Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế công nghiệp hóa và hiện đại hóa, các ngành sản xuất vật liệu xây dựng và chế biến polymer tại Việt Nam đòi hỏi mức độ tự động hóa ngày càng cao nhằm nâng cao năng suất, độ chính xác và chất lượng sản phẩm. Công nghệ gia công đùn ép nhựa là một trong những dây chuyền phức tạp, trong đó hệ thống truyền động điện và điều khiển nhiệt độ đóng vai trò quyết định đến sự ổn định của quá trình hóa dẻo cũng như chất lượng cơ lý của sản phẩm cuối cùng. Để vận hành, khai thác và bảo dưỡng hiệu quả các dây chuyền hiện đại này, đòi hỏi cán bộ kỹ thuật phải nắm vững nguyên lý hoạt động cơ - điện kết hợp.

Đồ án tốt nghiệp đại học chuyên ngành Điện Tự Động Công Nghiệp của tác giả Vũ Thọ Mạnh (Trường Đại học Dân lập Hải Phòng, năm 2019) thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu:

  1. Tìm hiểu, phân loại và hệ thống hóa nguyên lý công nghệ đùn ép sản phẩm nhựa và máy ép nhựa trong công nghiệp.
  2. Khảo sát cấu tạo cơ khí, nguyên lý hoạt động của máy đùn trục vít đơn, trục vít đôi và máy ép phun thủy lực.
  3. Phân tích chi tiết hệ thống truyền động điện, mạch điều khiển nhiệt độ và các cơ cấu bảo vệ trên dây chuyền máy ép đùn sản xuất ống nhựa thực tế KMD2-50KK.
  4. Tổng hợp quy trình vận hành chạy máy, các sự cố cảnh báo lỗi thường gặp và quy chuẩn an toàn lao động.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Nguyên lý hoạt động của máy đùn trục vít, máy ép phun thủy lực; cấu trúc mạch động lực và điều khiển của dây chuyền máy ép đùn KMD2-50KK.
  • Phạm vi không gian và thời gian: Đề tài được triển khai trong khuôn khổ đồ án tốt nghiệp 12 tuần (năm 2018 - 2019) tại Khoa Điện - Tự động công nghiệp, Trường Đại học Dân lập Hải Phòng, dựa trên các tài liệu kỹ thuật và khảo sát dây chuyền sản xuất ống nhựa công nghiệp thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án áp dụng các nguyên lý biến đổi trạng thái nhiệt dẻo của vật liệu polymer và lý thuyết truyền động điện - tự động hóa công nghiệp:

  • Khung lý thuyết công nghệ polymer: Quá trình chuyển pha của hạt nhựa từ thể rắn sang trạng thái mềm cao và chảy nhớt dưới tác dụng của nhiệt độ cấp từ điện trở sấy và ma sát cắt xé của trục vít; lý thuyết định hướng mạch phân tử polymer trong quá trình kéo căng màng/ống.
  • Khung lý thuyết điều khiển và truyền động điện: Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ điện một chiều kích từ độc lập bằng bộ biến đổi chỉnh lưu Tiristor 6 xung; nguyên lý điều khiển nhiệt độ vòng kín bằng phương pháp so sánh tín hiệu cảm biến cặp nhiệt ngẫu với giá trị đặt để kích đóng/cắt Triac; hệ thống điều khiển trung tâm sử dụng khối điều khiển công nghiệp MC4 và giao tiếp máy tính điều hành.
  • Phương pháp nghiên cứu:
    • Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Thu thập, phân loại các sơ đồ nguyên lý, cấu tạo cơ khí máy đùn trục vít, khuôn kẹp và hệ thống thủy lực.
    • Phương pháp phân tích sơ đồ mạch kỹ thuật: Bóc tách sơ đồ nguyên lý mạch động lực và mạch điều khiển của dây chuyền máy đùn KMD2-50KK, phân tích tương tác giữa các phần tử cảm biến, rơle, bộ vi xử lý và thiết bị chấp hành.
  • Nguồn dữ liệu: Tài liệu kỹ thuật chuyên ngành máy gia công polymer, tài liệu hướng dẫn vận hành và sơ đồ đấu nối mạch điện của dây chuyền máy sản xuất nhựa KMD2-50KK.

