Giải pháp ứng dụng hệ thống giám sát và điều khiển trong quy trình phục hồi ắc quy axit chì

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Giải pháp ứng dụng hệ thống giám sát và điều khiển trong quy trình phục hồi ắc quy axit chì trình bày trạm phục hồi ắc quy chì loại khởi động với quy trình được tối ưu về chi phí và công nghệ được thử nghiệm. Điểm khác biệt trong quy trình này là hệ thống giám sát điều khiển, nhằm tự động hóa và tối ưu các quá trình trong khi phục hồi. Ngoài ra, hệ thống lưu trữ dữ liệu và xuất báo cáo sẽ góp phần đáng kể trong việc thống kê, tổng hợp, đánh giá hiệu quả của trạm phục hồi.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giải pháp ứng dụng hệ thống giám sát và điều khiển trong quy trình phục hồi ắc quy axit chì

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(92).2015 51 GIẢI PHÁP ỨNG DỤNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TRONG QUY TRÌNH PHỤC HỒI ẮC QUY AXIT CHÌ APPLICATION OF MORNITORING AND CONTROL SYSTEM TO LEAD-ACID BATTERY REFURBISHMENT PROCESS Đoàn Anh Tuấn1, Nguyễn Dương Tuấn2 1 Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng 2 Công ty CP Đầu tư & Phát triển Năng lượng Mặt trời Bách khoa Tóm tắt - Việc phục hồi và xử lý ắc quy đã qua sử dụng, đặc biệt Abstract - Lead-acid battery has been popularly used in Vietnam là ắc quy axit chì đang trở nên thông dụng vì nhu cầu ngày càng due to its advantages of low cost, diversity in capacity and tăng; đồng thời, có ý nghĩa quan trọng về mặt kinh tế và môi application, especially in vehicles. Hence, it is necessary to focus trường. Do đó, việc đầu tư vào công nghệ để giảm chi phí cũng on battery refurbishment technology to reduce cost, as well as như thời gian cho các quá trình phục hồi và xử lý là cần thiết để environmental problems caused by solid waste from those tăng năng suất và hiệu quả. Trong nội dung nghiên cứu này, giải batteries. In the current project, in order to improve the process of pháp ứng dụng hệ thống giám sát và điều khiển nhằm tối ưu quá battery refurbishment, a monitoring-control system has been trình phục hồi cho trạm xử lý và phục hồi ắc quy chì đã qua sử developed for a pilot refurbishment station. It is expected that it can dụng được thử nghiệm. Với việc ứng dụng hệ thống đề xuất, trạm help to reduce operating cost, optimize the time to control and phục hồi có thể giảm thiểu được chi phí hoạt động, tối ưu thời gian monitor the process of refurbishment, as well as improve the phục hồi cũng như tăng hiệu suất phục hồi cho ắc quy so với performance of battery. phương pháp thủ công truyền thống. Từ khóa - phục hồi ắc quy; điều khiển - giám sát; chất thải rắn; ắc Key words - battery refurbishment, control - monitoring; solid quy cũ; ắc quy chì. waste, used battery; lead-acid battery. 