
Hình 3.5 Sơ đồ hoạt động của phương pháp học cộng đồng 2 ............................ 28
Hình 3.6 Mô tả thuật toán Rừng ngẫu nhiên [12] ................................................ 29
Hình 3.7 Tạo Bootstrap Dataset trong Random Forest ........................................ 30
Hình 3.8 “Cây quyết định” trong “Rừng ngẫu nhiên” ......................................... 30
Hình 3.9 Dataset trong Rừng ngẫu nhiên ............................................................. 30
Hình 4.1 Cấu hình hệ thống lọc bụi kết hợp mô hình học máy ........................... 33
Hình 4.2 Các bước triển khai mô hình máy học .................................................. 33
Hình 4.3 Minh họa quá trình đóng gói dữ liệu [14] ............................................. 35
Hình 4.4 Mô hình OSI 7 lớp [14] ......................................................................... 35
Hình 4.5 Mô hình TCP/IP và các giao thức tiêu biểu [15] .................................. 38
Hình 4.6 Mô hình TCP/IP bốn lớp [15] ............................................................... 38
Hình 4.7 Mô hình phân lớp Modbus [16] ............................................................ 41
Hình 4.8 Cấu trúc khung thông điệp Modbus [16] .............................................. 42
Hình 4.9 Mô tả hệ thống thu thập số liệu từ thiết bị ngoại vi [17]....................... 43
Hình 4.10 Giao thức truyền thông MELSEC với nhiều thiết bị [17] ................... 44
Hình 4.11 Quá trình truyền nhận dữ liệu [17] ...................................................... 44
Hình 4.12 Cấu trúc truyền nhận dữ liệu đối với 4C frame [17] ........................... 45
Hình 4.13 Cấu trúc truyền nhận dữ liệu đối với 3C frame [17] ........................... 46
Hình 4.14 Đọc giá trị từ PLC đối với 3C frame [17] ........................................... 47
iii
Hình 4.15 Đọc giá trị từ PLC đối với 4C frame [17] ............................................47
Hình 4.16 Kết quả trả về đối với 3C frame [17] ...................................................47
Hình 4.17 Kết quả trả về đối với 4C frame [17] ...................................................48
Hình 4.18 Ghi giá trị xuống PLC đối với 3C frame [17]......................................48
Hình 4.19 Ghi giá trị xuống PLC đối với 4C frame [17]......................................49
Hình 4.20 Cấu trúc truyền nhận dữ liệu với truyền thông Ethernet [17] ..............50
Hình 4.21 Đọc giá trị từ PLC qua Ethernet [17] ...................................................50
Hình 4.22 Nhận kết quả từ PLC qua Ethernet [17] ..............................................51
Hình 4.23 Ghi giá trị xuống PLC [17] ..................................................................51
Hình 4.24 Bộ dữ liệu của hệ thống lọc bụi ...........................................................57
Hình 4.25 Dữ liệu sau khi được loại bỏ ................................................................58
Hình 4.26 Mô tả dữ liệu ........................................................................................59
Hình 4.27 Thông tin của các đặc tính trong bộ dữ liệu ........................................59
Hình 4.28 Sự phụ thuộc của nồng độ bụi theo điệp áp các trường .......................60
Hình 4.29 Sự phụ thuộc của nồng độ bụi theo dòng điệp các trường...................60
Hình 4.30 Quá trình huấn luyện với số cây n=500 ...............................................62
Hình 4.31 Kết quả dự đoán của mô hình ..............................................................62
Hình 4.32 Nồng độ bụi thực tế và nồng độ bụi dự đoán.......................................62
iv
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ BỘ LỌC BỤI TĨNH ĐIỆN
1.1 Giới thiệu chung
Khí thải trong công nghiệp là nguồn gây ô nhiễm nghiêm trọng với môi
trường. Một trong những yếu tố gây ô nhiễm của khí thải công nghiệp là bụi và
chính phủ Việt Nam đã ban hành các quy chuẩn về bụi trong trong khí thải công
nghiệp bao gồm “QCVN 19:2009/BTNMT quy chuẩn quốc gia về khí thải công
nghiệp đối với bụi và các chất vô cơ” và “QCVN23:2009/BTMT quy chuẩn quốc
gia về khí thải công nghiệp sản xuất xi măng”.