Thiết kế và phân tích kỹ thuật hệ thống

Đồ án tập trung đi sâu phân tích hệ thống điều khiển nhiệt độ, mạch truyền động điện động cơ chính và cơ cấu bảo vệ áp suất trên dây chuyền máy đùn hai trục vít KMD2-50KK:

1. Hệ thống điều khiển nhiệt độ đa vùng

Máy đùn KMD2-50KK được chia thành 9 vùng nhiệt độ độc lập với công suất sấy và cảm biến riêng biệt:

  • Thân xilanh nhiệt (Vùng 1 đến 4): Sử dụng các vòng nhiệt điện trở bọc ngoài thân xilanh, được điều khiển bằng Triac.
    • Khoang 1: Vòng nhiệt 11-R1, 11-R2, 11-R3 với tổng công suất $P_{\text{max}} = 6\text{ kW}$.
    • Khoang 2: Vòng nhiệt 12-R1 với công suất $P_{\text{max}} = 2{,}4\text{ kW}$.
    • Khoang 3: Vòng nhiệt 13-R1 với công suất $P_{\text{max}} = 2{,}6\text{ kW}$.
    • Khoang 4: Vòng nhiệt 14-R1 với công suất $P_{\text{max}} = 3{,}6\text{ kW}$.
    • Làm mát xilanh: Trang bị 3 quạt gió công suất $5\text{ kW}$ tự động kích hoạt khi nhiệt độ thực tế lớn hơn nhiệt độ đặt ($t_{\text{tt}} > t_{\text{đ}}$) để tránh hiện tượng quá nhiệt do ma sát nhựa.
  • Cổ đùn và đầu hình (Vùng 5 đến 9):
    • Cổ nối (cổ đùn) gia nhiệt bằng vòng điện trở, nhiệt độ đặt từ $150^\circ\text{C} - 180^\circ\text{C}$.
    • Đầu hình gồm 6 vùng gia nhiệt với nhiệt độ đặt từ $180^\circ\text{C} - 210^\circ\text{C}$, thời gian gia nhiệt ban đầu kéo dài $3{,}5 - 4\text{ giờ}$.
  • Cấu trúc điều khiển: Các cảm biến cặp nhiệt ngẫu (11-B1 đến 14-B1, 21-B1 đến 25-B1, 20-B1, 137-B1) gửi tín hiệu tương tự (analog) về khối điều khiển MC4 (105XX/SR5XX), kết nối với máy tính PC chạy hệ điều hành OS/2 qua bộ giải mã PF100, hiển thị trên màn hình Display và điều khiển qua bàn phím 3-A507.

2. Mạch truyền động chính động cơ một chiều

Thông số / Phần tử Đặc tính kỹ thuật Chức năng trong hệ thống
Động cơ chính 1-M1 Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập: $P_{\text{đm}} = 50\text{ kW}$, $U_{\text{đm}} = 400\text{ V}$, $I_{\text{đm}} = 130\text{ A}$ Lai cặp trục vít xoắn song song ngược chiều đẩy nhựa qua lưới lọc
Mạch phần ứng Bộ biến đổi 1-A1 gồm cầu chỉnh lưu 6 Tiristor lấy nguồn từ lưới xoay chiều 3 pha Điều chỉnh trơn tốc độ động cơ chính thông qua chiết áp đặt tốc độ 1-R1
Mạch kích từ Cuộn kích từ F1-F2, cấp nguồn qua cầu chỉnh lưu 4 Diode và bộ điều khiển kích từ 1A14 Đảm bảo từ thông kích từ ổn định cho động cơ
Phản hồi tốc độ Máy phát tốc G (1-M10) nối về đầu vào X12: 7-6 của bộ điều khiển Tạo mạch phản hồi âm tốc độ giúp ổn định vận tốc quay của trục vít
Quạt làm mát động cơ Động cơ xoay chiều 3 pha M2 Thổi gió làm mát cưỡng bức cho động cơ chính 1-M1