1. Đặt vấn đề thống thống như: phục hồi bằng nước cất, hai phương pháp Ắc quy axít chì là loại ắc quy phổ biến và thông dụng. đang được sử dụng và chứng tỏ được tính hiệu quả, cũng Với đặc thù giá rẻ, dễ sử dụng, công suất lớn và phong phú như bảo vệ môi trường là công nghệ dòng điện tuần hoàn về chủng loại cũng như chất lượng, ắc quy axít chì được sử và sử dụng chất phụ gia hữu cơ. dụng trong mọi lĩnh vực kinh doanh, sản xuất: công nghiệp, Công nghệ dòng điện tuần hoàn dựa trên cơ chế phản dân dụng, nông, lâm, ngư nghiệp, vận tải… Tại Việt Nam, ứng điện hóa giữa các bản cực chì và dung môi trong ắc quy ngành sử dụng ắc quy nhiều nhất có thể kể đến là ngành khi có dòng điện biến thiên tuần hoàn chạy qua, đã được giao thông vận tải với gần 28 triệu mô tô, xe gắn máy và chứng minh có khả năng làm giảm lượng chì sulfate bám 1,5 triệu ô tô các loại [1]. trên các thanh [2]. Tuy nhiên, nhược điểm của công nghệ Trong ắc quy axít chì, thứ liệu - phế liệu chì là độc chất này là công nghệ có bản quyền phải nhập khẩu, đòi hỏi nhiều kim loại nặng tiềm tàng, là tác nhân gây hại sức khoẻ cho dòng sản phẩm khác nhau cho các loại ắc quy khác nhau. con người nhưng khó nhận thức trực quan, khó phát hiện. Công nghệ sử dụng chất phụ gia hữu cơ: sử dụng thuần Bên cạnh đó, việc tồn trữ, vận chuyển và xử lý trái phép ắc túy tác dụng hóa học có khả năng tác động mạnh đến quá quy axít chì đã qua sử dụng với số lượng từ hàng chục tấn trình lọc sulfate trong ắc quy axít chì, giúp tăng khả năng đến hàng trăm tấn khá phổ biến và gây nên nguy cơ ô nhiễm khôi phục ắc quy. Các chất phụ gia này hầu hết được chế môi trường nghiêm trọng. Thực tế, ắc quy thường có tuổi xuất từ các chất hữu cơ. Hiện nay, một số đơn vị tại Việt thọ không cao, nên sẽ nhanh chóng bị loại thải sau một thời Nam đã bắt đầu thực hiện việc phục hồi và bảo dưỡng định gian sử dụng. Với nhu cầu sử dụng rất lớn thì lượng ắc quy kỳ bằng phương pháp này vì chi phí hợp lý. Tuy nhiên, nếu phế thải hàng năm là một con số khổng lồ. Tuy vậy, tại Việt chỉ dùng hóa chất phục hồi định kỳ, dung lượng ắc quy có Nam hiện nay, việc thu hồi và xử lý ắc quy phế thải chưa tăng nhưng rất chậm và cần thời gian lâu mới thấy được hiệu quả. Hoạt động thu hồi và xử lý ắc quy hiện tại chủ hiệu quả. Để tăng được hiệu quả, ắc quy sau khi đưa phụ yếu là thủ công nhỏ lẻ. gia vào cần được nạp xả để phát huy tác dụng trước khi tái Ắc quy chì được sử dụng sau một thời gian dài có thể dẫn sử dụng. Tuy vậy, quá trình nạp (sạc) thủ công khá phức đến nhiều hư hỏng do các nguyên nhân chủ quan từ bất cẩn tạp, mất nhiều thời gian và nhất thiết cần sự giám sát để về vận hành của người sử dụng, như: làm nứt vỏ, lỏng ốc vít, tránh hư hỏng ắc quy. sờn dây cáp nối tải … và những nguyên nhân khách quan Từ những lý do trên, để có một quy trình phục hồi ắc như đóng cặn bùn, thực chất là chì sulfate (PbSO4) bám vào quy chì loại khởi động hiệu quả, phù hợp với điều kiện hiện các thanh chì cũng như đọng lại dưới đáy của ắc quy làm có tại Việt Nam, ngoài việc lựa chọn công nghệ phù hợp giảm dung lượng thông qua việc làm tăng nội trở của ắc quy. với chi phí vừa phải, quy trình vận hành cũng cần phải được Quá trình gây hư hại này nếu không được phát hiện sớm tối ưu, đặc biệt là giám sát trong quá trình sạc phục hồi. thông qua việc bảo trì, kiểm tra định kì có thể làm giảm tuổi Giải pháp tự động sẽ giảm thiểu thời gian đo đạc và ghi thọ của ắc quy, hoặc dẫn đến việc phải thay mới ắc quy. nhận bằng thủ công, nâng cao hiệu quả lao động, cũng như Hiện nay, trên thế giới, ngoài phương pháp truyền giảm thiểu chi phí vận hành.
