Đồ Án 2: Thiết Kế Hệ Truyền Động Điều Khiển Động Cơ KĐB 3 Pha Trong Hệ Thống Băng Tải

Hệ thống băng tải hiện đại là một phần không thể thiếu trong tự động hóa. Chúng giúp giảm thiểu sức lao động, tăng năng suất và đảm bảo an toàn trong quá trình vận chuyển vật liệu. Băng tải được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như khai thác mỏ, chế biến thực phẩm, sản xuất ô tô và logistics. Việc tự động hóa băng tải bằng PLC và các hệ thống điều khiển khác là một xu hướng tất yếu để nâng cao hiệu quả sản xuất.

Động cơ KĐB 3 pha được lựa chọn vì tính bền bỉ, hiệu suất cao và chi phí hợp lý. Chúng có khả năng đáp ứng yêu cầu về mômen tải và tốc độ trong nhiều ứng dụng băng tải khác nhau. Việc lựa chọn đúng loại động cơ và phương pháp điều khiển là yếu tố then chốt để đảm bảo hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống. Tham khảo tài liệu gốc để biết thêm chi tiết về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ KĐB 3 pha.

Đồ án này tập trung vào thiết kế hệ truyền động bao gồm lựa chọn động cơ, tính toán truyền động, thiết kế hệ thống điều khiển và mô phỏng hệ thống. Phạm vi của đồ án bao gồm: lựa chọn động cơ phù hợp với yêu cầu của băng tải, tính toán các thông số kỹ thuật của hệ truyền động (hộp giảm tốc, khớp nối, ổ trục...), thiết kế mạch điều khiển sử dụng PLC và biến tần, xây dựng giao diện điều khiển và giám sát, mô phỏng hệ thống để kiểm tra tính đúng đắn của thiết kế.

Việc lựa chọn công suất động cơ là một bước quan trọng. Công suất động cơ phải đáp ứng được yêu cầu về mômen tải và tốc độ của băng tải. Các yếu tố ảnh hưởng đến việc lựa chọn công suất bao gồm: tải trọng của băng tải, tốc độ vận chuyển, chiều dài băng tải, độ dốc của băng tải, hệ số ma sát, hiệu suất của hệ truyền động, và dự phòng công suất. Lựa chọn công suất quá nhỏ sẽ dẫn đến quá tải và hư hỏng động cơ, trong khi lựa chọn công suất quá lớn sẽ gây lãng phí năng lượng và tăng chi phí đầu tư.

Momen tải thay đổi có thể gây ra rung động và ảnh hưởng đến độ bền của hệ thống. Đặc biệt, khi băng tải vận chuyển các vật liệu có khối lượng lớn hoặc có sự thay đổi đột ngột về tải trọng, momen tải sẽ dao động mạnh. Việc thiết kế hệ thống điều khiển phải đảm bảo khả năng bù trừ các dao động này để duy trì tốc độ ổn định và giảm thiểu ứng suất lên các bộ phận cơ khí.

Tiết kiệm năng lượng là một yếu tố quan trọng trong thiết kế hệ truyền động. Việc sử dụng các phương pháp điều khiển hiện đại như điều khiển vector, điều khiển PID và sử dụng biến tần có thể giúp giảm thiểu năng lượng tiêu thụ. Ngoài ra, việc lựa chọn các thiết bị có tuổi thọ cao, thiết kế hệ thống bảo trì dễ dàng và thực hiện bảo trì định kỳ cũng giúp giảm thiểu chi phí bảo trì.

Phương pháp điều khiển U/f là một phương pháp phổ biến để điều khiển tốc độ động cơ KĐB 3 pha. Phương pháp này giữ cho tỷ lệ giữa điện áp và tần số không đổi, giúp duy trì momen động cơ ổn định. Biến tần VFD-C200 được sử dụng để thay đổi tần số và điện áp của nguồn cung cấp cho động cơ. Cần chú ý cài đặt các thông số cơ bản của biến tần như điện áp định mức, tần số định mức, dòng điện định mức, và các thông số bảo vệ.

PLC S7-200 được sử dụng để lập trình và điều khiển hệ thống. PLC nhận tín hiệu từ Encoder, tính toán tốc độ thực tế của động cơ, so sánh với tốc độ đặt và điều khiển biến tần để điều chỉnh tốc độ động cơ. Chương trình điều khiển được viết bằng ngôn ngữ Ladder (hoặc các ngôn ngữ lập trình khác) và nạp vào PLC.

