Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong hệ thống truyền tải và phân phối năng lượng điện phục vụ sản xuất công nghiệp và đời sống xã hội, dây và cáp điện đóng vai trò huyết mạch, quyết định trực tiếp đến chất lượng điện năng, độ an toàn và hiệu suất truyền tải của toàn hệ thống. Quá trình phát triển của ngành công nghiệp sản xuất cáp điện tại Việt Nam trải qua nhiều giai đoạn: từ thời kỳ sử dụng hệ thống cũ và phụ thuộc hoàn toàn vào cáp nhập khẩu, đến giai đoạn sau khi hoàn thành công trình Thủy điện Hòa Bình với sự hình thành của các xưởng sản xuất quy mô nhỏ (chủ yếu chế tạo cáp đồng, nhôm trần hoặc bọc PVC/cao su cấp điện áp dưới 3 kV). Từ năm 1995, trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa, nhu cầu thị trường về chủng loại và chất lượng cáp tăng mạnh, thúc đẩy các doanh nghiệp như Cadivi, LS Vina, Trần Phú đầu tư đổi mới công nghệ.

Nhằm tiếp cận và làm chủ công nghệ điều khiển tự động hóa trong các nhà máy sản xuất hiện đại, đề tài "Nghiên cứu và tìm hiểu dây chuyền tự động sản xuất dây cáp điện" được thực hiện bởi sinh viên Lê Quang Duy (Lớp ĐC1701, Ngành Điện Tự Động Công Nghiệp, Trường Đại học Dân lập Hải Phòng) dưới sự hướng dẫn của GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn vào năm 2017.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài bao gồm:

  1. Nghiên cứu thực tế dây chuyền công nghệ và cơ cấu sản phẩm tại Công ty TNHH Tâm Chiến (thương hiệu dây cáp điện TACHIKO).
  2. Khảo sát, phân tích chi tiết sơ đồ công nghệ, trang bị điện động lực và hệ thống điều khiển tự động của các cụm máy trong toàn bộ dây chuyền sản xuất cáp điện.
  3. Tìm hiểu quy trình công nghệ gia công từ khâu chuẩn bị nguyên vật liệu, kéo rút, ủ mềm, bện xoắn, đùn bọc cách điện/vỏ bảo vệ đến các phương pháp kiểm tra thử nghiệm và đóng gói thành phẩm.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống dây chuyền tự động sản xuất dây và cáp điện công nghiệp. Phạm vi khảo sát tập trung vào các thiết bị công nghệ, cấu trúc trang bị điện, thiết bị điều khiển logic khả trình (PLC), biến tần, bộ điều tốc một chiều và hệ thống đo lường, giám sát được ứng dụng trong thực tế sản xuất tại nhà máy của Công ty TACHIKO.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp khảo sát kỹ thuật

Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa khảo sát thực địa công nghệ nhà máy và phân tích lý thuyết chuyên ngành Điện Tự động Công nghiệp:

  • Phương pháp thu thập và khảo sát thực tế: Tiếp cận trực tiếp hệ thống máy móc, thiết bị kéo rút, lò ủ điện trở, máy bện lồng, máy đùn trục vít và hệ thống tủ điều khiển tại Công ty TNHH Tâm Chiến (TACHIKO).
  • Phương pháp phân tích - tổng hợp kỹ thuật: Phân tích nguyên lý làm việc của từng công đoạn cơ khí - điện; thống kê, phân loại các tham số định mức của máy điện truyền động, thiết bị cảm biến, cơ cấu chấp hành và hệ thống trao đổi nhiệt/bôi trơn.
  • Khung tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng: Hệ thống quản lý chất lượng ISO 9001:2008 / ISO 9001-2013; các bộ tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế về thử nghiệm và sản xuất dây cáp điện: IEC 60840 (cáp cao thế 66–150 kV), IEC 60228 (ruột dẫn), IEC 60227 / TCVN 6610 (dây điện bọc PVC), BS 6004, AS/NZS, ICEA và TCVN 2013.

