Đồ án HCMUTE: Giải pháp điều khiển và giám sát máy nhuộm vải

Đồ án nghiên cứu hcmute controlling and monitoring fabric dyeing machine, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán .

• Tác giả: Tạ Quang Minh
• Người hướng dẫn: ThS. Trương Đình Nhơn
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM
• Chuyên ngành: Tự động hóa
• Đề tài: Giải pháp điều khiển và giám sát máy nhuộm vải
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: OVERVIEW
• 2. CHƯƠNG 2: THEORETICAL BASIS
• 3. CHƯƠNG 3: DESIGNING DYEING SYSTEM
• 4. CHƯƠNG 4: ALGORITHMS AND SUPERVISION DIAGRAM
• 6. CHƯƠNG 6: CONCLUSION AND DEVELOPMENT SUGGESTIONS
• LIST OF ACRONYMS
• LIST OF CHARTS
• LIST OF FIGURES

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Ngành công nghiệp dệt may đã phát triển mạnh mẽ và đóng vai trò quan trọng trong quá trình công nghiệp hóa của nhiều quốc gia. Ngành này không chỉ tạo ra nhiều việc làm mà còn tăng cường doanh thu và liên quan chặt chẽ đến sự phát triển của nhiều ngành khác. Đặc biệt, ngành dệt may có vai trò quan trọng trong nền kinh tế thương mại quốc tế. Xuất khẩu dệt may là nguồn ngoại tệ lớn, giúp đầu tư vào máy móc và thiết bị. Tuy nhiên, ngành dệt may Việt Nam vẫn đối mặt với nhiều khó khăn như quy trình sản xuất thủ công, hệ thống nhuộm lạc hậu và thiếu nguyên liệu chất lượng cao. Để giải quyết những vấn đề này, cần có một hệ thống giám sát và điều khiển hiệu quả, giúp tăng năng suất và chất lượng sản phẩm.

1.1. Tầm quan trọng của ngành dệt may

Ngành dệt may không chỉ là một trong những ngành công nghiệp chủ lực mà còn là ngành có khả năng tạo ra giá trị gia tăng cao. Sự phát triển của ngành này không chỉ giúp tăng trưởng kinh tế mà còn góp phần vào việc cải thiện đời sống người lao động. Đặc biệt, ngành dệt may Việt Nam đã có những bước tiến đáng kể trong việc xuất khẩu sang các thị trường lớn như EU, Mỹ và Nhật Bản. Tuy nhiên, để duy trì và phát triển bền vững, ngành cần phải cải tiến công nghệ và quy trình sản xuất.

II. Giải pháp công nghệ

Giải pháp công nghệ cho việc điều khiển và giám sát máy nhuộm vải tại HCMUTE bao gồm việc sử dụng các thiết bị hiện đại như PLC CompactLogix L32E và biến tần PowerFlex 700S. Hệ thống này cho phép điều khiển và giám sát quá trình nhuộm vải một cách tự động và hiệu quả. Việc áp dụng công nghệ SCADA và HMI giúp người vận hành có thể theo dõi và điều chỉnh các thông số trong thời gian thực. Hệ thống cũng cho phép lưu trữ dữ liệu và tạo báo cáo, từ đó nâng cao hiệu suất sản xuất và giảm thiểu sai sót trong quá trình vận hành.

2.1. Hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển sử dụng PLC để quản lý các quy trình hoạt động của máy nhuộm. Các cảm biến như PT100 được sử dụng để theo dõi nhiệt độ trong bồn nhuộm, đảm bảo rằng quá trình nhuộm diễn ra trong điều kiện tối ưu. Biến tần được sử dụng để điều chỉnh tốc độ quay của trống nhuộm, từ đó nâng cao hiệu suất của quá trình nhuộm và vắt vải. Hệ thống này không chỉ giúp giảm thiểu thời gian sản xuất mà còn đảm bảo chất lượng sản phẩm đầu ra.

III. Ứng dụng thực tiễn

Việc áp dụng giải pháp điều khiển và giám sát máy nhuộm vải tại HCMUTE không chỉ mang lại lợi ích cho việc học tập và nghiên cứu mà còn có giá trị thực tiễn cao trong ngành công nghiệp dệt may. Hệ thống này giúp sinh viên có cơ hội thực hành và áp dụng kiến thức lý thuyết vào thực tế. Đồng thời, nó cũng giúp các doanh nghiệp trong ngành dệt may cải thiện quy trình sản xuất, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Việc sử dụng công nghệ hiện đại trong điều khiển và giám sát sẽ giúp ngành dệt may Việt Nam cạnh tranh tốt hơn trên thị trường quốc tế.

3.1. Lợi ích cho sinh viên

Sinh viên có cơ hội tiếp cận với công nghệ mới và thực hành trên các thiết bị hiện đại. Điều này không chỉ giúp nâng cao kỹ năng mà còn tạo điều kiện cho sinh viên phát triển tư duy sáng tạo trong việc giải quyết các vấn đề thực tiễn. Hệ thống giám sát và điều khiển cũng giúp sinh viên hiểu rõ hơn về quy trình sản xuất trong ngành dệt may, từ đó chuẩn bị tốt hơn cho sự nghiệp tương lai.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành dệt may đóng vai trò quan trọng trong chiến lược công nghiệp hóa, giải quyết việc làm và tạo nguồn thu ngoại tệ phục vụ tái đầu tư tại các quốc gia đang phát triển. Tại Việt Nam, ngành dệt may có lịch sử phát triển hơn 100 năm và đạt được những bước tiến vượt bậc trong hoạt động xuất khẩu, tiêu biểu là kim ngạch 13,8 tỷ USD vào năm 2011. Làn sóng đầu tư trực tiếp nước ngoài (FDI) từ các tập đoàn lớn như Texhong, Sunrise (Trung Quốc), Toray International, Mitsubishi (Nhật Bản) trong giai đoạn 2012 đã đưa Việt Nam tham gia sâu hơn vào chuỗi cung ứng dệt may toàn cầu, hướng đến mục tiêu tăng trưởng xuất khẩu 12–14%/năm và tỷ lệ tăng trưởng xuất khẩu 15% đến năm 2020.