Ngày nay, các thiết bị lọc bụi làm sạch khí được nghiên cứu thành công như
xiclon, thiết bị lọc túi vải, ống venturi, thiết bị lọc bụi tĩnh điện... Trong các thiết
bị lọc bụi, thiết bị lọc bụi tĩnh điện với những ưu điểm vượt trội được đánh giá
mang lại hiệu suất thu bụi cao, và chi phí hoạt động thấp được ứng dụng rộng rãi
trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau.
Tuy nhiên, bài toán khi vận hành trong thiết bị lọc bụi tĩnh điện có rất nhiều
hiện tượng xảy ra như điện trường giữa các cực, quá trình ion chất khí, phóng điện
vầng quang, tích điện cho các hạt bụi… và ảnh hưởng của các nhân tố khác đến
thiết bị lọc bụi điện như loại điện cực, khoảng cách các cực, đòi hỏi thiết bị lọc bụi
tĩnh điện phải được điều khiển để đạt được hiệu quả làm việc cao nhất.
Để đạt được hiệu suất thu bụi cao, đảm bảo cho thiết bị vận hành an toàn, tin
cậy, việc xem xét và giải quyết các vấn đề trên là hết sức cần thiết. Nhằm ngày
càng nâng cao hiệu suất thiết bị, phát huy những ưu điểm vốn có của thiết bị lọc
bụi tĩnh điện.
1.2 Nguyên nhân tạo thành bụi
Bụi có trong không khí do nhiều nguyên nhân, ở đây ta chỉ đề cập đến nguyên
nhân bụi trong công nghiệp. Bụi được sinh ra trong không khí chủ yếu do quá trình
sản xuất luyện kim, công nghiệp hóa chất, hầm mỏ, nhà máy nhiệt điện…
Nguyên nhân tạo thành bụi là do:
- Các hạt rắn bị nghiền nhỏ
- Khi dùng khí để vận chuyển hạt, các hạt nhỏ bị khí cuốn theo
- Trong quá trình ủ hoặc nung vật liệu bị vỡ vụn.
1
Ở một vài quá trình khi tăng nhiệt độ có thể tạo ra khả năng sinh bụi là do
giảm liên kết giữa các hạt trong vật rắn. Mặt khác, khi ngưng tụ hơi của các quá
trình thăng hoa và các phản ứng hóa học.
1.3 Các phương pháp lọc bụi trong công nghiệp
1.3.1 Lọc bụi theo phương pháp trọng lực
Các hạt bụi đều có khối lượng, dưới tác dụng của trọng lực các hạt có xu hướng
chuyển động từ trên xuống dưới (đáy thiết bị lọc bụi). Tuy nhiên, đối với các hạt
bụi nhỏ ngoài tác dụng của trọng lực còn có lực chuyển động của dòng khí và lực
ma sát môi trường. Như đã biết các lực này phụ thuộc vào nhiều nhân tố, trong đó
có kích thước hạt bụi do vậy sẽ ảnh hưởng đến tốc độ lắng của hạt bụi. Vì vậy, lọc
bụi theo phương pháp trọng lực chỉ áp dụng với hạt bụi có kích thước lớn.
1.3.2 Lọc bụi theo phương pháp ly tâm
Khi dòng chuyển động đổi hướng hay chuyển động theo đường cong, ngoài
trọng lực tác dụng lên hạt bụi còn có lực quán tính, lực này lớn hơn nhiều lần so
với trọng lực. Dưới ảnh của lực quán tính, hạt có xu hướng chuyển động thẳng
nghĩa là các hạt có khả năng tách ra khỏi dòng khí. Hiện tượng này được sử dụng
trong các thiết bị lọc bụi Xiclon, tấm chớp, … Các thiết bị này chỉ có khả năng
tách bụi có kích thước > 10µm nên dùng để lắng hạt bụi có kích thước nhỏ không
hiệu quả.