3. Hệ thống bảo vệ áp suất dòng nhựa 2 cấp độ

Tại các vùng tạo hình ống (vùng 5 đến vùng 9), áp suất nhựa được kiểm soát nghiêm ngặt bằng khối cảm biến áp suất 138-N1 kết hợp khối xử lý 138-P1:

  • Báo động mức 1 (áp suất đạt $340\text{ bar}$): Mạch ALARM 1 (chân 14-15) đóng tiếp điểm phát tín hiệu cảnh báo. Người vận hành phải can thiệp: tăng nhiệt độ đầu hình, giảm tốc độ quay trục vít, hoặc giảm tốc độ thiết bị định lượng cấp liệu (Metering Unit).
  • Báo động mức 2 (áp suất vượt quá $370\text{ bar}$): Mạch ALARM 2 (chân 12-13) tác động ngắt tín hiệu điều khiển động cơ chính 1-M1, ngắt quạt gió, bơm chân không, bơm dầu cân bằng nhiệt xilanh - trục vít, dừng khẩn cấp toàn bộ hệ thống để bảo vệ thiết bị.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu về công nghệ đùn ép nhựa

Chương này giới thiệu nguyên lý cơ bản của công nghệ ép đùn sản phẩm nhựa dạng ống (ống PVC, HDPE, PPR) và dạng tấm phẳng (màng PP, máng luồn dây điện). Tác giả trình bày chi tiết lưu đồ công nghệ sản xuất ống nhựa khép kín qua 10 công đoạn:

Silo chứa & Bơm hút liệu -> Phễu cấp liệu -> Xilanh nhiệt & Trục vít -> Lưới lọc -> Đĩa chia 8 cánh -> Khuôn đùn -> Bể hút chân không & làm lạnh -> Máy in phun -> Dàn kéo -> Bàn cưa tự động -> Máy nong đầu ống -> Nhập kho / Tái chế
  • Đùn tạo hình: Nhựa PVC/HDPE được gia nhiệt trong xilanh ở khoảng nhiệt độ từ $170^\circ\text{C} - 200^\circ\text{C}$, đi qua lưới lọc kim loại để loại bỏ tạp chất, sau đó qua đĩa chia 8 cánh nhằm tăng độ trộn đều trước khi vào khuôn tạo hình có các gờ lồi lõm tăng áp lực nén.
  • Hút chân không và làm lạnh: Ống nóng ra khỏi đầu hình đi vào bể chân không có chênh lệch áp suất với khí quyển để định hình kích thước chính xác, kết hợp hệ thống phun tia nước lạnh từ $15^\circ\text{C} - 18^\circ\text{C}$.
  • In, kéo, cắt và nong ống: Máy in phun công nghiệp (sử dụng dòng máy Jaime 1000 hoặc Zanasi của Pháp) in nhãn hiệu và quy cách; dàn kéo điều chỉnh tốc độ đồng bộ với động cơ đùn để kiểm soát chiều dày thành ống; bàn cưa tự động cắt đoạn chuẩn $4\text{ m}$ (đối với ống PVC) hoặc theo đơn đặt hàng; máy nong đầu ống gia nhiệt bằng điện trở lên $180^\circ\text{C}$ để thực hiện nong trơn (không tiến Banh) hoặc nong gioăng (tiến Banh).