52 Đoàn Anh Tuấn, Nguyễn Dương Tuấn Bài báo này trình bày trạm phục hồi ắc quy chì loại khởi phép, ắc quy sẽ không được tiến hành phục hồi. động với quy trình được tối ưu về chi phí và công nghệ được thử nghiệm. Điểm khác biệt trong quy trình này là hệ Tiếp nhận ắc quy đã qua sử dụng thống giám sát điều khiển, nhằm tự động hóa và tối ưu các quá trình trong khi phục hồi. Ngoài ra, hệ thống lưu trữ dữ liệu và xuất báo cáo sẽ góp phần đáng kể trong việc thống Dán mã số kê, tổng hợp, đánh giá hiệu quả của trạm phục hồi. 2. Xây dựng quy trình phục hồi ắc quy tổng thể trạm Kiểm tra tình trạng bên thử nghiệm ngoài Quy trình phục hồi ắc quy tổng thể được xây dựng gồm 4 bước sau: Tiếp nhận ắc quy, Kiểm tra tình trạng ắc quy, Tốt Phục hồi ắc quy và Đánh giá kết quả phục hồi. Bước 1. Tiếp nhận ắc quy đầu vào và kiểm tra sơ bộ Vệ sinh cọc chì Quy trình tiếp nhận ắc quy được mô tả như Hình 1, trong đó: Không tốt Kiểm tra mức Thêm ➢ Tùy theo yêu cầu để nhận dạng mà quy định về mã dung dịch Không đạt nước cất số sẽ được thực hiện. Ví dụ: K-dung lượng-điện áp-số thứ tự, tương ứng: K- Đạt 100-12-0001. ➢ Sau đó, ắc quy được kiểm tra tình trạng bên ngoài Tiến hành sạc như: vỏ, cọc chì… Nếu ắc quy bị hư hỏng phần bên ngoài ắc quy như nứt vỏ, cọc chì không còn nguyên vẹn,… sẽ không tiến hành phục hồi; ngược lại, sẽ được đưa đi vệ sinh cọc chì để đảm bảo tiếp xúc và truyền điện tốt trong quá trình phục hồi. Chuyển ắc quy sang khu ắc quy Chuyển ắc quy sang khu ➢ Dung dịch trong tất cả các ngăn của ắc quy được kiểm tra hư kiểm tra và thêm bớt dung dịch khi cần, đảm bảo vừa đủ che lấp các tấm bản cực. Hình 1. Sơ đồ quá trình tiếp nhận ắc quy ➢ Tiến hành sạc: ắc quy được sạc đầy với giải thuật sạc phù hợp cho từng ắc quy. Một trong những giải thuật Bắt đầu cơ bản là giải thuật sạc 3 giai đoạn: sạc với dòng điện lớn (bulk charging mode), giai đoạn hấp thụ (absortion Đo điện áp charging mode) và giai đoạn sạc thả nổi (float charging mode), với dòng sạc giới hạn là 10% dung lượng ắc quy. Đúng Hệ thống sẽ tự điều chỉnh dòng sạc và chế độ sạc phù hợp Đo tỷ trọng >= 1.15 g/cm33 nhằm kéo dài tuổi thọ của ắc quy. Sai Bước 2. Kiểm tra chất lượng ắc quy Đúng Quy trình kiểm tra ắc quy cũ được mô tả theo sơ đồ trên Sai Kiểm tra độ lệch tỷ trọng
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(92).2015 53 xuất; ngược lại, nếu ắc quy không có thông số này đi kèm, công. Thêm nữa, web server được trang bị công nghệ SSL giá trị đo này sẽ được so sánh với giá trị sau khi phục hồi. (Secure Sockets Layer) giúp mã hóa đường truyền và xác ➢ Kiểm tra điện áp suy giảm:điện áp suy giảm là điện thực server. SSL đảm bảo rằng tất cả các dữ liệu được áp còn lại của ắc quy sau khi chịu 1 dòng tải lớn vài chục truyền giữa các máy chủ web và các trình duyệt được mang đến vài trăm Ampere giờ (Ah) được giữ nguyên dòng phóng tính riêng tư, tách rời. trong 15 giây. Điện