Thiết kế hệ thống tự động hóa cho các mối nguy từ bụi dễ cháy

Bụi dễ cháy làm thay đổi cách kỹ sư nên thiết kế và vận hành các quy trình tự động. Mối nguy không chỉ giới hạn ở những đám mây bụi nhìn thấy được. Các hạt mịn có thể tích tụ bên trong bộ thu bụi, ống dẫn, băng tải, vỏ bao che và các khu vực trong tòa nhà. Một tác động nhỏ có thể phát tán các lớp bụi lắng đọng đó và tạo điều kiện cho quá trình cháy lan nhanh.

Tự động hóa có thể giảm phơi nhiễm và cải thiện khả năng phát hiện. Tuy nhiên, nó cũng có thể bổ sung nguồn đánh lửa hoặc che giấu các trạng thái vận hành không an toàn. Vì vậy, chiến lược điều khiển phải hỗ trợ cho phân tích mối nguy của quy trình. Nó không thể thay thế các biện pháp phòng ngừa và bảo vệ được thiết kế chuyên dụng.

Hiểu về ngũ giác nổ bụi

OSHA mô tả năm điều kiện liên quan đến một vụ nổ bụi: vật liệu dễ cháy, nguồn đánh lửa, oxy, sự phân tán và sự bao kín. Loại bỏ hoặc kiểm soát một trong các điều kiện này có thể giảm rủi ro. Tuy nhiên, các biện pháp kiểm soát thực tế phụ thuộc vào các đặc tính đã được thử nghiệm của chính vật liệu đó.

Kích thước hạt, độ ẩm, nhiệt độ quy trình và tạp nhiễm có thể làm thay đổi tính chất của bụi. Kỹ sư không nên sao chép giá trị Kst, năng lượng đánh lửa tối thiểu hoặc nồng độ nổ tối thiểu của một vật liệu không liên quan. Cần tiến hành thử nghiệm đại diện và đánh giá của chuyên gia khi các giá trị đó được dùng để lựa chọn thiết bị.

Lập bản đồ nơi bụi được tạo ra và thu gom

Hãy bắt đầu bằng sơ đồ dòng vật liệu. Đánh dấu các công đoạn nghiền, vận chuyển, trộn, sàng, sấy, nạp liệu và các điểm chuyển tải. Sau đó lập bản đồ các nhánh hút bụi, bộ thu bụi, van quay, phễu chứa và các đường hồi lưu không khí. Việc đánh giá phải bao gồm điều kiện sản xuất bình thường, khởi động, dừng máy, vệ sinh, bảo trì và sự cố bất thường.

Bụi tích tụ ở những nơi khuất cũng rất quan trọng. Một sự cố ban đầu nhỏ có thể làm xáo trộn lớp bụi lắng đọng và tạo ra sự cố thứ cấp lớn hơn. Các tuyến kiểm tra phải bao gồm bề mặt ở trên cao, máng cáp, cấu kiện kết cấu và những khoảng rỗng khó tiếp cận nơi bụi có thể tích tụ.

Tách biệt phòng ngừa và giảm thiểu hậu quả

Các biện pháp phòng ngừa nhằm tránh xảy ra sự cố. Ví dụ gồm thu gom bụi, vệ sinh công nghiệp, liên kết đẳng thế, nối đất, kiểm soát nhiệt độ, giám sát ổ trục và kiểm soát tia lửa hoặc bề mặt nóng. Giảm thiểu hậu quả nhằm hạn chế tác động sau khi xảy ra đánh lửa. Ví dụ có thể gồm thoát áp, dập nổ, cô lập và sử dụng thiết bị được thiết kế cho mối nguy đã xác định.

Các chức năng này dựa trên những giả định thiết kế khác nhau. Cảnh báo PLC về áp suất chênh lệch cao của bộ thu bụi không tạo ra chức năng cô lập vụ nổ. Liên động quạt không chứng minh rằng hệ thống ống dẫn an toàn. Phần cứng bảo vệ cần có hiệu năng được dokument hóa, lắp đặt đúng cách và được kiểm tra theo lịch.

Chọn thiết bị đo lường cho khu vực nguy hiểm

Tính phù hợp của cảm biến phụ thuộc vào khu vực được phân loại, nhóm bụi, giới hạn nhiệt độ, vỏ bao che, cấp bảo vệ chống xâm nhập và phương pháp lắp đặt. Không nên đặt các thiết bị hiện trường thông thường trong khu vực nguy hiểm chỉ vì chúng có vẻ được bịt kín về mặt cơ khí.

Hãy giám sát các biến số cho thấy sự mất kiểm soát. Các phép đo hữu ích có thể bao gồm lưu lượng khí, áp suất chênh lệch, tình trạng bộ lọc, tốc độ quạt, nhiệt độ ổ trục, chuyển động của băng tải, trạng thái van quay và áp suất trong vỏ bao che. Các tín hiệu được chọn phải phù hợp với quy trình và kết quả đánh giá mối nguy.

Để xem các ví dụ chung về tích hợp tín hiệu, hãy tham khảo bộ sưu tập hệ thống PLC và PAC. Thư viện kiến thức của trang web cung cấp các hướng dẫn liên quan về chạy thử và chẩn đoán.