Mặc dù giữ tỷ trọng xuất khẩu cao (chiếm 70–80% tổng kim ngạch), ngành dệt may trong nước đối mặt với nhiều rào cản kỹ thuật: quy trình gia công còn mang tính thủ công, dây chuyền dệt nhuộm lạc hậu, công nghệ chế biến cũ và thiếu chủ động về nguồn nguyên liệu chất lượng cao. Quá trình nhuộm vải công nghiệp đòi hỏi sự kiểm soát nghiêm ngặt các thông số công nghệ như nhiệt độ dung dịch, tốc độ quay lồng giặt/nhuộm, tỷ lệ phối màu và lưu lượng hóa chất. Việc thiếu vắng hệ thống điều khiển tự động hóa và giám sát tập trung dẫn đến sai lệch màu sắc, giảm năng suất và tiêu hao nhiều tài nguyên.

Nhằm giải quyết bài toán trên ở quy mô thực nghiệm, đồ án tốt nghiệp tập trung vào các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu sau:

1. Nghiên cứu công nghệ nhuộm vải thực tế, quy trình hoàn tất sợi dệt và các giải thuật điều khiển công nghiệp.
2. Thiết kế và chế tạo mô hình máy nhuộm vải tự động hóa kích thước nhỏ (mini size) phục vụ nghiên cứu và thực hành trong phòng thí nghiệm.
3. Tích hợp hệ thống điều khiển tự động 4 công đoạn: phối màu tự động, ngâm hấp phụ, nhuộm khuếch tán và vắt/làm khô.
4. Xây dựng giải thuật điều khiển nhiệt độ chính xác bằng thuật toán PID và điều khiển tốc độ động cơ lồng nhuộm bằng biến tần.
5. Thiết kế hệ thống giao diện kép phục vụ điều khiển và giám sát: giao diện người - máy (HMI) cục bộ và hệ thống SCADA tập trung trên máy tính có khả năng cảnh báo sự cố, vẽ đồ thị thời gian thực và lưu trữ dữ liệu.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống máy nhuộm vải và các thiết bị tự động hóa công nghiệp (PLC, Biến tần, HMI, SCADA, cảm biến nhiệt độ, van điện từ). Phạm vi nghiên cứu được triển khai tại Phòng thí nghiệm Rockwell Automation (Rockwell Automation Lab), Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM vào tháng 07/2016, tập trung vào việc mô phỏng và vận hành các quy trình cốt lõi của máy nhuộm trong môi trường thí nghiệm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết công nghệ nhuộm và thiết bị công nghiệp

Quy trình sản xuất vải thành phẩm từ vải mộc bao gồm các công đoạn: chuẩn bị (kiểm tra, phân loại, giũ hồ, nấu tẩy), hoàn tất ướt/hóa học (làm bóng, làm giảm trọng), nhuộm/in hoa và hoàn tất khô/cơ học (sấy khô, định hình kích thước bằng máy văng căng stentering, cán bóng carlender, làm mềm).

Văn bản hệ thống hóa các nhóm thuốc nhuộm chính và tỷ lệ tận trích (kiệt màu) trong môi trường công nghiệp:

• Thuốc nhuộm Cation: dùng cho sợi Acrylic, độ tận trích đạt ~98% (thải bỏ ~2%).
• Thuốc nhuộm Axit (Acid Dyes): dùng cho len, tơ tằm, Rayon, độ tận trích 95–98% (thải bỏ 2–5%).
• Thuốc nhuộm Phức kim loại (Metal complexes): dùng cho len, Nylon, độ tận trích 95–98%.
• Thuốc nhuộm Trực tiếp (Direct Dyes): dùng cho cotton, Viscose, độ tận trích ~80% (thải bỏ ~20%).
• Thuốc nhuộm Phân tán (Disperse Dyes): dùng cho Polyester, Nylon, Acetate, độ tận trích ~90% (thải bỏ ~10%).
• Thuốc nhuộm Lưu huỳnh (Sulfur Dyes): dùng cho cotton, Viscose, độ tận trích ~60% (thải bỏ ~40%).
• Thuốc nhuộm Hoạt tính (Reactive Dyes): liên kết cộng hóa trị với xơ sợi, độ tận trích đạt từ 50–95% (thải bỏ 5–40%).

Hóa chất và chất trợ sử dụng trong quy trình nhuộm gồm có: NaOH (phá hủy tạp chất cellulose), Axit Acetic ($CH_3COOH$ tạo môi trường axit), $H_2O_2$ (tẩy trắng), Javel/NaClO (tẩy bớt màu khi quá đậm), muối điện ly ($Na_2CO_3$, $NaCl$, $Na_2SO_4$ thúc đẩy thuốc nhuộm ngấm vào sợi), chất đều màu Asotol AD, chất cầm màu Novafix và chất làm mềm chống biến dạng sợi Alcamine CWS.

Các phương pháp nhuộm công nghiệp được so sánh qua các chỉ số vận hành:

Thông số công nghệ	Nhuộm gián đoạn (Interrupted Dyeing)	Nhuộm liên tục (Continuous Dyeing)
Tỷ lệ ngấm màu trung bình (2%, 20g màu/kg vải)	0,5 – 5%/phút	50 – 150%/phút
Tỷ lệ dung dịch nhuộm (Dung môi : Vải)	4:1 – 25:1	0,4:1 – 1,2:1
Nồng độ thuốc nhuộm	0,5 – 5 g/lít	17 – 50 g/lít
Thời gian nhuộm	20 – 200 phút	0,6 – 2 phút

Các thiết bị nhuộm công nghiệp điển hình được khảo sát gồm: máy nhuộm cao áp JET (áp suất 2–2,5 $kg/cm^2$, nhiệt độ $T \le 130^\circ C$), máy nhuộm Winch (Beck) dùng cho vải sợi dạng dây tơ không chịu lực căng và máy nhuộm Jigger tự động chuyên dùng cho vải dệt thoi khổ rộng (cotton, lụa, sợi tổng hợp).