áp sụt của ắc quy phải còn trên một giá trị nhất định; chẳng hạn, 8,8V cho loại ắc quy 12V. Nếu ắc quy không thể duy trì mức điện áp nhỏ nhất như yêu cầu, chứng tỏ ắc quy đã bị hỏng và sẽ không tiến hành phục hồi. Bước 3. Tiến hành phục hồi ắc quy ➢ Tiến hành sạc đầy ắc quy. ➢ Để tăng hiệu quả phục hồi, hóa chất chuyên dụng để đánh tan sulfate được sử dụng. Cho hóa chất vào từng ngăn của ắc quy theo lượng và thời gian quy định. Để tăng hiệu quả phục hồi, khi đưa hóa chất vào, nhiệt độ ắc quy không nên quá 40oC [4, 5]. ➢ Tiến hành các chu kỳ xả và sạc ắc quy, ghi nhận các Hình 3. Trạm sạc thử nghiệm giá trị thông số kèm theo sau mỗi chu kỳ để tiến hành đánh Database Server giá ắc quy. Bước 4. Đánh giá kết quả phục hồi Việc đánh giá kết quả phục hồi có thể thực hiện tự động Slave 1 Slave 2 Slave 3 Slave 4 Slave 5 bằng cách so sánh giá trị điện áp thấp nhất khi chịu tải giữa trước phục hồi và sau mỗi chu kỳ để đánh giá mức độ cải thiện của ắc quy. Quá trình phục hồi ắc quy sẽ kết thúc, nếu ắc quy thỏa Firewall Web Server Slave 11 Slave 10 Slave 9 Slave 8 Slave 7 Slave 6 một trong hai điều kiện sau: Internet • Tỉ lệ phục hồi đã đạt được giá trị mong muốn ban đầu. Number of devices User • Tỉ lệ phục hồi không tăng đáng kể sau mỗi chu kỳ Symbol Count Description sạc-xả; khi đó, ắc quy đã đạt đến giới hạn phục hồi. 1 Firewall 2 Ethernet Ngoài ra, để kiểm chứng việc phục hồi, giá trị điện dẫn 1 11 User Slate Device của ắc quy có thể được kiểm tra và so sánh với giá trị trước 1 Web server.25 khi phục hồi. 1 Database server.27 Hình 4. Sơ đồ kết nối mạng hệ thống 3. Hệ thống giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu trạm phục hồi 3.2. Thiết bị đo thông số và truyền dữ liệu Trong quy trình trên, người vận hành trạm cần phải tuân Trong trạm phục hồi thử nghiệm này, các thiết bị đo thủ tất cả các bước tiến hành, đảm bảo việc phục hồi hiệu đếm điện áp sạc ắc quy, dòng điện sạc ắc quy và nhiệt độ quả và an toàn. Hệ thống điều khiển, giám sát và thu thập ắc quy được phát triển; đồng thời, tích hợp chức năng gửi dữ liệu trạm phục hồi được phát triển để hỗ trợ người vận các thông số này về máy tính chủ trung tâm, như Hình 5. hành kiểm soát được tất cả các bước trong quy trình. Thông số thiết bị: 3.1. Mô tả hệ thống ✓ Điện áp hoạt động: 4,5V – 5,5V Trong trạm phục hồi thử nghiệm này, 11 thiết bị thu ✓ Điện áp sạc ắc quy tối đa: 28V (DC) thập dữ liệu được sử dụng và được kết nối đến 11 bộ sạc ắc ✓ Dòng điện sạc ắc quy tối đa: 20A quy chuyên dụng, Hình 3. ✓ Kết nối: Ethernet Sơ đồ kết nối mạng hệ thống được mô tả như trên Hình 4. Các thiết bị này sẽ truyền thông tin về máy chủ (server) ✓ Báo hiệu hoạt động: qua các đèn LED và Loa. thông qua giao thức chuẩn TCP/IP. Các thiết bị sẽ được tự động nhận dạng tại server. Hệ thống sử dụng 2 server khác nhau là web server (máy chủ chứa hệ thống web) và database server (máy chủ chứa cơ sở dữ liệu) dùng để lưu trữ toàn bộ dữ liệu trong quá trình hoạt động. Người vận hành chỉ cần dùng trình duyệt truy cập vào hệ thống. Hình 5. Thiết bị đo đếm thông số và truyền dữ liệu Ngoài ra, hệ thống được đảm bảo an ninh tốt nhờ vào 3.3. Giao diện và các thông số quản lý việc sử dụng tường lửa (firewall) để ngăn chặn các đợt tấn Giao diện chính hiển thị tất cả thông tin của hệ thống
