Tác giả: Juliano de Goes Arantes, Công ty Rockwell Automation
Đăng trên Tạp chí World Cement số tháng 5/2024, Tr.35-38
Người dịch: Nguyễn Thị Kim Lan.
Trong bài viết này, Juliano de Goes Arantes, Công ty Rockwell Automation, trình bày cách thức các nhà sản xuất xi măng có thể chinh phục được các quá trình phức tạp nhất của họ bằng MPC.
Những thách thức quen thuộc của quá trình sản xuất xi măng – như chi phí năng lượng cao, sự biến động về nguyên vật liệu và tình trạng kém hiệu quả của quá trình – chỉ ngày càng tăng lên vì các nhà sản xuất bị mất đi những người lao động có tay nghề cao khi họ nghỉ hưu, và phải điều chỉnh các hoạt động của họ sao cho bền vững hơn. Tuy nhiên, một số nhà sản xuất xi măng đang tìm cách để tối ưu hóa quá trình sản xuất ngay cả khi họ điều hướng sự thay đổi mang tính đột phá bằng cách sử dụng công nghệ kiểm soát dự đoán theo mô hình (model predictive control – MPC).
Sự biến động và không chắc chắn trong quá trình sản xuất ít được quan tâm đến hơn khi nhà sản xuất xi măng chuyển đổi từ công nghệ kiểm soát cơ bản (basic regulatory control) sang MPC. Đó là vì công nghệ MPC lập mô hình quá trình sản xuất và tính toán nhiều biến số khác nhau có thể xuất hiện trong đó. Công nghệ này sau đó chủ động tự điều chỉnh các mục tiêu điểm đặt. Điều này tạo ra một hệ thống điều khiển kiểu mạch vòng khép kín, tự động có thể tối ưu hóa quá trình sản xuất theo thời gian thực đồng thời giảm bớt áp lực cho người vận hành.
Trong những năm gần đây, các nhà sản xuất xi măng đã sử dụng công nghệ MPC để tăng năng suất, nâng cao chất lượng, giảm bớt năng lượng sử dụng và lượng khí phát thải, và hơn thế nữa. Và các kết quả này thường đạt được mà không cần phải đầu tư vốn nhiều hoặc đại tu hạ tầng cơ sở, vì công nghệ này có thể được triển khai bên trên lớp DCS hoặc PLC đã có sẵn.
Từ kiểm soát phản ứng đến kiểm soát chủ động
Giống như các ứng dụng kiểm soát liên tục phức tạp khác, quá trình sản xuất xi măng liên quan đến rất nhiều biến số mà người vận hành không nhìn thấy được. Và khi người vận hành không thể nhìn thấy điều gì đang xảy ra trong quá trình sản xuất theo thời gian thực, họ gần như không thể tối ưu hóa các quy trình được. Thay vào đó, họ chỉ cố gắng duy trì quá trình hoạt động ổn định bằng cách phản ứng theo những hiểu biết hạn chế có sẵn của họ.
Công nghệ MPC mang lại một giải pháp có thể kiểm soát chủ động hơn. Công nghệ này có thể tiếp cận và giám sát rất nhiều biến số mà người vận hành không thể nhìn thấy được, đồng thời cũng giám sát hoạt động của bộ điều khiển PID. Dữ liệu này sau đó được nạp vào các mô hình mà cũng tận dụng các phương trình quá trình, sự hiểu biết của người vận hành, dữ liệu thử nghiệm nhà máy và dữ liệu lịch sử sản xuất.
Được trang bị với tất cả những thông tin này, công nghệ MPC có thể đánh giá các dữ liệu vận hành hiện tại và dự đoán, so sánh các dữ liệu đó với các kết quả mong muốn, và cập nhật các mục tiêu điểm đặt cho quá trình. Bằng việc thực hiện điều này liên tục, công nghệ này có thể đẩy quá trình tới các giới hạn của nó trong khi vẫn duy trì được giới hạn an toàn.
Trong vai trò này, công nghệ MPC nhất thiết trở thành công nghệ vận hành tốt nhất của nhà máy xi măng. Nó có thể tiếp cận và phân tích một khối lượng dữ liệu mà sẽ làm choáng ngợp người vận hành nếu họ có thể truy cập được nó ngay từ đầu. Và nó có thể hoạt động không ngừng nghỉ, mà không phải bận tâm về sự mệt mỏi hoặc cần phải nghỉ ngơi một chút.
Điều này có thể giải thoát người vận hành khỏi những tâm trạng buồn tẻ và tập trung vào điều khiển quá trình, cho phép họ tập trung vào việc giám sát và tối ưu hóa các hoạt động vận hành ở cấp độ cao hơn. Sự chuyển hướng này sang công việc có giá trị cao hơn có khả năng khích lệ tinh thần của người lao động và khiến cho nó dễ dàng thu hút hơn và giữ lại những người lao động mới tại các nhà máy xi măng.