1.3.3 Lọc bụi theo phương pháp ẩm
Khi hạt bụi tiếp xúc với bề mặt dịch thể (giọt dịch thể) các hạt bụi sẽ bám trên
bề mặt dựa trên nguyên tắc đó có thể tách hạt bụi ra khỏi dòng khí. Sự tiếp xúc với
bề mặt dịch có thể xảy ra, dựa trên nguyên tắc đó có thể tách hạt bụi ra khỏi dòng
khí. Sự tiếp xúc giữa các hạt bụi với bề mặt dịch thể có thể xảy ra nếu trọng lực
tác dụng lên hạt bụi theo hướng đến bề mặt dịch thể. Các lực đó gồm: lực va đập,
trọng lực, lực ly tâm (quán tính).
Thực nghiệm cho thấy, theo phương pháp này chỉ thu hồi các hạt bụi có kích
thước > 3÷5µm. Các hạt bụi nhỏ, đặc biệt hạt bụi tạo thành do quá trình thăng hoa
thì lọc bụi theo phương pháp ẩm sẽ kém hiệu quả do tính chất tự nhiên của các hạt
bụi dễ bị bôi trơn bằng dịch thể. Hiện tượng này là do các hạt bụi nhỏ có trong
dòng khí, khi gặp dịch thể (giọt dịch thể hay bề mặt ẩm) thì chúng không bị thấm
ướt còn chỗ dòng khí bị tiếp xúc với dịch thể các hạt bụi có chuyển động uốn cong
nên khả năng thẩm ướt hạt bụi kém.
2
1.3.4 Lọc bụi theo phương pháp qua túi vải – màng vải
Khí chứa đầy bụi, dẫn qua màng vải, bụi được giữ lại trên đó khi tốc độ khí
không lớn. Lọc bụi bằng màng vải được ứng dụng phổ biển trong luyện kim, hóa
chất xây dựng. Một số trường hợp cần thu hồi bụi không dùng lọc túi vải mà dùng
giấy carton, bông, lớp vật liệu xốp hoặc các vật liệu dạng cục (cát, đá cuội, hạt
cốc). Một số vật liệu trong đó như giấy, bông được áp dụng trong phòng thí
nghiệm.
1.3.5 Lọc bụi tĩnh điện
Thiết bị có cấu tạo gồm một dây kim loại nhẵn, có tiết diện nhỏ, được căng
theo trục của ống kim loại nhờ có đối trọng. Dây kim loại được nạp dòng điện một
chiều có điện thế cao khoảng 50-100kV, còn gọi là cực âm hay cực ion hóa của
thiết bị. Cực dương là ống kim loại được bao quanh cực âm và nối đất hay còn gọi
là cực lắng. Khi cấp điện thế cao vào cực âm thì tạo ra một điện trường mạnh bên
trong ống cực dương và khi dòng khí mang bụi đi qua các phân tử khí sẽ bị ion
hóa và truyền điện tích âm cho các hạt bụi do tác dụng va chạm hoặc khếch tán
ion. Các hạt bụi bị nhiễm điện âm sẽ di chuyển về cực dương (cực lắng) và đọng
lại trên bề mặt bên trong của ống hình trụ, mất điện tích và rơi xuống phễu thu bụi.
Ngoài ra còn có thiết bị lọc bụi tĩnh điện kiểu tấm, là loại thiết bị mà cực dương
là các tấm dạng bảng được đặt song song hai bên các cực âm [1].
Phương pháp này có thể đạt hiệu quả lọc lên đến 99,5%. Thiết bị lọc bụi kiểu
tĩnh điện rất hiệu quả đối với các loại bụi kích cỡ từ 0,5 đến 8µm. Khi các hạt bụi
có kích cỡ khoảng 10µm và lớn hơn thì hiệu quả giảm. Có thể làm việc trong môi
trường có nhiệt độ cao lên đến 500ºC, làm việc trong phạm vi áp suất cao hoặc áp
suất chân không và có khả năng tách bụi có độ ẩm cao, cả dạng lỏng hoặc rắn.