54 Đoàn Anh Tuấn, Nguyễn Dương Tuấn như trạng thái, giai đoạn sạc, các thông số từng thiết bị, như: trạng thái toàn hệ thống và các giai đoạn sạc được hiển thị trực quan qua các đèn LED, như giao diện Hình 6. Các thông tin hiển thị được chia ra theo thiết bị thực tế, hệ thống bao gồm các module sạc và bộ bảo vệ độc lập,như Hình 7. Trong quy trình phục hồi ắc quy có sử dụng hóa chất, nhiệt độ ắc quy cần được kiểm soát tốt. Tương tự dòng điện nạp cũng được giám sát liên tục. Hệ thống sẽ tự động ngưng sạc nếu có một trong các tham số không đúng. Mỗi ắc quy sẽ có một profile riêng với đầy đủ các tham Hình 10. Giao diện web số cũng như các thông tin thu thập được trong quá trình phục hồi. Toàn bộ thông tin này được lưu trữ tại Database Trạng thái của hệ thống được cập nhật tức thời khi có server dùng cho công tác đánh giá và phân tích hệ thống. sự cố xảy ra và cảnh báo cho người vận hành biết thông Các thông tin này được cập nhật tự động mỗi khi ắc quy qua âm báo, hiển thị thông báo lỗi và email. Qua giao diện được phục hồi và xử lý. Người vận hành chỉ cần nhập mã giám sát, người vận hành có thể biết được giai đoạn sạc, ắc số của ắc quy là có thể tìm kiếm và xem toàn bộ thông tin quy đã sạc đầy hay chưa và nhiều tham số quan trọng khác, về ắc quy. Hình 8 thể hiện các thông tin về hồ sơ ắc quy. như trên Hình 9. Người vận hành có thể truy cập vào trang web của hệ thống, Hình 10; từ đó, có thể giám sát từ xa. Giao diện được thiết kế hiện đại và trực quan, nên sẽ giúp người vận hành luôn có cái nhìn tổng quan về hệ thống, rất thuận tiện cho công tác quản lý. Hệ thống thu thập dữ liệu có cơ cấu chống nhiễu sử dụng mạch lọc RC và đo nhiều lần trong thời gian ngắn sẽ cho kết quả chính xác hơn so với đo bằng tay và phải đo nhiều lần. Hệ thống tự động đo và lưu lại dữ liệu kèm với thời gian, nên rất đơn giản để vận hành. Hình 6. Giao diện chính của phần mềm 4. Bàn luận Với hệ thống giám sát, điều khiển trên, việc vận hành hệ thống sẽ đơn giản và thuận tiện hơn. Người vận hành có thể điều khiển trên giao diện trực quan và cài đặt các thông số của hệ thống. ❖Xây dựng cơ sở dữ liệu Dựa trên hệ cơ sở dữ liệu thu thập được, chất lượng của hệ thống và quy trình công nghệ luôn được đánh giá chính xác và có định hướng cải tiến rõ ràng, giúp rút ngắn thời gian và chi phí. Hình 7. Giao diện cài đặt ❖Khả năng nâng cấp công suất phục hồi của trạm Mỗi trạm sạc có một giới hạn về số lượng ắc quy phục hồi trong một đơn vị thời gian. Để nâng cấp hoặc