Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, tự động hóa và điều khiển chính xác các thiết bị máy móc đóng vai trò then chốt trong nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Máy gạt phôi thép là thiết bị quan trọng trong các nhà máy luyện thép quy mô lớn, chịu tải nặng và làm việc trong môi trường nhiệt độ cao từ 300 đến 600°C. Việc vận hành máy gạt phôi hiệu quả không chỉ giúp giảm sức lao động mà còn đảm bảo chất lượng phôi thép, tránh cong vênh, tăng độ bền sản phẩm đầu ra. Nghiên cứu tập trung vào điều khiển truyền động máy gạt phôi bằng module PID mềm của PLC S7-300 nhằm tối ưu hóa quá trình vận hành, nâng cao độ chính xác và ổn định tốc độ động cơ.

Mục tiêu nghiên cứu là thiết kế và triển khai hệ thống điều khiển truyền động xe gạt phôi sử dụng bộ điều khiển PID mềm tích hợp trong PLC S7-300, kết hợp với biến tần Siemens M440 để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha công suất 45 kW. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống máy gạt phôi tại nhà máy gang thép Lào Cai, với thời gian khảo sát và phát triển trong năm 2015. Nghiên cứu có ý nghĩa lớn trong việc ứng dụng công nghệ điều khiển hiện đại vào tự động hóa công nghiệp luyện kim, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm thiểu sự cố kỹ thuật.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: điều khiển PID và điều khiển vector động cơ không đồng bộ ba pha.

  • Điều khiển PID mềm trong PLC S7-300: Module PID mềm FB41 (CONT_C) được sử dụng để điều khiển liên tục các biến quá trình như tốc độ động cơ. Bộ điều khiển này cho phép tùy chỉnh các tham số tỷ lệ (P), tích phân (I), và vi phân (D) nhằm đạt được độ ổn định và đáp ứng nhanh cho hệ thống truyền động.

  • Điều khiển vector động cơ không đồng bộ: Phương pháp điều khiển vector dựa trên mô hình động cơ không đồng bộ ba pha dưới dạng vector không gian, cho phép điều khiển độc lập thành phần dòng điện sinh từ thông và momen. Điều này giúp hệ thống truyền động đạt đặc tính tĩnh và động tương đương động cơ một chiều, nâng cao hiệu quả điều khiển tốc độ và momen.

Các khái niệm chính bao gồm: biến tần Siemens M440, máy phát tốc một chiều dùng làm cảm biến phản hồi tốc độ, cảm biến tiệm cận để xác định vị trí và điểm biến tốc, và các module mở rộng của PLC S7-300 như module analog input/output, module chức năng PID.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ hệ thống máy gạt phôi thực tế tại nhà máy gang thép Lào Cai, bao gồm các thông số kỹ thuật động cơ, biến tần, cảm biến và tín hiệu phản hồi. Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ hệ thống truyền động xe gạt phôi với các điểm đo tốc độ, dòng điện và vị trí xe gạt.

Phương pháp phân tích sử dụng mô phỏng và thực nghiệm trên hệ thống điều khiển PLC S7-300 với module PID mềm FB41, kết hợp với biến tần Siemens M440 để điều chỉnh tốc độ động cơ. Quá trình nghiên cứu được thực hiện theo timeline gồm khảo sát hiện trạng, thiết kế chương trình điều khiển, lập trình PLC, thử nghiệm và hiệu chỉnh tham số PID, đánh giá hiệu quả điều khiển.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Độ ổn định tốc độ động cơ được cải thiện rõ rệt: Sau khi áp dụng module PID mềm FB41, tốc độ động cơ được duy trì ổn định trong khoảng ±2% so với giá trị đặt, giảm đáng kể so với điều khiển truyền thống không có PID.

  2. Thời gian đáp ứng nhanh hơn 30%: Hệ thống điều khiển mới giúp xe gạt phôi đạt tốc độ mong muốn nhanh hơn, giảm thời gian tăng tốc và giảm tốc, góp phần nâng cao năng suất vận chuyển phôi.

  3. Giảm dao động và rung lắc trong quá trình vận hành: Nhờ điều khiển vector và PID, các dao động tốc độ và dòng điện giảm khoảng 25%, giúp bảo vệ động cơ và cơ cấu truyền động khỏi hư hỏng sớm.

  4. Tăng hiệu quả làm việc của máy gạt phôi: Việc điều khiển chính xác giúp đồng bộ với quá trình lật phôi và vận chuyển, giảm thiểu sai lệch vị trí xe gạt phôi, nâng cao chất lượng phôi thép đầu ra.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện là do module PID mềm FB41 cho phép điều chỉnh linh hoạt các tham số điều khiển, kết hợp với phản hồi tốc độ từ máy phát tốc một chiều và tín hiệu vị trí từ cảm biến tiệm cận. So với các nghiên cứu trước đây chỉ sử dụng điều khiển ON/OFF hoặc điều khiển tần số đơn giản, hệ thống này cho phép điều khiển chính xác hơn, giảm thiểu dao động và tăng độ bền thiết bị.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ tốc độ động cơ theo thời gian, biểu đồ dòng điện và biểu đồ vị trí xe gạt phôi, minh họa sự ổn định và đáp ứng nhanh của hệ thống. Bảng so sánh hiệu suất trước và sau khi áp dụng điều khiển PID cũng làm rõ hiệu quả của giải pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai rộng rãi module PID mềm trong các hệ thống truyền động công nghiệp: Động từ hành động "ứng dụng" nhằm nâng cao độ ổn định tốc độ và giảm thiểu hao mòn thiết bị, thực hiện trong vòng 6 tháng tới, do phòng kỹ thuật tự động hóa chịu trách nhiệm.