Cơ sở toán học và thuật toán điều khiển

• Nguyên lý nhiệt Joule-Lenz: Lượng nhiệt sinh ra từ điện trở gia nhiệt được xác định theo công thức: $$Q = I^2 \cdot R \cdot T$$ Trong đó $Q$ là nhiệt lượng (J), $I$ là cường độ dòng điện (A), $R$ là điện trở ($\Omega$), $T$ là thời gian đốt nóng (s).
• Nguyên lý phối màu trừ: Phối hợp 3 màu cơ bản gồm Đỏ (Red), Vàng (Yellow), Lam (Blue) theo các tỷ lệ: Đỏ + Vàng (1:1) tạo màu Cam; Đỏ + Lam (1:1) tạo màu Tím; Lam + Vàng (1:1) tạo màu Xanh lá; Đỏ + Lam + Vàng (1:1:1) tạo màu Đen.
• Thuật toán điều khiển PID: Bộ điều khiển phản hồi vòng kín sử dụng độ lệch $e(t) = SP - PV$ (giữa giá trị đặt $SP$ và giá trị đo $PV$) để tính toán tín hiệu điều khiển $MV(t)$ theo 3 thành phần: tỷ lệ ($P$), tích phân ($I$) và vi phân ($D$). Phương pháp xác định tham số bộ điều khiển được nhóm tác giả khảo sát gồm phương pháp thực nghiệm Ziegler-Nichols (dựa trên đáp ứng hình chữ S của hệ hở), phương pháp thử sai trực tiếp trên mô hình và phương pháp nhận dạng hệ thống xác định hàm truyền.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

Đề tài sử dụng phương pháp thiết kế kỹ thuật kết hợp thực nghiệm thực tế:

• Thiết kế mô hình cơ khí phân khoang chức năng và mạng đường ống, van, bồn chứa.
• Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện động lực, mạch điều khiển và kết nối truyền thông công nghiệp.
• Lập trình điều khiển logic, thuật toán PID trên phần mềm RSLogix 5000 cho PLC CompactLogix L32E.
• Lập trình giao diện điều hành giám sát trên FactoryTalk View Studio và PanelBuilder 32.
• Thực nghiệm đo đạc và hiệu chỉnh các thông số vận hành thực tế tại phòng lab.

Thiết kế và triển khai

Cấu trúc cơ khí và bố trí không gian mô hình

Mô hình máy nhuộm vải được thiết kế dưới dạng khối tích hợp chia thành 6 khoang chức năng chuyên biệt:

• Khoang số 1: Bố trí bảng điều khiển và hệ thống đèn báo trạng thái vận hành.
• Khoang số 2: Bồn chứa hóa chất gồm 3 ngăn chứa dung dịch màu cơ bản và 1 ngăn chứa chất hoạt động bề mặt.
• Khoang số 3: Bồn chứa nước sạch cấp cho toàn bộ quá trình ngâm, giặt và nhuộm.
• Khoang số 4: Buồng định lượng và khuấy trộn màu, tích hợp van điện từ, động cơ khuấy DC 24V và ngăn chứa chất cầm màu.
• Khoang số 5: Bồn thu gom và xử lý sơ bộ nước thải sau các chu trình xả.
• Khoang số 6: Lồng nhuộm chính, bao gồm lồng giặt quay, động cơ truyền động xoay chiều, van điện từ cấp/xả, điện trở nhiệt mayso, cảm biến nhiệt độ PT100 và bơm xả thải.

Lựa chọn thiết bị điện và phần cứng điều khiển

Thiết bị	Model / Mã hiệu	Thông số kỹ thuật chính	Chức năng trong hệ thống
Bộ điều khiển PLC	CompactLogix 1769-L32E (Allen-Bradley)	Bộ nhớ 750 KB; cổng EtherNet/IP, RS232; hỗ trợ tối đa 16 module mở rộng	Xử lý logic trung tâm, điều khiển thuật toán PID, thu thập dữ liệu
Module truyền thông	1769-SDN	Scanner mạng DeviceNet	Kết nối và truyền nhận dữ liệu giữa PLC và biến tần
Module I/O mở rộng	1769-OB32, 1769-IF4, 1769-OF2	Module xuất số 32 kênh 24VDC, module nhận tương tự 4 kênh, module xuất tương tự 2 kênh	Giao tiếp tín hiệu đóng/cắt van, nhận tín hiệu dòng 4–20mA từ cảm biến
Biến tần	PowerFlex 700S (Allen-Bradley)	Nguồn cấp 3 pha 220–240VAC; công suất 0,75 kW; dòng định mức 4,2A; tích hợp card 20-COMM-D	Điều khiển đa cấp tốc độ động cơ lồng nhuộm, đọc phản hồi từ Encoder
Màn hình HMI	PanelView 600 Touch	Màn hình cảm ứng màu 18-bit, độ phân giải 320 x 240; cổng RS232 và EtherNet/IP	Giám sát và nhập liệu cục bộ tại máy
Cảm biến nhiệt độ	PT100 (3 dây) + Transmitter MST320	Đầu dò đường kính 4.0mm, dài 150mm; dải đo -200 đến 800°C; ngõ ra 4–20mA	Giám sát nhiệt độ dung dịch nhuộm trong lồng
Mạch công suất nhiệt	RM1E40AA25	Tín hiệu điều khiển 4–20mA; điện áp ngõ ra 230–400VAC; dòng tải 25A	Điều khiển góc kích pha Triac điều chỉnh công suất mayso
Điện trở đốt nóng	Dây Mayso đun nước	Điện áp 220VAC; dòng 1–6A; công suất 200–1200W	Gia nhiệt dung dịch nhuộm
Động cơ lồng nhuộm	5IK90GU-SW (AC)	Điện áp 200/220/230VAC; công suất 90W; tốc độ tối đa 1300 vòng/phút (50Hz) / 1600 vòng/phút (60Hz)	Dẫn động quay lồng nhuộm trong các chu trình ngâm, nhuộm, vắt
Động cơ khuấy màu	DS57B40-101 (DC)	Điện áp 24–48VDC; dòng điện 3–5A; tốc độ định mức 2000 vòng/phút	Khuấy trộn đều dung dịch màu tại buồng trộn
Bơm xả	PDC60-402C	Nguồn 24VDC; lưu lượng 10 lít/phút; đường kính ống $\phi 16.5$mm; chịu nhiệt 0–80°C	Bơm xả dung dịch nhuộm và nước thải
Van điện từ	JELPC 2W 160-15	Điện áp 220VAC, 50Hz; thời gian đáp ứng 0,3–0,5s; áp suất 0–1,0 MPa; chịu nhiệt tối đa 180°C	Đóng/cắt dòng chảy màu, nước sạch và hóa chất