Thiết kế và trang bị điện của dây chuyền tự động

Dây chuyền sản xuất cáp điện hoạt động theo chế độ liên tục dài hạn với tính liên hoàn và đồng bộ cao giữa các cụm máy. Hệ thống trang bị điện động lực và điều khiển được cấu thành từ các khối thiết bị chính:

Cụm thiết bị Động cơ truyền động chính / Thông số nguồn Thiết bị điều khiển / Bổ trợ Chức năng kỹ thuật
Máy kéo rút dây thô - trung Động cơ DC Z4-315-12 (280 kW, 440 VDC, 1000 rpm); Động cơ DC bánh định tốc Z4-200-21 (75 kW, 440 VDC, 1500 rpm) Bộ biến đổi chỉnh lưu Thyristor cầu 3 pha; Biến tần; Hệ thống bôi trơn CBZ-70A (1,3 MPa), bể nhũ hóa 20 m³ Biến dạng dẻo kéo giảm tiết diện thanh đồng từ $\Phi 8$ mm xuống $\Phi 1{,}x$ mm; tốc độ kéo tối đa 25 m/s
Cụm thu dây mâm kép 02 Động cơ DC Z4-160-31 (30 kW, 440 VDC, 1500 rpm) Bơm piston hướng trục 25MCY14-1B; Động cơ bơm dầu Y100L-4 (2,2 kW) Thu dây liên tục, tự động đảo mâm ở tốc độ 8–12 m/s; xếp dây vô cấp max 6 mm/vòng
Cụm thu dây lồng Động cơ DC thành lồng (22 kW); Động cơ xếp dây chuyên dụng Cơ cấu khí động thay mâm 3 vị trí; Bánh trống $\Phi 800/\Phi 650$ mm Thu dây mềm thành lồng lớn $\Phi 630 \times \Phi 1000 \times 1500$ mm; tốc độ max 20 m/s
Máy ủ mềm liên hoàn Máy biến áp ủ chuyên dụng 360 kVA; Nguồn DC max 60 V, dòng max 6000 A Bảng điều khiển công suất/điều tốc; Bơm nước làm mát (7,5 kW, lưu lượng 30 m³/h) Nung điện trở 2 đoạn trong khí trơ ($N_2$) ở ~200°C; làm mát dầu tẩy để phục hồi độ dẻo, bóng của ruột đồng
Máy bện xoắn Động cơ chính công suất 30 kW Đầu quấn băng (max 377 rpm); Đầu bọc giáp (max 345 rpm); Lô xả/thu PN1250–PN2500 Bện xoắn các sợi lõi (1,25–630 mm², tối đa 61 sợi); bước bện 150–2652 mm; tải trọng 12 tấn
Máy đùn bọc cách điện Động cơ 3 pha biến tần 30 HP (tổng công suất 22 kW) 04 quạt làm mát ly tâm; Bộ điều khiển nhiệt RKC; 07 điểm đo/gia nhiệt nòng trục vít 8 kW Đùn ép nhựa PVC/XLPE qua trục vít $\Phi 65$ mm (L/D = 26:1) bọc đồng tâm lõi cáp hạ thế/trung thế
Máy đùn bọc vỏ bảo vệ Động cơ trục vít công suất lớn (tổng công suất 22 kW) Trục đùn cỡ lớn $\Phi 150$ mm; Cụm gia nhiệt và định hình vỏ ngoài Bọc vỏ nhựa PE/PVC bảo vệ chống va đập, chống thấm cho cáp đường kính 10–110 mm
Máy cuộn tự động CP1250 Hệ thống truyền động điều khiển biến tần Inverter PLC, màn hình công nghiệp GP, cảm biến đếm mét dây đai Đóng cuộn thành phẩm tự động; tốc độ max 500 m/min; tự động giảm tốc và báo cắt khi đủ mét

Cấu trúc điều khiển tự động toàn hệ thống bao gồm:

  • Khối xử lý trung tâm: 01 bộ PLC Siemens kết hợp màn hình cảm ứng công nghiệp Eview 10 inch để cài đặt tham số hai chiều, hiển thị tốc độ dây (m/phút), trạng thái lực căng, trạng thái bộ bù và giám sát số mét thành phẩm.
  • Khối truyền động và đồng tốc: Sử dụng bộ điều tốc một chiều Thyristor cầu 3 pha và các bộ biến tần kết hợp bộ chuyển mã quay vòng (encoder), cảm biến lực căng khí động để điều khiển tự động bám tốc độ giữa khâu kéo rút, ủ mềm và thu cuộn, hạn chế hiện tượng giật đứt dây.
  • Khối an toàn và bảo vệ: Hệ thống bảo vệ quá dòng bằng cầu chì cao tốc cho các bộ biến đổi, rơle nhiệt bảo vệ động cơ phụ trợ, cảm biến phát hiện đứt dây/rối dây và nút dừng khẩn cấp toàn dây chuyền.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu về Công ty Tachiko và các dòng sản phẩm cáp điện