  2. Tối ưu hóa tham số PID theo từng điều kiện vận hành cụ thể: Đề xuất "hiệu chỉnh" tham số PID định kỳ để phù hợp với tải và nhiệt độ môi trường, thực hiện hàng quý, do đội ngũ vận hành và bảo trì thực hiện.

  3. Nâng cấp hệ thống cảm biến phản hồi tốc độ và vị trí: Khuyến nghị "cải tiến" chất lượng cảm biến tiệm cận và máy phát tốc để tăng độ chính xác, thực hiện trong 12 tháng, phối hợp giữa phòng kỹ thuật và nhà cung cấp thiết bị.

  4. Đào tạo nhân viên vận hành và bảo trì về công nghệ điều khiển hiện đại: Đề xuất "tổ chức" các khóa đào tạo chuyên sâu về PLC S7-300 và module PID mềm, nhằm nâng cao năng lực vận hành, thực hiện liên tục hàng năm, do phòng nhân sự phối hợp với chuyên gia kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư tự động hóa và điều khiển công nghiệp: Nắm bắt kiến thức về ứng dụng module PID mềm trong PLC S7-300 và điều khiển vector động cơ, áp dụng vào thiết kế và vận hành hệ thống truyền động.

  2. Nhà quản lý sản xuất trong ngành luyện kim: Hiểu rõ về vai trò của tự động hóa trong nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm, từ đó đưa ra các quyết định đầu tư hợp lý.

  3. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Tài liệu tham khảo thực tiễn về thiết kế, lập trình và hiệu chỉnh hệ thống điều khiển truyền động công nghiệp.

  4. Nhà cung cấp thiết bị công nghiệp và dịch vụ bảo trì: Cập nhật công nghệ điều khiển hiện đại, nâng cao chất lượng dịch vụ tư vấn, lắp đặt và bảo trì hệ thống truyền động.

Câu hỏi thường gặp

  1. Module PID mềm FB41 trong PLC S7-300 có ưu điểm gì so với bộ điều khiển PID rời?
    Module PID mềm tích hợp trực tiếp trong PLC giúp giảm chi phí phần cứng, tăng tính linh hoạt trong lập trình và dễ dàng hiệu chỉnh tham số, đồng thời đảm bảo tốc độ xử lý nhanh và độ ổn định cao.

  2. Tại sao chọn điều khiển vector cho động cơ không đồng bộ ba pha?
    Điều khiển vector cho phép điều khiển độc lập dòng điện sinh từ thông và momen, giúp đạt đặc tính tương đương động cơ một chiều, nâng cao hiệu suất và độ chính xác trong điều khiển tốc độ và momen.

  3. Máy phát tốc một chiều được sử dụng như thế nào trong hệ thống?
    Máy phát tốc một chiều cung cấp tín hiệu điện áp DC tỷ lệ thuận với tốc độ động cơ, làm tín hiệu phản hồi cho bộ điều khiển PID nhằm duy trì tốc độ ổn định và chính xác.

  4. Làm thế nào để hiệu chỉnh tham số PID phù hợp với hệ thống?
    Hiệu chỉnh tham số PID được thực hiện bằng phương pháp thử và sai, hoặc sử dụng các thuật toán tối ưu hóa tham số dựa trên mô hình hệ thống, nhằm đạt được đáp ứng nhanh, ổn định và ít dao động.

  5. Cảm biến tiệm cận có vai trò gì trong điều khiển máy gạt phôi?
    Cảm biến tiệm cận xác định vị trí xe gạt phôi và các điểm biến tốc, giúp điều khiển thay đổi tốc độ động cơ chính xác theo vị trí, đồng bộ với quá trình lật phôi và vận chuyển.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã thành công trong việc thiết kế và triển khai hệ thống điều khiển truyền động máy gạt phôi bằng module PID mềm của PLC S7-300 kết hợp biến tần Siemens M440.
  • Hệ thống điều khiển mới nâng cao độ ổn định tốc độ động cơ, giảm dao động và tăng hiệu quả vận hành máy gạt phôi.
  • Phương pháp điều khiển vector được áp dụng hiệu quả, giúp điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha đạt đặc tính tương đương động cơ một chiều.
  • Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao, góp phần thúc đẩy tự động hóa trong ngành luyện kim.
  • Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm mở rộng ứng dụng, đào tạo nhân lực và nâng cấp thiết bị để tối ưu hóa hiệu quả sản xuất.

Hãy áp dụng các giải pháp điều khiển hiện đại này để nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm trong ngành công nghiệp luyện kim.