Kiến trúc truyền thông và phần mềm giám sát

Hệ thống mạng công nghiệp được tổ chức đa tầng:

• Tầng chấp hành (DeviceNet): Module quét 1769-SDN trên PLC kết nối trực tiếp với biến tần PowerFlex 700S thông qua adapter 20-COMM-D. Tốc độ động cơ và tín hiệu phản hồi từ Encoder được truyền thông trực tiếp qua các ô nhớ mạng DeviceNet, cấu hình thông qua phần mềm DriveExecutive.
• Tầng điều khiển và giám sát (EtherNet/IP & RS232): PLC CompactLogix L32E kết nối với máy tính SCADA qua cáp mạng Ethernet nội bộ và kết nối với màn hình HMI PanelView 600 Touch qua cổng mạng EtherNet/IP hoặc RS232.
• Phần mềm ứng dụng:
  • Phần mềm lập trình PLC: RSLogix 5000 thực thi cấu trúc điều khiển dạng khối hàm PID và điều khiển trình tự.
  • Phần mềm thiết kế HMI: PanelBuilder 32 xây dựng hệ thống màn hình cảm ứng gồm các trang đăng nhập, lựa chọn chế độ, cài đặt công thức nhuộm, màn hình vận hành và trang cảnh báo lỗi (Alarm Screen).
  • Phần mềm SCADA: FactoryTalk View Studio kết nối dữ liệu thông qua máy chủ OPC (ứng dụng Kepware), hỗ trợ hiển thị đồ thị diễn biến nhiệt độ (Temperature Trend), đồ thị tốc độ (Speed Trend), quản lý sự kiện và xuất dữ liệu ra tệp Access/Excel.

Nội dung chính theo từng chương

Chapter 1: Overview

Chương này tổng quan về vị thế, tiềm năng và tốc độ tăng trưởng của ngành dệt may Việt Nam trong giai đoạn 2005–2012, nhấn mạnh vai trò của dòng vốn FDI và mục tiêu xuất khẩu đến năm 2020. Tác giả chỉ ra các điểm nghẽn về công nghệ nhuộm lạc hậu, tính chất gia công thủ công và sự cần thiết của việc tự động hóa giám sát quy trình nhuộm. Từ đó, đề tài xác định mục tiêu xây dựng mô hình máy nhuộm mini khép kín có khả năng tự động pha màu, gia nhiệt có kiểm soát, thay đổi tốc độ lồng giặt linh hoạt và tích hợp SCADA/HMI phục vụ công tác nghiên cứu tại phòng lab.

Chapter 2: Theoretical Basis

Chương 2 trình bày toàn diện cơ sở lý thuyết công nghệ và kỹ thuật tự động hóa:

• Công nghệ hoàn tất vải dệt, phân tích các nhóm thuốc nhuộm (Cation, Acid, Direct, Disperse, Sulfur, Reactive) và cơ chế hấp phụ/khuếch tán phân tử thuốc nhuộm vào cấu trúc xơ sợi.
• Vai trò của các hóa chất công nghiệp ($NaOH$, axit axetic, $H_2O_2$, Javel, muối $Na_2SO_4$, chất đều màu, chất cầm màu).
• Đánh giá ưu nhược điểm của các dòng máy nhuộm công nghiệp (máy JET, máy Winch, máy Jigger tự động).
• Phân tích quy luật phối màu cơ bản (phối màu cộng và trừ), định luật nhiệt Joule-Lenz $Q = I^2RT$, nguyên lý điều khiển công suất bằng phương pháp kích pha Triac.
• Tổng quan về cấu trúc bộ điều khiển PID, ý nghĩa các khâu $P, I, D$ và các phương pháp xác định tham số ($K_P, K_I, K_D$) theo thực nghiệm Ziegler-Nichols, phương pháp thử sai và nhận dạng hệ thống.

Chapter 3: Designing Dyeing System

Chương 3 chi tiết hóa giải pháp thiết kế phần cứng và sơ đồ nguyên lý:

• Yêu cầu kỹ thuật đối với mô hình: tính an toàn, cấu trúc module dễ thay thế sửa chữa, khả năng bảo mật và độ chính xác đáp ứng.
• Mô tả bố trí cơ khí 6 khoang chức năng trên bản vẽ 2D và mô hình không gian.
• Tính toán và lựa chọn chi tiết các phần tử phần cứng: van điện từ JELPC 2W 160-15, động cơ khuấy DC DS57B40-101, động cơ AC 5IK90GU-SW, bơm xả PDC60-402C, điện trở nhiệt mayso, rơle bán dẫn công suất RM1E40AA25.
• Cấu hình cảm biến nhiệt độ PT100 3 dây kết hợp bộ chuyển đổi 2 dây MST320 ngõ ra dòng 4–20mA.
• Cấu hình biến tần Allen-Bradley PowerFlex 700S, màn hình cảm ứng PanelView 600 Touch và bộ điều khiển trung tâm PLC CompactLogix 1769-L32E.
• Thiết lập sơ đồ đấu nối dây điện động lực, sơ đồ module ngõ ra số OB32, ngõ vào tương tự IF4, ngõ ra tương tự OF2 và cấu trúc mạng truyền thông công nghiệp DeviceNet, EtherNet/IP.

