Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, ngành công nghiệp sản xuất nhựa ngày càng đòi hỏi các sản phẩm có độ chính xác cao và đa dạng về kích thước. Quá trình phun ép nhựa, đặc biệt là điều khiển nhiệt độ khuôn, đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo chất lượng sản phẩm. Theo một nghiên cứu gần đây, việc duy trì nhiệt độ khuôn ở mức cao hơn nhiệt độ chuyển pha của vật liệu nhựa giúp tăng khả năng điền đầy khuôn, đặc biệt với các chi tiết kích thước lớn, đồng thời cải thiện chất lượng bề mặt sản phẩm. Tuy nhiên, nhiệt độ khuôn quá cao sẽ kéo dài thời gian giải nhiệt, làm tăng chu kỳ phun ép và chi phí sản xuất. Do đó, mục tiêu của nghiên cứu là tối ưu hóa quá trình điều khiển nhiệt độ khuôn phun ép nhằm cân bằng giữa chất lượng sản phẩm và hiệu suất sản xuất.

Luận văn tập trung nghiên cứu phương pháp điều khiển PID để nâng cao hiệu quả điều khiển nhiệt độ trong khuôn phun ép, áp dụng trên tấm khuôn kích thước 200x100x40 mm, sử dụng PLC Siemens S7-1200 và phần mềm TIA Portal. Thời gian nghiên cứu thực nghiệm kéo dài trong nhiều chu kỳ phun ép tại một số cơ sở sản xuất nhựa tại TP. Hồ Chí Minh. Việc kiểm soát nhiệt độ khuôn chính xác không chỉ giúp giảm tỷ lệ phế phẩm mà còn tăng năng suất sản xuất, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế trong ngành công nghiệp khuôn mẫu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết truyền nhiệt: Bao gồm các phương thức dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ. Đặc biệt, định luật Fourier về dẫn nhiệt và định luật Newton-Rickmann về trao đổi nhiệt đối lưu được áp dụng để mô tả quá trình truyền nhiệt trong khuôn phun ép.

  • Thuật toán điều khiển PID: Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) là phương pháp điều khiển vòng kín có hồi tiếp, giúp giảm sai số và tăng độ ổn định của hệ thống. Ba thành phần Kp (tỉ lệ), Ki (tích phân) và Kd (vi phân) được điều chỉnh để tối ưu đáp ứng hệ thống.

  • Công nghệ ép phun nhựa: Hiểu rõ đặc điểm công nghệ ép phun, vai trò của nhiệt độ khuôn trong quá trình tạo hình sản phẩm, cũng như ảnh hưởng của nhiệt độ đến chất lượng và chu kỳ sản xuất.

  • PLC và phần mềm TIA Portal: PLC Siemens S7-1200 được sử dụng làm bộ điều khiển trung tâm, với phần mềm TIA Portal hỗ trợ lập trình và giám sát hệ thống. Khối hàm PID_Compact trong TIA Portal được cấu hình để thực hiện điều khiển PID.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm thực tế trên tấm khuôn kích thước 200x100x40 mm, sử dụng cảm biến nhiệt độ Thermocouple và bộ gia nhiệt điện trở. Dữ liệu nhiệt độ được ghi nhận qua nhiều chu kỳ phun ép.

  • Phương pháp phân tích: Xác định hàm truyền nhiệt của hệ thống dựa trên phương pháp Ziegler-Nichols và thực nghiệm. Lập trình điều khiển PID trên PLC S7-1200, điều chỉnh các thông số Kp, Ki, Kd để đạt hiệu quả tối ưu. Sử dụng phần mềm WinCC để giám sát và thu thập dữ liệu vận hành.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài từ tháng 6 đến tháng 9 năm 2016, bao gồm giai đoạn gia công tấm khuôn, thực nghiệm đo nhiệt độ, lập trình và hiệu chỉnh bộ điều khiển PID, đánh giá kết quả và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tăng tốc độ gia nhiệt và ổn định nhiệt độ khuôn: Phương pháp điều khiển PID giúp tăng tốc độ gia nhiệt khuôn lên khoảng 0.57ºC/s đối với tấm khuôn bằng nhôm, nhanh hơn so với các phương pháp truyền thống. Nhiệt độ bề mặt khuôn được duy trì ổn định ở mức 90-130ºC với sai số dưới 2ºC.

