Hệ Điều Khiển Tự Động Trong Công Nghệ Kỹ Thuật

Vận tải bằng tời trục là hình thức vận tải phổ biến trong ngành khai thác mỏ trên toàn thế giới. Chức năng chính là giải quyết vấn đề đi lại trong các khu vực khai thác mỏ, vận chuyển vật liệu và khoáng sản trong các hầm mỏ. Do tính chất đặc thù của khâu vận chuyển, tời trục vẫn là phương tiện vận tải quan trọng và hiệu quả để vận chuyển đất đá, khoáng sản, thiết bị vật tư và con người phục vụ sản xuất. Một số quốc gia như Trung Quốc và Nga vẫn sử dụng tời trục trong khai thác mỏ hầm lò. (Dẫn chứng: Bảng 1.1 và 1.2 trong tài liệu gốc)

Tại các mỏ than vùng Quảng Ninh, do tính phức tạp của công nghệ khai thác và khối lượng công việc vận chuyển lớn, thiết bị vận tải đa dạng, giá thành vận tải chiếm tỷ lệ đáng kể (40-50%) trong tổng chi phí chung. Vì vậy, để giải quyết tốt nhiệm vụ vận tải, vừa đáp ứng yêu cầu khai thác vừa mang lại hiệu quả kinh tế, cần lựa chọn công nghệ vận tải hợp lý và lựa chọn thiết bị vận tải phù hợp nhằm phát huy hiệu quả và năng lực vận tải. Tời trục có ưu điểm là năng suất vận tải lớn, độ tin cậy cao, dễ bảo quản sử dụng và điều khiển, chi phí sản xuất nhỏ, không ồn, không gây bụi, đầu tư ban đầu không cao so với đầu tư xây dựng các tuyến băng chuyền cỡ lớn. Do đó, hầu hết các mỏ than khai thác hầm lò ở Việt Nam đều sử dụng tời trục làm phương tiện vận chuyển. (Dẫn chứng: Bảng 1.3 trong tài liệu gốc)

Động cơ điện không đồng bộ ba pha rotor dây quấn có ưu điểm là giảm dòng khởi động bằng cách đưa điện trở phụ vào mạch rotor, đồng thời tăng mô-men khởi động. Việc điều chỉnh tốc độ động cơ được thực hiện bằng cách thay đổi điện trở phụ. Tuy nhiên, nhược điểm chính là tổn thất điện năng đáng kể trên các điện trở điều chỉnh, đặc biệt khi làm việc ở vùng tốc độ thấp, quá trình chuyển cấp tốc độ không êm dịu và chi phí vận hành tăng do bảo dưỡng thường xuyên. (Dẫn chứng: Phần phân tích về động cơ rotor dây quấn trong tài liệu gốc)

Ứng dụng biến tần để điều khiển động cơ tời trục mang lại nhiều lợi ích như tiết kiệm năng lượng, điều chỉnh tốc độ chính xác, giảm thiểu tổn thất điện năng, tăng tuổi thọ động cơ và giảm chi phí bảo trì. Việc sử dụng các thuật toán điều khiển vector hoặc điều khiển trực tiếp mô-men cho phép hệ thống đạt được hiệu suất cao và đáp ứng nhanh với các thay đổi tải. Biến tần còn tích hợp các chức năng bảo vệ động cơ và hệ thống, nâng cao độ an toàn trong vận hành. Sự tích hợp các giao thức truyền thông công nghiệp như Modbus, Profibus cũng cho phép kết nối và điều khiển hệ thống từ xa.

Để tạo ra một hệ thống điều khiển tự động hoàn chỉnh, việc tích hợp PLC (Programmable Logic Controller) và SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) là rất quan trọng. PLC chịu trách nhiệm điều khiển trực tiếp các hoạt động của tời trục, như khởi động, dừng, điều chỉnh tốc độ và giám sát các thông số vận hành. SCADA cung cấp giao diện người dùng trực quan để giám sát và điều khiển hệ thống từ xa, thu thập và phân tích dữ liệu, cảnh báo các sự cố và tạo báo cáo. Việc kết hợp PLC và SCADA giúp nâng cao tính linh hoạt, tin cậy và khả năng quản lý của hệ thống điều khiển tời trục.