Chapter 4: Algorithms and Supervision Diagram

Chương 4 tập trung vào thuật toán điều khiển và thiết kế giao diện:

• Xây dựng lưu đồ giải thuật điều khiển hệ thống tổng thể, lưu đồ trạng thái chương trình chính (Main Program), chương trình con chạy chế độ tự động (Auto Subprogram) và chế độ bằng tay (Manual Subprogram).
• Thiết kế 4 chu trình công nghệ vận hành:
  1. Pha và khuấy màu: Định lượng màu cơ bản và chất đều màu qua van điện từ, bật động cơ khuấy trộn trong 10 phút.
  2. Hấp phụ (Soaking): Cấp nước và dung dịch màu vào lồng nhuộm, gia nhiệt từ từ với tốc độ xấp xỉ 1,5°C/phút lên mức 40°C trong vòng 15 phút, lồng giặt quay tốc độ thấp.
  3. Nhuộm khuếch tán (Dyeing): Bổ sung muối $Na_2SO_4$, nâng và duy trì ổn định nhiệt độ ở 60°C nhờ khối hàm PID trong RSLogix 5000, duy trì đảo trộn trong 30–40 phút để màu gắn sâu vào sợi.
  4. Vắt và làm khô (Squeezing): Xả bỏ dung dịch qua bơm PDC60-402C, sấy nhiệt ở khoảng 45°C, điều khiển động cơ quay vắt ở tốc độ cao (khoảng 1000 vòng/phút) trong 15 phút.
• Xây dựng hệ thống giao diện SCADA trên FactoryTalk View Studio và HMI trên PanelView 600 gồm: màn hình đăng nhập bảo mật, chọn loại sợi/màu mặc định, tạo công thức pha màu mới, cài đặt tham số ngâm/nhuộm/vắt, màn hình giám sát thời gian thực, trang tóm tắt cảnh báo sự cố (Alarm & Event Summary), đồ thị xu hướng nhiệt độ và tốc độ động cơ.

Chapter 6: Conclusion and Development Suggestions

Chương tổng kết đánh giá mức độ hoàn thiện của mô hình thực nghiệm, khẳng định hệ thống đáp ứng tốt các yêu cầu vận hành tự động theo chu trình khép kín. Đồng thời, chương này đưa ra các đề xuất cải tiến về cơ khí, thuật toán và khả năng mở rộng xử lý môi trường trong các giai đoạn phát triển tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Kết quả vận hành thực nghiệm

• Mô hình cơ khí - điện tử mini vận hành ổn định 4 công đoạn cốt lõi: pha trộn màu tự động, ngâm hấp phụ (nâng nhiệt 1,5°C/phút lên 40°C), nhuộm khuếch tán và cầm màu (ổn định ở 60°C trong 30–40 phút), vắt khô (xả dịch nhuộm, duy trì 45°C và quay vắt ở tốc độ ~1000 vòng/phút trong 15 phút).
• Hệ thống kiểm soát nhiệt độ đạt độ ổn định cao thông qua giải thuật PID trong RSLogix 5000, điều khiển mạch công suất Triac RM1E40AA25 và phản hồi từ cảm biến PT100 qua bộ chuyển đổi MST320 (4–20mA).
• Điều khiển truyền động thành công động cơ lồng nhuộm xoay chiều đa cấp tốc độ thông qua biến tần PowerFlex 700S kết nối mạng DeviceNet với module 1769-SDN.
• Xây dựng hoàn chỉnh hệ thống giám sát kép HMI PanelView 600 và SCADA FactoryTalk View Studio: hiển thị trực quan trạng thái thiết bị, biểu đồ đường cong nhiệt độ/tốc độ, quản lý cảnh báo lỗi và lưu trữ thông số vận hành dạng tệp cơ sở dữ liệu Access/Excel.

Giải pháp và đóng góp của đề tài

• Chế tạo thành công mô hình máy nhuộm vải tự động thu nhỏ hoàn chỉnh, giải quyết nhu cầu thực hành và nghiên cứu trực quan chuyên sâu tại phòng thí nghiệm tự động hóa.
• Ứng dụng thành công giải pháp tích hợp mạng công nghiệp phân tầng (EtherNet/IP và DeviceNet) của hãng Rockwell Automation trong việc điều khiển đồng bộ biến tần, PLC và giao diện giám sát.
• Cung cấp giải pháp công nghệ cho phép người vận hành tự tạo mới và lưu trữ các chương trình nhuộm linh hoạt tùy theo loại vải mộc và mã màu yêu cầu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

• Mô hình được thiết kế ở quy mô phòng thí nghiệm (mini size) nên công suất động cơ (90W) và dung tích bồn chứa còn nhỏ, chưa đáp ứng được tải trọng và mô men xoắn của các cuộn vải khổ lớn trong công nghiệp.
• Các thông số bộ điều khiển PID trong thực tế chủ yếu được xác định dựa trên phương pháp thử sai và kinh nghiệm vận hành hệ thống, chưa ứng dụng thuật toán tự động tối ưu hóa tham số (Auto-tuning).
• Hệ thống khoang chứa nước thải (Khoang số 5) mới chỉ thực hiện chức năng thu gom cơ học sau khi xả bồn, chưa tích hợp hệ thống xử lý hóa chất chuyên sâu cho nước thải trước khi đưa ra môi trường.

Hướng nghiên cứu tiếp

• Nâng cấp quy mô mô hình cơ khí và công suất thiết bị chấp hành (sử dụng động cơ 3 pha công suất lớn) để thử nghiệm trên tải trọng vải thực tế.
• Nghiên cứu ứng dụng các thuật toán điều khiển tiên tiến như điều khiển mờ (Fuzzy Logic) hoặc mạng nơ-ron để nâng cao độ chính xác điều khiển nhiệt độ và tốc độ trong các điều kiện tải biến thiên.
• Hoàn thiện module xử lý nước thải tự động tích hợp cảm biến đo nồng độ pH, hóa chất trung hòa tại khoang thải trước khi xả ra môi trường.