  2. Giảm thời gian chu kỳ phun ép: So với phương pháp gia nhiệt bằng nước nóng mất khoảng 192 giây để tăng nhiệt độ từ 60ºC lên 120ºC, hệ thống điều khiển PID với gia nhiệt điện trở rút ngắn thời gian này xuống còn khoảng 34 giây, giúp tăng năng suất sản xuất lên khoảng 15-20%.

  3. Giảm tỷ lệ phế phẩm: Việc kiểm soát nhiệt độ khuôn chính xác làm giảm tỷ lệ sản phẩm lỗi do nhiệt độ không ổn định từ khoảng 8% xuống còn dưới 3%, góp phần tiết kiệm nguyên liệu và chi phí sản xuất.

  4. Hiệu quả giám sát và điều khiển tự động: Giao diện WinCC cho phép giám sát nhiệt độ theo thời gian thực, giúp phát hiện và điều chỉnh kịp thời các sai lệch, nâng cao độ tin cậy của hệ thống điều khiển.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc cải thiện hiệu quả điều khiển nhiệt độ là do bộ điều khiển PID có khả năng tự động điều chỉnh tín hiệu đầu ra dựa trên sai số giữa nhiệt độ đo được và giá trị đặt, đồng thời kết hợp các thành phần tỉ lệ, tích phân và vi phân để giảm thiểu sai số và tăng tốc độ đáp ứng. So với phương pháp ON-OFF truyền thống, PID giảm hiện tượng dao động nhiệt độ và tránh quá nhiệt.

Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trong và ngoài nước, trong đó phương pháp gia nhiệt bằng điện trở kết hợp điều khiển PID được đánh giá cao về độ chính xác và hiệu quả. Việc sử dụng PLC Siemens S7-1200 và phần mềm TIA Portal giúp đơn giản hóa quá trình lập trình và giám sát, đồng thời tăng tính linh hoạt trong điều chỉnh tham số.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ nhiệt độ theo thời gian, so sánh giữa các phương pháp điều khiển, cũng như bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm với các thông số Kp, Ki, Kd khác nhau để minh họa sự ảnh hưởng của từng tham số đến hiệu quả điều khiển.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai rộng rãi hệ thống điều khiển PID trong công nghiệp phun ép nhựa: Các doanh nghiệp sản xuất nhựa nên áp dụng bộ điều khiển PID kết hợp PLC để nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí phế phẩm, với mục tiêu giảm tỷ lệ lỗi xuống dưới 3% trong vòng 6 tháng.

  2. Đào tạo kỹ thuật viên vận hành và bảo trì hệ thống điều khiển tự động: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về lập trình PLC và điều khiển PID nhằm nâng cao năng lực vận hành, bảo trì, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định trong dài hạn.

  3. Nâng cấp phần mềm giám sát và thu thập dữ liệu: Cải tiến giao diện WinCC để tích hợp thêm các chức năng cảnh báo sớm và phân tích dữ liệu tự động, giúp phát hiện nhanh các bất thường trong quá trình điều khiển nhiệt độ.

  4. Nghiên cứu mở rộng áp dụng cho các loại khuôn và vật liệu khác nhau: Tiếp tục thực nghiệm và điều chỉnh tham số PID cho các loại khuôn có kích thước và vật liệu khác nhau nhằm tối ưu hóa hiệu quả điều khiển trong đa dạng điều kiện sản xuất.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và chuyên gia trong ngành cơ khí và công nghệ khuôn mẫu: Nắm bắt kiến thức về điều khiển nhiệt độ khuôn phun ép, áp dụng các phương pháp điều khiển PID để nâng cao chất lượng sản phẩm.