Chương 2: Máy đùn nhựa

Chương 2 phân tích chuyên sâu cấu tạo cơ khí và các thông số hình học của máy đùn trục vít (Extruder):

  • Cấu tạo xy lanh và trục vít: Nòng xilanh làm bằng thép hợp kim chịu mài mòn, độ dày từ $10 - 15\text{ mm}$, có cửa nhập liệu kích thước $1D \times 2D$ kèm rãnh dọc khoảng $3D$ để chống trượt hạt nhựa. Xilanh có các lỗ thoát hơi ẩm đường kính $0{,}2\text{ mm}$ nối với buồng chân không.
  • Phân vùng trục vít: Trục vít được chia thành 3 vùng công nghệ: vùng nạp liệu (vận chuyển hạt rắn), vùng nén ép (nhựa hóa) và vùng định lượng (phối liệu có đĩa nhựa hóa dạng bánh răng cắt xé).
  • Thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của trục vít:
    • Tỷ số chiều dài trên đường kính ($L/D$): đối với nhựa từ $16 - 36$ (riêng gia công PVC yêu cầu $L/D = 30 - 40$; cao su $L/D = 5 - 7$).
    • Tỷ lệ nén ép: từ $2{,}5 - 5$ đối với nhựa ($1{,}3 - 1{,}5$ đối với cao su).
Đường kính trục vít $D$ (mm) Chiều sâu rãnh cấp liệu $H_1$ (mm) Bước răng cánh vít $A$ Đường kính lõi vít $D_0$
32 4 $0{,}1D$ $D - 2H_1$
45 6 $0{,}1D$ $D - 2H_1$
60 8 - 10 $0{,}1D$ $D - 2H_1$
90 16 - 18 $0{,}1D$ $D - 2H_1$
120 22 - 25 $0{,}1D$ $D - 2H_1$
150 30 - 35 $0{,}1D$ $D - 2H_1$
  • Máy đùn hai trục vít: Phân loại vít đôi song song và vít đôi côn (quay cùng chiều hoặc ngược chiều). Máy vít đôi có ưu thế vượt trội về khả năng tự làm sạch, trộn đều bột nhựa PVC và tiết kiệm năng lượng.
  • Các công nghệ gia công đùn khác:
    • Màng mỏng dạng ống: Kéo màng lên cao cách đầu hình $1{,}8 - 5\text{ m}$, làm mát bằng vòng gió thổi xuôi; kiểm soát hiện tượng "Blocking" (dính màng).
    • Sợi dệt bao bì PP: Tỷ lệ trộn gồm PP nguyên chất + 10% PP tái sinh + 10% phụ gia ($\text{CaCO}_3$, $\text{TiO}_2$, chất tạo màu MP, Pigment), đùn ở $230^\circ\text{C}$, qua dàn hấp kéo căng ở $130^\circ\text{C} - 150^\circ\text{C}$ và dàn 8 trục kéo định hướng.
    • Phân loại độ dày màng/tấm: Tấm phẳng ($\text{plate} > 3\text{ mm}$), tấm mỏng ($\text{sheet}$ từ $0{,}2 - 3\text{ mm}$), màng mỏng ($\text{film} < 0{,}2\text{ mm}$).
    • Công nghệ in bao bì: In trục đồng (in liên tục tốc độ cao) và in lụa (in gián đoạn từng lượt).

Chương 3: Máy ép nhựa, cấu tạo và phân loại máy ép nhựa

Chương 3 trình bày cấu tạo máy ép phun thủy lực và đi sâu vào phân tích hệ thống điều khiển của dây chuyền máy ép đùn KMD2-50KK:

  • Máy ép phun thủy lực: Cấu tạo gồm cụm phun - hóa dẻo (phễu Hopper, xilanh Barrel, các vòng gia nhiệt Heater band, bộ hồi tự hở Non-return Assembly, vòi phun) và hệ thống khuôn - kẹp đóng mở bằng xilanh thủy lực, sử dụng dầu thủy lực chuyên dụng Castrol 46 làm việc ở dải nhiệt $90^\circ\text{F} - 120^\circ\text{F}$.
  • Hệ thống điều khiển máy KMD2-50KK: Phân tích chi tiết mạch gia nhiệt 9 vùng, mạch điều khiển động cơ điện một chiều chính 1-M1 ($50\text{ kW}$) bằng bộ biến đổi Tiristor 6 xung và mạch bảo vệ áp suất nhựa 2 cấp ($340\text{ bar}$ và $370\text{ bar}$) như đã trình bày trong mục thiết kế kỹ thuật.