Giá trị tham khảo

Tài liệu này là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Điện - Điện tử, Cơ điện tử và Công nghệ Dệt may:

• Phần cứng và truyền thông công nghiệp: Cung cấp tài liệu thực tế về phương thức ghép nối, cấu hình phần cứng họ Rockwell Automation (PLC CompactLogix L32E, biến tần PowerFlex 700S qua mạng DeviceNet với module 1769-SDN và adapter 20-COMM-D).
• Thuật toán điều khiển: Đáng tham khảo về cấu hình khối hàm PID trong RSLogix 5000, kỹ thuật điều khiển góc kích pha Triac điều chỉnh công suất nhiệt và mạch chuyển đổi tín hiệu cảm biến PT100 (4–20mA).
• Thiết kế SCADA/HMI: Cung cấp quy trình thiết kế giao diện giám sát công nghiệp thực tế trên nền tảng FactoryTalk View Studio và PanelBuilder 32, bao gồm cấu hình kết nối OPC Kepware, xây dựng biểu đồ Trend thời gian thực và quản lý hệ thống cảnh báo sự cố.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình máy nhuộm trong đồ án được phân chia thành những khoang chức năng nào?

Mô hình được thiết kế gồm 6 khoang chức năng: Khoang 1 (Bảng điều khiển và đèn báo trạng thái), Khoang 2 (Bồn chứa 3 màu cơ bản và chất hoạt động bề mặt), Khoang 3 (Bồn chứa nước cấp), Khoang 4 (Buồng định lượng, khuấy trộn màu bằng động cơ DC 24V và bồn chất cầm màu), Khoang 5 (Bồn chứa và thu gom nước thải) và Khoang 6 (Lồng nhuộm chính chứa động cơ AC, điện trở nhiệt mayso, cảm biến PT100, van điện từ và bơm xả).

2. Biến tần PowerFlex 700S giao tiếp với PLC CompactLogix L32E qua giao thức nào?

Biến tần PowerFlex 700S giao tiếp với PLC CompactLogix 1769-L32E thông qua mạng công nghiệp DeviceNet. PLC sử dụng module quét 1769-SDN để truyền nhận dữ liệu với biến tần thông qua card chuyển đổi 20-COMM-D. Tốc độ cài đặt và tín hiệu phản hồi từ Encoder được đồng bộ trực tiếp qua các ô nhớ mạng của DeviceNet và được cấu hình bằng phần mềm DriveExecutive.

3. Hệ thống điều khiển nhiệt độ dung dịch nhuộm bằng phương pháp nào?

Hệ thống sử dụng cảm biến nhiệt độ PT100 loại 3 dây kết hợp bộ chuyển đổi 2 dây MST320 để chuyển đổi giá trị nhiệt độ thành tín hiệu dòng điện chuẩn 4–20mA đưa về module tương tự 1769-IF4 của PLC. Bộ điều khiển thực thi thuật toán PID trong phần mềm RSLogix 5000 để xuất tín hiệu điều khiển góc kích pha của rơle bán dẫn/mạch công suất Triac RM1E40AA25, từ đó điều chỉnh công suất đốt nóng của điện trở mayso đun nước (220V, 200–1200W).

4. Bốn công đoạn chính trong chu trình nhuộm tự động được thiết lập với các thông số nào?

Chu trình gồm 4 công đoạn:

1. Pha màu: Định lượng các màu cơ bản (Đỏ, Vàng, Lam) và chất đều màu Asotol AD, khuấy trộn bằng động cơ DC trong 10 phút.
2. Hấp phụ (Soaking): Cấp nước và màu vào lồng giặt, gia nhiệt từ từ với tốc độ ~1,5°C/phút lên 40°C trong 15 phút, động cơ quay đảo trộn.
3. Nhuộm khuếch tán (Dyeing): Bổ sung chất trợ $Na_2SO_4$, giữ nhiệt độ ổn định ở 60°C trong 30–40 phút để gắn kết thuốc nhuộm vào xơ sợi.
4. Vắt và làm khô (Squeezing): Bơm PDC60-402C xả bỏ nước thải, sấy nhiệt ở mức ~45°C và động cơ tăng tốc quay vắt lên ~1000 vòng/phút trong 15 phút.

5. Giao diện giám sát và điều hành hệ thống được xây dựng bằng những phần mềm nào?

Hệ thống sử dụng hai phần mềm giám sát chính của Rockwell Automation: phần mềm PanelBuilder 32 dùng để lập trình giao diện người - máy cục bộ trên màn hình cảm ứng PanelView 600 Touch (kết nối RS232/EtherNet/IP) và phần mềm FactoryTalk View Studio dùng để xây dựng hệ thống SCADA trên máy tính trung tâm (kết nối OPC qua Kepware), hỗ trợ hiển thị biểu đồ xu hướng (Trend), quản lý cảnh báo và lưu trữ dữ liệu sang định dạng Access/Excel.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Controlling and Monitoring Fabric Dyeing Machine" đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình máy nhuộm vải tự động hóa kích thước nhỏ phục vụ công tác nghiên cứu và đào tạo tại phòng thí nghiệm. Hệ thống tích hợp hoàn chỉnh phần cứng điều khiển PLC CompactLogix L32E, biến tần PowerFlex 700S, các thiết bị cảm biến, chấp hành cùng hệ thống giám sát kép SCADA FactoryTalk View và HMI PanelView 600. Kết quả thực nghiệm khẳng định hệ thống kiểm soát chính xác 4 công đoạn nhuộm, duy trì ổn định nhiệt độ bằng thuật toán PID và truyền thông hiệu quả qua mạng EtherNet/IP và DeviceNet, tạo tiền đề vững chắc cho việc phát triển các dây chuyền dệt nhuộm tự động hóa quy mô công nghiệp trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KHOA ÐÀO TẠO CHẤT LUỢNG CAO CONTROLLING AND MONITORING FABRIC DYEING MACHINE GVHD: ThS. TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN SVTH : TẠ QUANG MINH 12151051 TRƯƠNG LÊ ANH DŨNG 12151012 S KL 0 0 4 6 6 4 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2016 do an HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION HIGH QUALITY FALCUTY GRADUATION THESIS CONTROLLING AND MONITORING FABRIC DYEING MACHINE Instructor: MR. TRUONG DINH NHON, PhD Student : TA QUANG MINH 12151051 TRUONG LE ANH DUNG 12151012 Course : 2012-2016 Study Branch : AUTOMATION Ho Chi Minh City, July 2016 do an HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION HIGH QUALITY FALCUTY GRADUATION THESIS CONTROLLING AND MONITORING FABRIC DYEING MACHINE Instructor: MR.