mở rộng quy mô trạm phục hồi, ngoài việc gia tăng số lượng thiết bị, không gian, số nhân sự vận hành tại trạm cũng sẽ tăng lên để đảm bảo việc giám sát các tham số, xử lý lỗi... trạng thái toàn hệ thống. Do đó, việc dùng hệ thống điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu sẽ giúp việc nâng cấp quy mô trạm phục hồi dễ dàng, giảm thiểu nhân công sử dụng. Hình 8. Các thông tin về profile ắc quy Ngoài ra, hệ thống cũng sẽ hỗ trợ thực hiện các báo cáo, phân tích nhanh và chính xác khi cần; đồng thời, hỗ trợ nhanh chóng việc quản lý hồ sơ của ắc quy khi cần cập nhật hay tìm kiếm. ❖Hạn chế rủi ro trong vận hành trạm phục hồi Người vận hành sẽ tiết kiệm được thời gian cũng như sai số so với phương pháp đo đạc thủ công. Hệ thống cũng giúp hạn chế được nhiều rủi ro trong quá trình làm việc nhờ hệ thống cảnh báo lỗi, cánh báo bất Hình 9. Đồ thị giao diện các thông số ắc quy thường.
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(92).2015 55 5. Kết luận các công nghệ tiên tiến nhất cho việc phục hồi ắc quy tại So với những giải pháp đo đạc thủ công, hệ thống giám Việt Nam. Việc ứng dụng hệ thống quản lý giám sát quá sát thu thập số liệu đo đạc bằng điện tử có nhiều ưu điểm, trình phục hồi ắc quy đã góp phần lớn trong việc cải thiện thuận tiện hơn cho cả quy trình phục hồi ắc quy. hiệu suất công việc và giảm thời gian lao động. Giải pháp mới giúp thể hiện các thông số cần thiết trong TÀI LIỆU THAM KHẢO quá trình hoạt động theo thời gian thực; đảm bảo tự động nhận biết loại và trạng thái ắc quy để đưa ra giải thuật phục [1] Minh Hạnh. Báo Lao Động. Số 68.26/03/2015. hồi phù hợp. Ngoài ra, hệ thống còn cho phép cài đặt các http://laodong.com.vn/giao-thong-an-toan/tren-40-trieu-moto-xe- may-khong-duoc-kiem-soat-308874.bld thông số hoạt động, khả năng điều khiển linh hoạt, khả [2] PulseTech, “Pulse Technology” [Online] http://www.pulsetech.net/ năng cảnh báo qua giao diện, qua e-mail… cũng như thể Content/Our-Technology/Pulse-Technology.aspx hiện các trạng thái, dữ liệu trực quan qua các hình vẽ, biểu [3] Chiasson, John, and Baskar Vairamohan, "Estimating the state of đồ... cùng với đó là khả năng phân tích dữ liệu và xuất dữ charge of a battery", IEEE Transactions on Control Systems liệu báo cáo. Cuối cùng, không kém phần quan trọng chính Technology 13.3 (2005): 465-470. là khả năng kết nối với máy tính, giám sát và điều khiển từ [4] Tajiri, Akihiro, et al., "Battery temperature control system in electric automobile", U.S. Patent No. 5,490,572. 13 Feb. 1996. xa hệ thống qua mạng internet, GPRS, GSM. [5] Zemke, Roger A., and David B. Bell., "Power management circuit Với công cụ điều khiển và giám sát thử nghiệm này, hệ and methodology for battery-powered systems", U.S. Patent No. thống trạm sạc cho phép chủ động nâng cấp và ứng dụng 7,548,041. 16 Jun. 2009. (BBT nhận bài: 20/05/2015, phản biện xong: 15/06/2015)