Công nghệ MPC có thể hỗ trợ thêm quá trình sản xuất xi măng bằng cách tạo ra các máy phân tích trực tuyến ảo (VOAs) hoặc các bộ cảm biến mềm. Đây là các công cụ đo lường suy luận ước tính các biến số quá trình mà khó đo lường trực tuyến được. Chúng có thể được sử dụng để cung cấp thông tin hồi tiếp liên tục về các thông số chất lượng thường yêu cầu phòng thí nghiệm lấy mẫu để đo lường và là phép đo dự phòng cho các biến quan trọng.
Các ứng dụng xi măng cho MPC
Công nghệ MPC có thể được sử dụng trong toàn bộ nhà máy xi măng để tối ưu hóa các ứng dụng mà cho thấy khó kiểm soát nhất, bao gồm:
Lò nung
Đây là thiết bị mà các nhà sản xuất xi măng đã nhận ra là sẽ thu được lợi nhuận lớn nhất từ việc sử dụng công nghệ MPC. Hiện nay, các phản ứng phức tạp diễn ra trong lò xi măng chưa được hiểu rõ lắm. Sự biến động về nguồn nguyên liệu và sự không chắc chắn về đặc tính nguyên liệu thô, ví dụ, khiến cho khó có thể giảm được chi phí năng lượng, ổn định vận hành và tăng tối đa công suất sản xuất.
Công nghệ MPC hiểu rõ các biến số này và có thể dự đoán và kiểm soát rất nhiều thông số quá trình theo thời gian thực, trong khi liên tục cập nhật các hành động kiểm soát dựa vào giá trị thực của quá trình. Các hoạt động vận hành lò sau đó có thể được tối ưu hóa bằng cách đảm bảo các yêu cầu về chất lượng clinker với mức tiêu hao nhiên liệu thấp nhất và nhiệt độ ổn định.
Phối trộn
Phối trộn nguyên liệu có thể tác động trực tiếp tới các hoạt động vận hành lò. Cụ thể là, sự biến động của nguyên liệu và sự thay đổi thành phần hóa học xảy ra trong quá trình phối trọn có thể dẫn đến tình trạng vận hành lò không ổn định. Quá trình phối trộn cũng thường được kiểm soát thủ công, có thể dẫn đến các sai sót.
Công nghệ MPC có thể giảm bớt sự biến động phối trộn để nâng cao hiệu suất lò nung và hiệu quả người sử dụng cuối cùng. Kiểm soát tự động quá trình phối trộn cũng có thể giúp giảm bớt chi phí phối trộn và cải thiện việc sử dụng nguồn nguyên liệu thô.
Nghiền và đập nghiền
Nghiền xi măng là một quá trình tiêu tốn nhiều năng lượng, và các nhà sản xuất xi măng có thể gặp khó khăn trong việc đập nghiền sản phẩm của họ đến kích thước và độ cứng phù hợp. Hiệu suất cũng có thể thay đổi vì những thay đổi trong thói quen vận hành từ ca làm việc này sang ca làm việc khác, và vì những thay đổi về khả năng nghiền clinker hoặc thành phần chất trợ nghiền.
Công nghệ MPC có thể tính toán những biến động của quá trình và các ảnh hưởng khác để hỗ trợ nghiền thỏa đáng sản phẩm tới kích thước cụ thể trong khi vẫn đạt tối đa năng suất, có thể giúp giảm thiểu chi phí năng lượng. Công nghệ này có thể thích ứng với các đặc tính cấp liệu khác nhau, như độ cứng, cỡ hạt, và chất lượng.
Các ứng dụng thực tế
Câu chuyện về Cimento Itambe có trụ sở ở Brazil có khả năng là một trường hợp quen thuộc với các nhà sản xuất xi măng khác. Công ty đã có hơn bốn thập kỷ thành công trong việc sản xuất xi măng cho lĩnh vực xây dựng dân dụng. Tuy nhiên, công ty cũng đã gặp phải một số vấn đề cần được xử lý trong các quy trình sản xuất của mình.
Cụ thể là, công ty muốn chuẩn hóa các quy trình vận hành, gia tăng tính sẵn sàng của thiết bị và giảm bớt năng lượng tiêu hao trong các hoạt động vận hành của mình. Để giúp đạt được các mục tiêu này, công ty đã triển khai công nghệ MPC thành hai giai đoạn.
Trong giai đoạn đầu, Cimento Itambe đã sử dụng công nghệ này để tối ưu hóa điều khiển các lò nung của mình. Điều này đã giúp công ty tăng được sản lượng lên 3% cho mỗi lò nung của mình. Công ty cũng đã nhận thấy lượng năng lượng sử dụng cho các lò nung đã giảm đi 2% nhờ nhiệt độ ổn định hơn. Điều này đã giúp nâng cao chất lượng clinker và giảm bớt rủi ro bít tắc cyclone.
Trong giai đoạn hai, công ty đã triển khai công nghệ MPC để tối ưu hóa điều khiển các máy nghiền xi măng của mình. Kết quả đạt được tương tự như các kết quả của các lò nung. Năng suất các máy nghiền đã tăng lên 5-10%, trong khi năng lượng tiêu hao giảm 5%. Công ty cũng đã gặp phải một số trường hợp gián đoạn trong cấp liệu hoặc những lần dừng hoạt động liên quan đến độ rung động cao, và đã truy cập các dữ liệu theo thời gian thực hỗ trợ thúc đẩy việc đưa ra các quyết định nhanh chóng.