TRUONG DINH NHON, PhD Student : TA QUANG MINH 12151051 TRUONG LE ANH DUNG 12151012 Course : 2012-2016 Study Branch : AUTOMATION Ho Chi Minh City, July 2016 do an SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence- Freedom- Happiness ----***---- Ho Chi Minh City, July 15th, 2016 GRADUATION THESIS’S MISSION Full Name: ID Number: Studying Branch: Class: Instructor: Phone Number: Received Day: Submitted Day: 1. Product: DEAN INSTRUCTOR do an SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence- Freedom- Happiness ----***---- Ho Chi Minh City, July 15th, 2016 INSTRUCTOR’S NOTE Student’s Name:. About Content of Thesis:. Allow or Disallow to process further dissertation?.

Ho Chi Minh City, July 15th, 2016 Instructor (Sign and write full name) do an SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence- Freedom- Happiness ******* REVIEWER’S NOTE Student’s Name:. About Content of Thesis:. Allow or Disallow to process further dissertation?. ) Ho Chi Minh City, July 15th, 2016 Reviewer (Sign and write full Name) do an do an Acknowledgements First, we are very pleased to say our sincerities “Thank you” to all the teachers who are working at Ho Chi Minh City University of Technology and Education, especially to the teachers of High Quality Falcuty who have given us valuable knowledges so that we could finish this thesis.

And we sincerely thank our instructor: Mr. Truong Dinh Nhon, PhD; who has helped, supported and guided us with all his heart during our process. We also sincerely thank you to Mr. Nguyen Minh Tam, PhD; Mr.

Ngo Van Thuyen, PhD; Mr. Hoang Ngoc Van, MS ; Mr. Ta Van Phuong, MS; and all the teachers who are working at Rockwell Automation Lab for helping and giving us opportunities to research and practice at Rockwell Automation Lab. And a sincere Thank to our relatives and friends who have helped and supported us throughout Graduation Thesis.

ProJect Team i do an Introduction Modern industry is growing and dominant strongly thesedays. Although automatic industry is a new industry, it is necessary in any manufacturing systems. Automatic system is gradually replacing manual systems, as well as human in operating any works, even the most sotisphicated works. It helps increase productivity as well as product’s quality and reduce producing cost.

Systems must be equipped with controlling devices such as PLC controllers, which are used to control, monitor and collect system’s data. These systems are able to control in real-time mode through network systems. Beside that, systems also have many databases, abilities of identifying and fixing damaged parts, creating statistics, reports. Therefore, the study of PLCs and automatic systems in the industry is essential.

Infact, theory must be associated with practice. Working with real model is a chance for every students to practice what he/she has learnt. It is an opportunity to apply learned knowledges in practical circumstances so that we can learn and research more about both theory and practice, create our own products by what we have learnt. Throughout this thesis, we also have learnt more about programming and supervising system on SCADA interface, HMI screen, etc.

During working on this thesis, we have faced many problems with designing, building model. Because of limited experience, knowledge, time and funds, there will be some mistakes or problems that occur when operating the model. We are very pleased to receive any feedbacks, comments about our thesis in order for us to complete and improve it in future. Sincerely, Project Team ii do an Tóm Tắt Đề Tài Đề tài này được xây dựng dựa trên mô hình máy nhuộm vải thực tế.

Nhóm thiết kế ra mô hình có khả năng pha màu hoàn toàn tự động, sử dụng cảm biến nhiệt PT100 kiểm soát nhiệt độ gia nhiệt trong bồn nhuộm. Biến tấn điều khiển tốc độ động cơ quay trống nhuộm nhằm tăng hiệu suất cho quá trình nhuộm và vắt vải. Để điều khiển và giám sát các quá trình hoạt động của máy nhuộm vải nhóm đã sử dụng: PLC CompactLogix L32E, biến tần PowerFlex 700S của hãng Allen-Bradley, phần mền giám sát FactoryTalk View, Panelview Builder 32 của RockWell Automation và một số phần mềm khác đã được sử dụng trong hệ thống. Toàn bộ quá trình được điều khiển và giám sát bằng hai giao diện SCADA và HMI.

Giao diện SCADA ứng dụng trong nhiều nhà máy tự động điều khiển hiện đại hiện nay với những tính năng ưu việt như khả năng giám sát, lập biểu đồ giúp người vận hành có thể quan sát và ra những quyết định kịp thời; giao diện thân thiện, dễ sử dụng, khả năng bảo mật cao. Bên cạnh đó, phần mềm FactoryTalk View còn hỗ trợ việc mở rộng khả năng liên kết giữa các PLC cùng hãng hoặc khác hãng thông qua OPC, ứng dụng phần mềm Kepware để lấy biến trung gian. Giao diện HMI cho phép người dùng thao tác trên màn hình cảm ứng HMI PanelView 600. Tất cả các hoạt động, các sự cố, các trạng thái của hệ thống đều được giám sát trên trên màn hình HMI và máy tính.

iii do an ABSTRACT This thesis is built and based on an actual fabric dyeing machines. We design the model with ability of automatic mixing colors. We also use PT100 temperature sensor to control the heating temperature in dye tub, inverter to control the rotation speed of dyeing drum to boost performance of dyeing and squeezing process. To control and monitor the operation of fabric dyeing machine, we use: L32E CompactLogix PLCs, PowerFlex 700S Inverter of Allen-Bradley firm, FactoryTalk View monitoring sofware, Panelview Builder 32 of Rockwell Automation and several other softwares.