  2. Nhà quản lý sản xuất trong ngành công nghiệp nhựa: Hiểu rõ tầm quan trọng của việc kiểm soát nhiệt độ khuôn, từ đó đầu tư hợp lý vào công nghệ điều khiển tự động nhằm tăng năng suất và giảm chi phí.

  3. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật cơ khí, tự động hóa: Tham khảo phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết và thực nghiệm, ứng dụng PLC và phần mềm TIA Portal trong điều khiển công nghiệp.

  4. Nhà cung cấp thiết bị tự động hóa và phần mềm lập trình PLC: Cập nhật các ứng dụng thực tế của bộ điều khiển PID và PLC trong công nghiệp phun ép, từ đó phát triển sản phẩm phù hợp với nhu cầu thị trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Điều khiển PID có ưu điểm gì so với phương pháp ON-OFF trong điều khiển nhiệt độ khuôn?
    Điều khiển PID giúp giảm sai số và dao động nhiệt độ, tăng độ ổn định và tốc độ đáp ứng, trong khi ON-OFF chỉ bật/tắt thiết bị, dễ gây dao động và không chính xác. Ví dụ, PID duy trì nhiệt độ ổn định trong phạm vi ±2ºC, ON-OFF có thể dao động lớn hơn 5ºC.

  2. Làm thế nào để xác định các thông số Kp, Ki, Kd phù hợp cho hệ thống?
    Thông thường sử dụng phương pháp Ziegler-Nichols hoặc thực nghiệm điều chỉnh từng tham số để đạt đáp ứng mong muốn. Việc này được thực hiện qua các chu kỳ thử nghiệm và quan sát biểu đồ nhiệt độ.

  3. Tại sao sử dụng PLC Siemens S7-1200 trong nghiên cứu này?
    PLC S7-1200 có khả năng lập trình linh hoạt, tích hợp khối hàm PID_Compact, dễ dàng giao tiếp với phần mềm TIA Portal và WinCC, phù hợp cho điều khiển tự động trong công nghiệp vừa và nhỏ.

  4. Phần mềm TIA Portal hỗ trợ gì trong quá trình điều khiển?
    TIA Portal cung cấp môi trường lập trình, cấu hình thiết bị, giám sát và thu thập dữ liệu trực quan, giúp người vận hành dễ dàng theo dõi và điều chỉnh hệ thống điều khiển PID.

  5. Nhiệt độ khuôn ổn định ảnh hưởng thế nào đến chất lượng sản phẩm nhựa?
    Nhiệt độ khuôn ổn định giúp nhựa chảy đầy đủ, giảm khuyết tật bề mặt, tăng độ bền cơ học và giảm tỷ lệ phế phẩm. Ví dụ, khi nhiệt độ khuôn duy trì ổn định ở 100ºC, tỷ lệ sản phẩm lỗi giảm từ 8% xuống dưới 3%.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả của phương pháp điều khiển PID trong việc nâng cao độ ổn định và tốc độ điều khiển nhiệt độ khuôn phun ép.
  • Việc áp dụng PLC Siemens S7-1200 và phần mềm TIA Portal giúp đơn giản hóa quá trình lập trình và giám sát hệ thống.
  • Kết quả thực nghiệm cho thấy giảm thời gian gia nhiệt từ 192 giây xuống còn khoảng 34 giây, đồng thời giảm tỷ lệ phế phẩm đáng kể.
  • Đề xuất mở rộng ứng dụng và đào tạo kỹ thuật viên nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất trong ngành công nghiệp nhựa.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực tế tại các nhà máy, tối ưu hóa tham số PID và phát triển phần mềm giám sát nâng cao.

Hãy áp dụng các giải pháp điều khiển PID để nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất trong ngành công nghiệp phun ép nhựa ngay hôm nay!