Ở Châu Âu, NEXE, nhà sản xuất xi măng Croatia vẫn đang trong gai đoạn đầu triển khai MPC. Công ty sử dụng công nghệ này kết hợp với các nguyên liệu và nhiên liệu thay thế để hỗ trợ giảm bớt dấu chân carbon. Những cố gắng như vậy đang ngày càng trở nên phổ biến hơn hiện nay vì các nhà sản xuất xi măng đang cố gắng để vận hành bền vững hơn. Công nghệ MPC có thể hỗ trợ bằng cách đảm bảo các mức chất lượng khi đưa nguyên vật liệu mới vào sử dụng và bằng cách quản lý sự biến động của các nhiên liệu mới nhằm duy trì các hoạt động vận hành được ổn định.
NEXE sớm đã nhìn thấy những dấu hiệu của lợi ích tiết kiệm và hiệu suất từ dự án MPC của mình và dự đoán thời gian hoàn vốn sẽ chưa đầy một năm.
Cần cân nhắc điều gì trước khi triển khai MPC
Lý tưởng nhất là, một số thành phần chính đã có sẵn trong nhà máy xi măng trước khi nhà sản xuất triển khai dự án MPC.
Trước hết, vì MPC cung cấp điều khiển kiểu mạch vòng khép kín cho quy trình sản xuất, công nghệ tự động hóa cần phải có sẵn để điều khiển quá trình.
Cũng vậy, công nghệ MPC giống như bất kỳ công nghệ học bằng máy hoặc AI nào khác trong đó cần có các dữ liệu quá trình phù hợp, tin cậy để thành công. Một số nhà sản xuất bắt đầu triển khai công nghệ MPC chỉ để sớm phát hiện ra rằng các phép đo lường của họ không thể hiện được sự nhất quán và chính xác về những gì đang thực sự xảy ra trong các quá trình của họ.
Các nhà sản xuất cũng nên nhớ rằng chỉ riêng công nghệ MPC thôi không phải là phương tiện để đạt được mục đích cuối cùng. Nó yêu cầu những thông tin cụ thể tại hiện trường như dữ liệu lịch sử, dữ liệu thử nghiệm nhà máy và sự kiến thức chuyên môn về quá trình để tạo ra các mô hình tùy biến cho các quá trình đang được tối ưu hóa. Nhà sản xuất xi măng phải có kiến thức chuyên môn về quá trình để nắm bắt kiến thức này hoặc làm việc với nhà cung cấp MPC có kiến thức đó.
Một điểm quan trọng nữa cần phải nhớ đó là các dự án MPC phải được hỗ trợ để duy trì thành công lâu dài. Ví dụ, bất kỳ sự thay đổi nào về quá trình, nguyên liệu thô và nhiên liệu đều phải được đưa vào công nghệ, nếu không hiệu suất của nó sẽ suy giảm. Các kỹ sư công nghệ hoặc tự động hóa có thể đảm nhận được công việc này, hoặc có thể thuê nhà cung cấp MPC bên ngoài.
Vai trò ngày càng tăng đối với AI và ML
Ngoài MPC, số lượng các công nghệ AI và học bằng máy ngày càng gia tăng có thể hỗ trợ các nhà sản xuất xi măng đáp ứng được các kỳ vọng ngày càng tăng để làm được nhiều hơn với ít nguồn lực hơn.
Ví dụ, các bộ truyền động thông minh với khả năng bảo trì dự đoán được tích hợp sẵn có thể giúp các nhà sản xuất xi măng giảm bớt thời gian dừng hoạt động ngoài kế hoạch, tốn kém và gây gián đoạn. Các bộ truyền động sử dụng các mô hình lỗi vật lý tiên tiến để theo dõi mức tiêu thụ tuổi thọ của các thành phần quan trọng và có thể phát ra báo động khi các thành phần đó gần kết thúc tuổi thọ của chúng và yêu cầu bảo trì.
Các hệ thống quản lý bảo trì được máy tính hóa (CMMS) hiện cũng đang sử dụng các công cụ AI để hỗ trợ các nhà sản xuất vượt qua thời gian ngừng hoạt động. Các công cụ này sử dụng phương pháp học bằng máy để hiểu rõ thiết bị hành xử ra sao dưới các điều kiện vận hành bình thường và các thuật toán AI xác định và cảnh báo cho người sử dụng biết khi phát hiện ra các rủi ro sai hỏng.
Kết luận
Đối với các nhà sản xuất xi măng mà vẫn còn chưa sử dụng AI hoặc học bằng máy, MPC là điểm khởi đầu hợp lý. Nó dễ dàng thực hiện với chi phí giá cả vừa phải khi đã có cơ sở hạ tầng phù hợp. Và nó có thể đưa nhà máy xi măng vào lộ trình để sản xuất ổn định hơn, giảm bớt mức năng lượng tiêu hao và sản lượng tăng cao hơn chỉ trong vài tuần.