Entire process is controlled and monitored by SCADA and HMI interface. SCADA interface is applied in many modern automated factories with abilities to monitor, create charts that help the operator observe and make timely decisions by friendly interface, easy to use and high security. FactoryTalk View software also help expand the ability to connect among PLCs manufactured by same or different firm via OPC or Kepware’s applications. HMI interface allows users to manipulate on the PanelView HMI touchscreen 600.

All activities, incidents and statuses of system are monitored through the HMI screen and computer. iv do an INDEX Acknowledgements. ii Tóm Tắt Đề Tài. v List of Acronyms.

ix List Of Charts. x LIST OF FIGURES. xi Chapter 1: OVERVIEW. 4 Chapter 2: THEORETICAL BASIS.

Overview about dyeing technology. Dyeing technique in reality. Fabric finishing technique. Factors affect to dyeing process and how to fix.

How to fix. Popular dyeing methods. Continous Dyeing method. Semi-continous dyeing method.

Popular dying devices in industry. JET dying machine. Winch dyeing machine. Automatic Jigger dyeing machine.

Evaluate Quality Standards. Main dying process of system. Theoratical basis of dyeing model. Engine controlling device.

Temperature feedback device. Communication networks linking. PID controller overview. PID’s Parameters choosing methods.

17 Chapter 3: DESIGNING DYEING SYSTEM. Model designing requirement. Electrical system design. Electrical device choosing.

Choosing heating device and power circuit for heating device. Choosing heating sensor and temperature exchange. Choosing motor’s controlling device. PanelView 600 Touch Screen.

Hardware connection diagram. 30 vi do an 3. Electric wires setting diagram. Communication network application used in dyeing system.

PID controlling function in Rslogix5000. Controlling programme on PLC and PLC conpactLogix L32E. PanelView Builder 32 Programme. FactoryTalk View Studio.

41 Chapter 4: ALGORITHMS AND SUPERVISION DIAGRAM. Algorithms and supervision diagram. System’s control algorithm diagram. Main program’s status diagram.

Auto Subprogram’s status diagram. Manual Subprogram’s status diagram. Choosing and Designing supervision interface. Choosing supervision program.

Model’s hardware image. Washing drum’s rotating motor. Adjusting flow device. 97 Chapter 6: CONCLUSION AND DEVELOPMENT SUGGESTIONS.

98 vii do an 6. Conclusion and development. 101 viii do an List of Acronyms SCADA: Supervisory Control and Data acquisition SQL Sever: Structure Query Language Sever PLC: Programmable Logic Controller PID: Proportional Integral Derivative Win CC: Windows Control Center HMI: Human Media Interaction AC: Alternating current DC: Direct current ix do an List Of Charts Chart 2. 1 Exhausting percent of some dyestuffs.

2 Some parameters of dyeing process. 3 Color mixing ratio from basic colors. 4 P, PI, PID parameters by Zeigler- Nichols method. 1 Solenoid valve’s parameters.

4 Parameters’ of heating device and power circuit. 5 Parameters of Pt100 and 2-wire transmitter. 6 PowerFlex 700S inverter’s Parameters. 7 HMI screen’s parameters.

8 Introduce devices connect to the output of module OB 32. 31 x do an LIST OF FIGURES Figure 1. 1 Textile exporting turn-over of FDI enterprises and Domestic enterprises from 2005- 2012. 2 A fabric dyeing machine model.

1 JET machine model. 3 Automatic Jigger dyeing machine. 4 Way of mixing colors. 5 Output responses of opened system when KP= K.

1 2D graph of model. 2 Cube graph of system. 4 Hardware Connection Diagram in dyeing model. 5 Module OB 32’s connection diagram.

6 Module IF4’s connection diagram. 7 Module OF2’s connection diagram. 8 1-phase devices’s connection diagram. 9 Inverter connection diagram.

10 System’s electric wires setting diagram. 11 System electric wires setting diagram. 12 System electric wires setting diagram. 13 EtherNet/IP network.

15 PID function in Rslogix5000. 1 Main Program’s status Diagram. 2 Auto Subprogram’s status diagram. 3 Manual Subprogram’s status diagram.

5 Main screen of system. 6 Mixing and stiring dyestuffs screen in Manual mode. 7 Choosing fiber types in Manual mode. 8 Soaking, dyeing and squeezing processes screen in Manual mode.

9 Auto mode’s screen. 51 xi do an Figure 4. 10 Default color picking screen. 11 Default fabric picking screen.

12 Creating new program screen. 13 Import parameter to mix and stir new color screen. 14 Soaking parameter screen. 15 Dyeing parameter input screen.

16 Squeezing parameter screen. 17 Operating system screen. 18 Mixing and stiring parameter screen. 19 Soaking process screen.

20 Dyeing process parameters screen. 21 Squeezing process parameter screen. 22 Temperature Trend screen. 23 Speed Trend screen.

25 HMI login screen. 26 Main system screen on HMI. 27 Mixing and stiring dyestuffs screen on HMI. 28 Choosing parameters for soaking, dyeing and squeezing process screen.

29 Soaking, dyeing and squeezing processes in Manual mode. 30 Auto mode screen on HMI. 31 Default color setting screen on HMI. 32 Default fabric picking screen on HMI.

33 Creating new program screen on HMI. 34 New color parameters screen on HMI. 35 Soaking parameters screen on HMI. 36 Dying parameters screen on HMI.

37 Squeezing parameters screen on HMI. 38 Operatin screen on HMI. 39 Color mixing screen on HMI. 40 Soaking parameters screen on HMI.

41 Dyeing parameters screen on HMI. 42 Squeezing parameter screen on HMI. 43 Alarm screen on HMI. 2 Washing drum’s motor’s location.

3 Washing drum location. 4 Solenoid vale location. 5 Water heating resistor location. 76 xii do an Figure 5.

6 Pumber’s location in model. 7 Pt100 sensor location. 10 Mode choosing screen. 11 Default color choice screen.

12 Default fabric choice. 13 Mixing and stiring parameters setting processes. 14 Soaking parameters setting screen. 15 Dyeing parameters setting screen.

16 Squeezing parameters setting screen. 17 System operating screen. 18 Mixing and stiring color supervising screen. 19 Soaking supervising screen.