Nguyên tắc điều khiển theo thời gian dựa trên cơ sở là các thông số làm việc của mạch động lực biến đổi theo thời gian. Tín hiệu điều khiển phát ra theo một quy luật thời gian cần thiết để làm thay đổi trạng thái làm việc của hệ thống. Những phần tử thụ cảm thời gian để phát tín hiệu cần được chỉnh dựa theo ngưỡng chuyển đổi của đối tượng. Ví dụ như tốc độ, dòng điện, mô-men của động cơ được tính toán chọn ngưỡng cho thích hợp với từng hệ thống truyền động điện cụ thể. (Dẫn chứng: phần nguyên tắc điều khiển theo thời gian trong tài liệu gốc).

Tốc độ quay trên trục động cơ là một thông số đặc trưng quan trọng xác định trạng thái làm việc của hệ thống truyền động điện. Vì vậy, dựa vào thông số này để điều khiển sự làm việc của hệ thống. Lúc này mạch điều khiển phải có phần tử thụ cảm xác định chính xác được tốc độ làm việc của động cơ gọi là rơle tốc độ. Khi tốc độ đạt được những trị số ngưỡng đã đặt thì rơle tốc độ sẽ phát tín hiệu đến phần tử chấp hành để chuyển trạng thái làm việc của hệ thống. (Dẫn chứng: phần nguyên tắc điều khiển theo tốc độ trong tài liệu gốc).

Dòng điện trong mạch phản ứng của động cơ là một thông số làm việc rất quan trọng xác định trạng thái làm việc của hệ thống truyền động điện. Nó phản ánh trạng thái mang tải bình thường của hệ thống, trạng thái non tải, trạng thái quá tải, cũng như phản ánh trạng thái đang khởi động hay hãm của động cơ truyền động điện. Trong quá trình khởi động và hãm, dòng điện cần phải đảm bảo nhỏ hơn một trị số giới hạn cho phép. Trong quá trình làm việc cũng vậy, dòng điện có thể giữ không đổi ở một trị số nào đó theo yêu cầu của quá trình công nghệ. (Dẫn chứng: phần nguyên tắc điều khiển theo dòng điện trong tài liệu gốc).

Sử dụng phần mềm Simulink để xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống truyền động điện biến tần - động cơ cho tời trục, bao gồm các khối chức năng như nguồn điện, biến tần, động cơ, hộp giảm tốc, tải trọng và bộ điều khiển. Các thông số của từng khối chức năng được thiết lập theo thông số thực tế của hệ thống. Mô hình mô phỏng cho phép thay đổi các thông số và quan sát ảnh hưởng của chúng đến hiệu suất hệ thống.

Sau khi mô phỏng, phân tích kết quả để đánh giá hiệu suất của hệ thống, bao gồm các thông số như tốc độ, mô-men, dòng điện, điện áp và hiệu suất. Các kết quả mô phỏng giúp xác định các vấn đề tiềm ẩn và đưa ra các giải pháp cải thiện hiệu suất hệ thống. Các kết quả thu được sẽ là cơ sở để xây dựng hệ thống điều khiển thực tế.

Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển trên WinCC Flexible cho phép người vận hành theo dõi trạng thái hoạt động của tời trục, điều chỉnh các thông số vận hành và nhận cảnh báo khi có sự cố. Giao diện cần được thiết kế trực quan, dễ sử dụng và cung cấp đầy đủ thông tin cần thiết cho người vận hành.

Lập trình PLC để tự động hóa chu trình vận hành tời trục, bao gồm khởi động, dừng, điều chỉnh tốc độ, kiểm soát tải trọng và bảo vệ động cơ. Thuật toán điều khiển cần được thiết kế đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định, hiệu quả và an toàn. Chu trình hoạt động phải tuân thủ yêu cầu của quá trình khai thác.

Sau khi triển khai hệ thống điều khiển mới, cần đánh giá hiệu quả thực tế thông qua các chỉ số như năng suất vận tải, tiêu thụ điện năng, thời gian dừng máy và chi phí bảo trì. Các kết quả đánh giá sẽ cung cấp thông tin quan trọng để cải thiện và tối ưu hóa hệ thống.

Trong tương lai, việc ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) và Internet of Things (IoT) vào hệ thống điều khiển tời trục sẽ mở ra những triển vọng mới. AI có thể được sử dụng để dự đoán sự cố, tối ưu hóa chu trình vận hành và điều khiển hệ thống một cách thông minh. IoT cho phép thu thập và phân tích dữ liệu từ xa, cung cấp thông tin实时 về trạng thái và hiệu suất hệ thống, hỗ trợ việc ra quyết định và bảo trì phòng ngừa.