Chương 4: Quy trình đưa công nghệ vào hoạt động và công tác sửa chữa bảo dưỡng

Chương 4 tổng kết các bước vận hành an toàn và xử lý sự cố trong dây chuyền sản xuất:

  • Chuẩn bị chạy máy: Kiểm tra hệ thống cấp liệu, nguồn điện 3 pha $380\text{ V} - 50\text{ Hz}$, biến áp điều khiển $220\text{ V}$ ($O-T1$) và nguồn $24\text{ V}$ ($1-Q6$). Bật gia nhiệt xilanh và đầu hình đủ thời gian quy định ($3 - 4\text{ giờ}$), kiểm tra nhiệt độ đạt điểm đặt trước khi cho phép khởi động động cơ truyền động chính.
  • Xử lý sự cố cảnh báo lỗi: Theo dõi đèn báo lỗi nhiệt độ, cảnh báo quá nhiệt động cơ chính qua rơle nhiệt $1-R11$, báo động áp suất dòng nhựa mức 1 ($340\text{ bar}$) và mức 2 ($>370\text{ bar}$).
  • An toàn lao động: Quy định an toàn điện, an toàn nhiệt bề mặt xilanh/đầu đùn, an toàn áp lực dầu thủy lực và an toàn cơ học tại khu vực dàn kéo - bàn cưa cắt tự động.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả kỹ thuật:
    • Hệ thống hóa toàn diện các thông số hình học, tỷ lệ nén ép ($2{,}5 - 5$), tỷ số $L/D$ ($30 - 40$ cho PVC) và các quy chuẩn nhiệt độ của quá trình đùn ép hạt nhựa nhiệt dẻo.
    • Phân tích và làm rõ sơ đồ nguyên lý mạch điện động lực và điều khiển của dây chuyền máy đùn hai trục vít KMD2-50KK, bao gồm mạch chỉnh lưu 6 Tiristor điều khiển động cơ DC $50\text{ kW}$, hệ thống gia nhiệt 9 vùng điều khiển bằng Triac và logic bảo vệ áp suất 2 cấp ($340\text{ bar}$ và $>370\text{ bar}$).
    • Mô tả đầy đủ quy trình công nghệ 10 bước sản xuất ống nhựa từ nguyên liệu hạt đến sản phẩm nong đầu thành phẩm.
  • Đóng góp của tác giả: Tổng hợp mối liên hệ chặt chẽ giữa thông số công nghệ nhiệt - cơ học với hệ thống truyền động điện tự động hóa, cung cấp tài liệu kỹ thuật chi tiết phục vụ việc tìm hiểu, vận hành và khắc phục sự cố trên dây chuyền máy đùn công nghiệp thực tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Đồ án dừng lại ở mức độ nghiên cứu, khảo sát, phân tích nguyên lý cấu tạo cơ khí và sơ đồ mạch điện sẵn có của máy đùn KMD2-50KK; chưa xây dựng mô hình toán học mô phỏng động học quá trình chảy dẻo polymer, chưa tính toán thiết kế mới bộ điều khiển số hoặc thuật toán tối ưu hóa năng lượng cho hệ thống truyền động.
  • Hướng nghiên cứu mở rộng: Nghiên cứu nâng cấp hệ thống điều khiển trung tâm từ nền tảng cũ (MC4 / PC OS/2) sang các bộ điều khiển lập trình PLC hiện đại (như Siemens S7-1200/1500) kết hợp màn hình cảm ứng HMI; ứng dụng biến tần điều khiển động cơ xoay chiều thay thế động cơ một chiều 1-M1 để nâng cao hiệu suất và tiết kiệm điện năng.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng tham khảo: Sinh viên, học viên chuyên ngành Điện Tự Động Công Nghiệp, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Vật liệu/Chế tạo máy gia công polymer.
  • Nội dung giá trị nhất:
    • Bảng tra cứu kích thước hình học trục vít và tỷ số công nghệ đùn ở Chương 2.
    • Sơ đồ phân tích mạch điều khiển nhiệt độ Triac và mạch chỉnh lưu Tiristor điều khiển động cơ DC $50\text{ kW}$ trên máy KMD2-50KK ở Chương 3.
    • Lưu đồ công nghệ và quy trình xử lý sự cố dây chuyền sản xuất ống nhựa ở Chương 1 và Chương 4.