Thiết kế liên động xoay quanh các trạng thái an toàn

Hãy xác định điều gì phải xảy ra khi hệ thống hút bụi không khả dụng, quạt dừng, áp suất tăng, băng tải bị kẹt hoặc thiết bị xả của bộ thu bụi bị hỏng. Phản ứng có thể yêu cầu dừng cấp liệu trước khi dừng hệ thống hút bụi. Thời gian trình tự phải dựa trên quy trình thực tế, không phải một mẫu chung chung.

Không nên dùng duy nhất một lệnh RUN làm bằng chứng rằng thiết bị đang chuyển động. Hãy sử dụng tín hiệu phản hồi chứng minh trạng thái cần thiết. Tiếp điểm phụ của bộ khởi động động cơ xác nhận vị trí của công tắc tơ nhưng không xác nhận lưu lượng khí. Công tắc tốc độ quạt xác nhận sự quay nhưng không xác nhận khả năng hút đủ. Có thể cần nhiều điều kiện kết hợp.

Các liên động phải chống được việc bỏ qua trái phép. Nếu cần tạm thời bỏ qua một chức năng, phải kiểm soát việc đó bằng phê duyệt, giới hạn thời gian, cảnh báo và bàn giao ca. HMI phải hiển thị chức năng đang bị bỏ qua và rủi ro còn lại.

Xử lý mất điện và mất liên lạc

Hãy lập tài liệu về phản ứng an toàn khi bộ điều khiển khởi động lại, mất mạng, thiết bị đo hỏng và mất điện một phần. Các đầu ra không được tự động trở lại một trình tự nguy hiểm. Các trạng thái lưu giữ cần được xem xét cẩn thận vì các lệnh đã lưu có thể khởi động lại thiết bị sau khi điều kiện khởi phát đã thay đổi.

Chẩn đoán mạng có thể hỗ trợ bảo trì, nhưng chức năng bảo vệ không nên phụ thuộc vào mạng văn phòng hoặc kết nối đám mây. Chức năng tác động cục bộ phải vẫn khả dụng ở những nơi thời gian phản ứng hoặc mức độ nghiêm trọng của mối nguy đòi hỏi điều đó.

Xây dựng cảnh báo mà người vận hành có thể sử dụng

Một cảnh báo phải xác định chức năng kiểm soát bị lỗi và phản ứng cần thiết. Các thông báo như “lỗi hệ thống bụi” cung cấp rất ít hướng dẫn. Hãy nêu rõ vấn đề là lưu lượng hút thấp, áp suất chênh lệch cao, xả bị lỗi, nhiệt độ ổ trục cao hay mất tín hiệu phản hồi.

Mức độ ưu tiên phải phản ánh hậu quả và thời gian phản ứng. Tránh làm người vận hành ngập trong các cảnh báo thứ cấp sau một lỗi khởi phát. Hãy nhóm các sự kiện liên quan nhưng vẫn bảo toàn thông tin về sự kiện đầu tiên trong chuỗi để điều tra.

Kiểm tra nhiều hơn vận hành bình thường

Việc chạy thử phải mô phỏng lỗi thiết bị đo, đường ống bị tắc, thiết bị bị kẹt, mất tín hiệu phản hồi, gián đoạn mạng và khôi phục nguồn điện. Hãy xác nhận thứ tự dừng máy, nội dung cảnh báo, dấu thời gian sự kiện, điều kiện đặt lại và cơ chế ngăn khởi động lại.

Các thử nghiệm chức năng phải nằm trong phạm vi của quy trình an toàn đã được phê duyệt. Không tạo đám mây bụi hoặc vô hiệu hóa hệ thống bảo vệ để chứng minh một cảnh báo. Hãy sử dụng mô phỏng có kiểm soát, các điểm kiểm tra và phương pháp kiểm tra chứng minh được lập thành tài liệu.

Bảo trì toàn bộ chuỗi điều khiển

Việc kiểm tra phải bao quát các đường cảm biến, ống dẫn xung áp, cài đặt công tắc, dây dẫn, gioăng kín của vỏ bao che, dây dẫn nối đất, vệ sinh bộ lọc, thiết bị cô lập và các thay đổi phần mềm. Một đầu vào PLC hoạt động bình thường không chứng minh rằng tuyến truyền tín hiệu ngoài hiện trường vẫn hiệu quả.

Dữ liệu xu hướng có thể cho thấy sự suy giảm dần dần. Áp suất chênh lệch tăng, chu kỳ làm sạch kéo dài hoặc tình trạng quạt quá tải lặp lại có thể cho thấy một vấn đề đang phát triển. Dữ liệu xu hướng cần có giới hạn kỹ thuật và người chịu trách nhiệm xem xét. Không nên để chúng trở thành những biểu đồ không được theo dõi.

Sử dụng tự động hóa như một lớp bảo vệ

Hướng dẫn về bụi dễ cháy của OSHA giải thích về truyền đạt thông tin mối nguy, ngũ giác nổ và các biện pháp kiểm soát phổ biến. Nghĩa vụ tại từng cơ sở khác nhau tùy theo quyền tài phán và quy trình.

Thiết kế cuối cùng nên kết hợp dữ liệu vật liệu, phân loại khu vực, bảo vệ cơ khí, lựa chọn thiết bị điện, quy trình vận hành, vệ sinh công nghiệp, đào tạo và các chức năng điều khiển đã được kiểm tra. Tự động hóa hữu ích nhất khi giúp các điều kiện suy giảm trở nên rõ ràng và đưa quy trình về một trạng thái an toàn đã xác định.