Encoder được sử dụng để đo tốc độ thực tế của động cơ. Tín hiệu từ Encoder được đưa về PLC để so sánh với tốc độ đặt và điều chỉnh biến tần. Việc sử dụng Encoder giúp nâng cao độ chính xác của hệ thống điều khiển và đảm bảo tốc độ động cơ luôn ổn định.

Sơ đồ kết nối phần cứng cần thể hiện rõ các kết nối giữa PLC, biến tần, Encoder, động cơ và các thiết bị khác. Cần chú ý đến các yêu cầu về điện áp, dòng điện và giao thức truyền thông của từng thiết bị. Sơ đồ cần được vẽ chi tiết, dễ hiểu và tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật.

Giao diện điều khiển và giám sát WinCC cho phép người vận hành theo dõi các thông số hoạt động của hệ thống như tốc độ động cơ, dòng điện, điện áp, và các trạng thái hoạt động khác. Giao diện cũng cung cấp các chức năng điều khiển như đặt tốc độ, khởi động, dừng động cơ, và các chức năng bảo vệ. Cần thiết kế giao diện trực quan, dễ sử dụng và cung cấp đầy đủ thông tin cần thiết cho người vận hành.

Giao diện WinCC cần hiển thị các dữ liệu vận hành quan trọng của hệ thống băng tải, chẳng hạn như tốc độ, lưu lượng, tải trọng và thời gian hoạt động. Dữ liệu này có thể được lưu trữ và phân tích để đánh giá hiệu suất của hệ thống và phát hiện các vấn đề tiềm ẩn. Chức năng quản lý dữ liệu cần đảm bảo tính toàn vẹn và bảo mật của dữ liệu.

Mô hình mô phỏng cần phản ánh chính xác các đặc tính của động cơ KĐB 3 pha và hệ thống băng tải. Có thể sử dụng các khối mô hình sẵn có trong Simulink hoặc xây dựng các khối mô hình tùy chỉnh. Cần chú ý đến các thông số kỹ thuật của động cơ và băng tải như momen quán tính, hệ số ma sát, và các thông số điều khiển.

Thuật toán điều khiển (ví dụ, điều khiển PID) cần được kiểm tra và tối ưu hóa trong Simulink. Mục tiêu là tìm ra các thông số PID phù hợp để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định, đáp ứng nhanh và giảm thiểu sai số. Có thể sử dụng các công cụ tối ưu hóa trong Simulink để tìm ra các thông số PID tối ưu.

Kết quả mô phỏng cần được phân tích để đánh giá hiệu suất của hệ thống. Các chỉ số đánh giá bao gồm thời gian đáp ứng, độ quá điều chỉnh, sai số, và độ ổn định. Nếu hiệu suất chưa đạt yêu cầu, cần điều chỉnh các thông số của mô hình hoặc thuật toán điều khiển và thực hiện lại mô phỏng.

Đồ án đã đạt được các kết quả sau: thiết kế hệ thống truyền động điều khiển động cơ KĐB 3 pha cho băng tải, xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống, kiểm tra và tối ưu thuật toán điều khiển. Tuy nhiên, đồ án vẫn còn một số hạn chế như: chưa xem xét đến ảnh hưởng của các yếu tố môi trường, chưa đánh giá chi tiết về độ bền và tuổi thọ của hệ thống.

Trong tương lai, có thể nghiên cứu các phương pháp điều khiển tiên tiến hơn như điều khiển vector, điều khiển thích nghi. Ngoài ra, việc ứng dụng các công nghệ mới như Internet of Things (IoT) có thể giúp nâng cao khả năng giám sát, điều khiển và bảo trì hệ thống từ xa. Hệ thống băng tải có thể kết nối với Internet để thu thập dữ liệu, phân tích hiệu suất và dự đoán các sự cố tiềm ẩn.

Để tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng, có thể đề xuất các giải pháp sau: sử dụng động cơ có hiệu suất cao, tối ưu hóa thuật toán điều khiển, giảm thiểu ma sát trong hệ thống truyền động, sử dụng hệ thống tái tạo năng lượng. Việc áp dụng các giải pháp này có thể giúp giảm thiểu chi phí vận hành và bảo vệ môi trường.