Câu hỏi thường gặp

1. Áp suất dòng nhựa trên máy đùn KMD2-50KK được giám sát và bảo vệ theo các ngưỡng nào?

Hệ thống sử dụng cảm biến áp suất 138-N1 và bộ xử lý 138-P1 để bảo vệ 2 mức:

  • Mức 1 ($340\text{ bar}$): Bật cảnh báo ALARM 1, người vận hành phải tăng nhiệt độ đầu hình, giảm tốc độ quay trục vít xoắn hoặc giảm tốc độ cấp liệu.
  • Mức 2 ($> 370\text{ bar}$): Kích hoạt ALARM 2 ngắt ngay tín hiệu điều khiển động cơ chính 1-M1, bơm dầu và quạt gió, dừng toàn bộ dây chuyền khẩn cấp.

2. Động cơ truyền động chính của máy KMD2-50KK có thông số kỹ thuật và mạch cấp nguồn như thế nào?

Động cơ chính 1-M1 là động cơ điện một chiều kích từ độc lập có công suất định mức $P_{\text{đm}} = 50\text{ kW}$, điện áp $U_{\text{đm}} = 400\text{ V}$, dòng điện $I_{\text{đm}} = 130\text{ A}$. Mạch phần ứng được cấp nguồn từ lưới xoay chiều qua bộ biến đổi 1-A1 dùng cầu chỉnh lưu 6 Tiristor (điều khiển bằng chiết áp 1-R1 và phản hồi âm tốc độ từ máy phát tốc G 1-M10); mạch kích từ được cấp nguồn qua cầu chỉnh lưu 4 Diode điều khiển bởi bộ 1A14.

3. Tại sao trong quy trình đùn ống PVC, dòng nhựa nóng chảy phải đi qua đĩa chia 8 cánh trước khi vào đầu tạo hình?

Đĩa chia 8 cánh được bố trí sau lưới lọc kim loại nhằm tăng cường độ trộn đồng đều của hỗn hợp hạt nhựa và phụ gia sau khi hóa dẻo, phá vỡ các dòng chảy không đồng nhất trước khi nhựa đi vào vùng khuôn ép đùn, đảm bảo độ nén ép và độ bóng bề mặt của thành ống.

4. Thành phần phối trộn nguyên liệu trong quy trình sản xuất sợi dệt bao bì PP gồm những gì?

Quy trình sản xuất bao bì PP được phối trộn theo tỷ lệ: hạt nhựa PP nguyên chất kết hợp 10% PP tái sinh, 10% phụ gia ($\text{CaCO}_3$, $\text{TiO}_2$) cùng các hợp chất tạo màu (MP, Pigment và Titanium Dioxide), sau đó được nung chảy ở nhiệt độ $230^\circ\text{C}$ và hấp định hình ở $130^\circ\text{C} - 150^\circ\text{C}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Vũ Thọ Mạnh đã hoàn thành xuất sắc mục tiêu nghiên cứu và phân tích toàn diện nguyên lý hoạt động của máy đùn ép nhựa công nghiệp, trọng tâm là dây chuyền máy đùn hai trục vít KMD2-50KK. Tác giả đã bóc tách chi tiết mối liên kết giữa công nghệ hóa dẻo vật liệu với cấu tạo cơ khí trục vít và hệ thống truyền động điện - điều khiển nhiệt độ tự động. Công trình là tài liệu tham khảo kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao cho sinh viên ngành Điện Tự Động Công Nghiệp và kỹ sư vận hành nhà máy sản xuất ống nhựa.