1.4 Nguyên lý làm việc của bộ lọc bụi tĩnh điện
Như đã tìm hiểu ở trên, trong các phương pháp lọc bụi thì phương pháp lọc
bụi tĩnh điện phù hợp với các nhà máy ở Việt Nam như nhà máy sản xuất xi măng,
nhà máy nhiệt điện, ... và đạt hiệu quả tối đa cho việc phòng chống ô nhiễm không
khí đảm bảo sức khỏe của người dân ở xung quanh khu công nghiệp khi đạt hiệu
quả lọc bụi lên đến 99%. Chính vì vậy, phương pháp lọc bụi tĩnh điện sẽ được tác
giả lựa chọn để nghiên cứu.
3
Hình 1.1 Nguyên lý tích và lắng bụi trong thiết bị lọc bụi tĩnh điện [2]
Hình 1.1 trình bày nguyên lý tích và lắng bụi trong thiết bị lọc bụi tĩnh điện.
Khí thải cần lọc bụi được thổi qua hệ thống hai điện cực: điện cực nối đất được
gọi là điện cực lắng vì bụi được lắng chủ yếu trên điện cực này, điện cực thứ hai
gọi là điện cực quầng sáng (điện cực phóng), điện cực này được cung cấp dòng
điện một chiều có điện thế cao, do điện thế cao nên cường độ điện trường xung
quanh có giá trị lớn và gây ra hiện tượng va đập ion mãnh liệt biểu hiện là nhìn
thấy một quầng sáng bao phủ xung quanh điện cực này. Tại điện cực phóng, quầng
sáng không lan rộng ra toàn bộ không gian giữa hai điện cực mà yếu đi và tắt dần
theo phương tới điện cực lắng, điện trường giữa hai điện cực là điện trường không
đều, các ion được tạo ra chủ yếu trong vùng quầng sáng [3].
Dưới tác dụng của lực điện trường các ion sẽ dịch chuyển dịch về phía điện
cực trái dấu của chúng, ion dương chuyển dịch về phía cực âm (cực quầng sáng),
các ion âm dịch chuyền về phía cực dương (cực lắng) sự dịch chuyển dòng khí tạo
ra dòng điện thể hiện qua hình 1.2. Dòng điện này gọi là dòng điện quầng sáng,
khi thổi khí thải có chứa bụi bẩn qua không gian giữa hai điện cực thì các ion sẽ
bám dính lên bề mặt của các hạt bụi và các hạt bụi đã tích điện sẽ chuyển dịch tới
các điện cực trái dấu với điện tích chúng tích được, khi tới các điện cực các hạt
bụi được lắng lại trên bề mặt điện cực. Lượng bụi được lắng chủ yếu trên bề mặt
các điện cực lắng. Trên bề mặt các điện cực quầng sáng cũng có lắng bụi lại nhưng
lượng bụi này nhỏ không đáng kể so với lượng bụi lắng trên điện cực lắng. Tùy
theo mức độ tích tụ bụi trên bề mặt điện cực, hệ thống rung lắc sẽ rung lắc định kỳ
các điện cực hoặc xối nước rửa điện cực và lấy bụi [3].
4
Corona plasma region Unipolar ion region
(a
Negative ion Negative ion
Gas molecule
Discharge electrode
e Att. -
-
-
-
e
a e Att.
e e Ion
New electron - - -
+
e e -
-
+
-
e
Secondary electron +
Positive ion
Ionization boundary Plasma boundary Grounded electrode
E/N = 120 Td E/N = 80 Td
Hình 1.2 Sự di chuyển của ion từ cực âm đến cực lắng
Ngoài ra, trên thực tế thiết bị lọc bụi tĩnh điện khi hoạt động thường xảy ra
quá trình phóng điện khi điện trường vượt ngưỡng nhất định, hoặc sự tích tụ quá
lớn các hạt bụi bám trên điện cực lắng. Ngưỡng giới hạn này của thiết bị lọc bụi
tĩnh điện phụ thuộc rất nhiều yếu tố bên ngoài mà các yếu tố đó cũng liên quan
trực tiếp đến hiệu suất của thiết bị lọc bụi tĩnh điện.
1.5 Lựa chọn loại điện áp các cực trong lọc bụi tĩnh điện
Để tạo thành hiện tượng phóng ion hay được gọi là sự “tạo thành corona” có
thể sử dụng:
- Corona âm
- Corona dương
Tuy nhiên, đối với các thiết bị lọc bụi tĩnh điện trong công nghiệp thường sử
dụng corona âm vì các lý do:
- Hầu hết là các khí trong công nghiệp mang electron âm trong tự nhiên, như
là các khí như SO2, CO2, O2, H2O, … chúng thường tạo nên thành phần khí thải
(khói lò) công nghiệp có khả năng hấp thụ (hút) electron tự do tốt nhất.
- Quầng sáng âm: các ion âm có độ linh động hơn so với độ linh động của
các ion dương
(Độ linh động của ion là tốc độ mà ion có được trong điện trường khi cường
cm / s
độ bằng một đơn vị nghĩa là )
v / cm
5
- Ngưỡng phát tia lửa điện trong corona âm cao hơn corona dương, do vậy
đạt điện trường cao hơn.
- Điện áp phát sinh corona khi mũi nhọn có cực tính dương cao hơn khi mũi
nhọn có cực tính âm.
Điện áp DC thay cho AC trong thiết bị lọc bụi tĩnh điện, vì điện áp AC làm
cho các phân tử tích điện bị dao động, ngược lại điện áp DC sinh một lực cố định
về phía cực nối đất.
1.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của thiết bị lọc bụi tĩnh điện
Những yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng đầu ra của thiết bị lọc bụi tĩnh điện
[4]:
- Điện áp và dòng điện cấp cho hệ thống lọc bụi tĩnh điện;
- Tốc độ dòng khói đi qua các trường của hệ thống lọc bụi tĩnh điện;
- Nồng độ, kích thước tro, bụi trong khói;
- Nhiệt độ khói vào hệ thống lọc bụi tĩnh điện;
- Độ ẩm của khói vào hệ thống lọc bụi tĩnh điện;
- Mức tro trong các phễu tro của hệ thống lọc bụi tĩnh điện.
Các yếu tố ảnh hưởng này dẫn tới ngưỡng cường độ điện trường (hay điện áp
giữa các bản cực lọc bụi) gây ra hiện tượng phóng điện thay đổi và nhiệm vụ điều
khiển đối với điện áp các cực lọc bụi tĩnh điện là duy trì điện áp này ở mức cao
nhất có thể mà không xảy ra phóng tia lửa điện trong buồng lọc bụi tĩnh điện [4].
1.7 Hệ thống lọc bụi tĩnh điện nhà máy nhiệt điện Hải Phòng
1.7.1 Mô tả chung
Hệ thống lọc bụi tĩnh điện (ESP) có nhiệm vụ:
- Tách tro bay khỏi sản phẩm cháy để bảo vệ môi trường
- Tránh mài mòn cánh các quạt khói
- Giảm nhẹ điều kiện làm việc của hệ thống khử lưu huỳnh trong khói (FGD)
6
Hình 1.3 Hệ thống lọc bụi tĩnh điện nhà máy nhiệt điện Hải Phòng [4]
Hệ thống lọc bụi tĩnh điện sử dụng loại 2LZC312-4 hãng Luzhou do Trung
Quốc sản xuất [4]. Mỗi tổ máy có 2 nhánh lọc bụi (Nhánh A, Nhánh B), có cấu
trúc tương tự nhau. Mỗi nhánh gồm 8 trường và được tổ hợp trong các khoang
riêng rẽ. Cụ thể như sau:
Bảng 1.1 Các nhánh của hệ thống lọc bụi tĩnh điện [4]
HT ESP1 HT ESP2 HT ESP3 HT ESP4
D11, D12, D13, D14 D51, D52, D53, D54 Tương tự Tương tự
Nhánh A
D21, D22, D23, D24 D61, D62, D63, D64 ESP1 ESP2
D31, D32, D33, D34 D71, D72, D73, D74 Tương tự Tương tự
Nhánh B
D41, D42, D43, D44 D81, D82, D83, D84 ESP1 ESP2
Theo chiều của dòng khói, 16 trường lọc bụi chia thành các nhóm trường sau:
Bảng 1.2 Các nhóm trường của hệ thống lọc bụi tĩnh điện [4]
HT ESP1 HT ESP2 HT ESP3 HT ESP4
Nhóm Tương tự Tương tự
D11, D21, D31, D41 D51, D61, D71, D81
trường 1 ESP1 ESP2
Nhánh Tương tự Tương tự
D12, D22, D32, D42 D52, D62, D72, D82
trường 2 ESP1 ESP2
Nhóm Tương tự Tương tự
D13, D23, D33, D43 D53, D63, D73, D83
trường 3 ESP1 ESP2
Nhóm Tương tự Tương tự
D14, D24, D34, D44 D54, D64, D74, D84
trường 4 ESP1 ESP2
7
Mỗi nhánh được lắp sau bộ sấy không khí kiểu quay, sản phẩm cháy sau khi
được tách tro, bụi được đưa tới đầu hút của quạt khói [4]. Các cực phóng và cực
lắng đặt cách nhau và song song với nhau theo chiều đi của khói thải. Cực phóng
nối với cực âm, có cấu trúc treo được cấu tạo là các khung có lắp các dây gai hoặc
trơn. Cực lắng nối với cực dương, được làm dưới dạng tấm có cấu trúc kiểu treo
đảm bảo khoảng cách giữa các tấm cực nằm trong phạm vi cho phép [4]. Với mỗi
trường, các cực phóng và cực lắng được bố trí xen kẽ nhau.
Tại đầu vào của mỗi bộ lọc bụi có tấm đục lỗ làm bằng thép để phân dòng khói
vào các trường lọc bụi cho đều. Trên mỗi trường có các hệ thống rung, hệ thống
gõ tương ứng số trường. Cực phóng cách điện với vỏ bằng sứ cách điện, sứ cách
điện có thiết bị gia nhiệt. Dưới trường lọc bụi có các phễu tro sử dụng để gom tro
bay tách ra từ khói thải. Các phễu tro có bộ gia nhiệt bằng hơi và các vòi sục khí
nóng để tránh tắc và giúp cho việc thải tro dễ dàng [4].
Khi tro bay đi qua các điện cực, các hạt tro được tích điện âm bị hút về phía
cực lắng, một số ít hạt bám vào cực phóng do nhiễm điện tích dương. Tro bám trên
các bản cực được các búa gõ định kỳ rơi xuống phễu tro và được hút về các Silô
tro.
1.7.2 Thông số kỹ thuật
a) Thông số chung
Bảng 1.3 Thông số kỹ thuật của bộ lọc bụi [4]
STT Thông số Đơn vị Đặc tính kỹ thuật
1 Kiểu lọc bụi - 2LZC312-4 - Luzhou (China)
2 Công suất tổ máy MW 300
3 Số lượng phễu thu tro Phễu 16
4 Số trường lọc bụi Trường 16 (8 trường/nhánh)
5 Năng suất thu bụi t/h 996
6 Lưu lượng khói lớn nhất m³/h 2×743430
7 Vận tốc khói m/s 0,68
8 Nhiệt độ khói t0 121
Thời gian khói lưu lại
9 s 20,6
trong 4 trường
Khoảng cách giữa cực lắng
10 cm 20
và cực phóng
11 Nguồn cấp điện áp A/kV 1,2/72
8