Chương này trình bày lịch sử hình thành, mô hình tổ chức và năng lực sản xuất của Công ty TNHH Tâm Chiến (thương hiệu TACHIKO, thành lập từ năm 1995). Doanh nghiệp áp dụng quy trình kiểm soát chất lượng ISO 9001:2008 và sản xuất các nhóm sản phẩm đáp ứng tiêu chuẩn TCVN, IEC:

  1. Cáp cao thế (66 kV đến 120 kV): Sản xuất theo IEC 60840; ruột dẫn đồng/nhôm bện nén tròn hoặc Segments theo IEC 60228; cách điện Polyethylene liên kết ngang (XLPE) siêu sạch; đùn đồng thời 3 lớp (màn chắn lõi, cách điện, màn chắn cách điện) dưới sự kiểm soát của áp suất khí quyển và hệ thống tia X; vỏ bọc hợp kim chì hoặc sợi đồng kèm lớp nhôm mỏng, giáp chậm cháy và chống mối mọt.
  2. Cáp trung thế (6 kV đến 45 kV): Sản xuất theo tiêu chuẩn IEC, AS/NZS, BS, ICEA, TCVN; cách điện XLPE hoặc Tree-XLPE; màn chắn kim loại băng đồng; giáp sợi thép/băng thép bảo vệ cơ học (đối với cáp đơn dùng vật liệu không nhiễm từ như nhôm); vỏ ngoài PVC hoặc PE chống cháy.
  3. Cáp hạ thế (1 kV đến 3 kV): Ruột dẫn kiểu Sector, nén tròn hoặc Milliken; cách điện PVC, XLPE hoặc X-90; ký hiệu quy chuẩn CVV, CEV, CVE (C: đồng, E: XLPE, V: PVC).
  4. Cáp điều khiển (điện áp $\le 1000$ V): Sử dụng trong các tòa nhà và mạch điều khiển công nghiệp; trang bị màn chắn chống nhiễu bằng băng đồng hoặc băng nhôm, vỏ bọc chống côn trùng, chậm cháy.
  5. Cáp trần cho đường dây trên không: Bao gồm cáp đồng/nhôm trần, cáp nhôm lõi thép ACSR, ACSR bôi mỡ (ACSR/Grs dùng trong môi trường nhiễm mặn), cáp sợi thép bọc nhôm (ACSR/AW), cáp hợp kim nhôm lõi thép (AACSR) và cáp chịu lực cao (HCC).
  6. Dây điện dân dụng (0,6/1 kV): Sử dụng đồng điện phân độ tinh khiết cao 99,97%, độ dẫn điện tối thiểu $58\text{ m}/(\Omega\cdot\text{mm}^2)$. Các quy cách chính bao gồm:
    • Dây đơn cứng (ruột đồng, cách điện PVC 450/750V theo TCVN 6610 / IEC 60227).
    • Dây đơn mềm (TCVN 6610-3:2000, ruột nhiều sợi bện tròn cấp 5, cấp 6, tiết diện 0,5–10 mm², điện áp 300/500V và 450/750V).
    • Dây đôi mềm (TCVN 6610 / BS 6004, dạng hình ô van, điện áp 300/500V).

Chương 2: Nghiên cứu dây chuyền sản xuất dây cáp điện tự động

Chương 2 là trọng tâm kỹ thuật của đồ án, phân tích chi tiết sơ đồ công nghệ, nguyên lý vận hành cơ học và cấu trúc trang bị điện của từng khâu sản xuất:

  • Khâu kéo rút: Thân máy đúc bằng gang HT 200 gia công định vị trên trung tâm CNC của Đức, ổ trục cao tốc NSK. Sử dụng 12 trục bánh trống kéo dây xử lý nhiệt/phun phủ vonfram cacbua đạt độ cứng $HV \ge 850$. Quá trình biến dạng kéo sợi phôi qua 11–13 khuôn kéo với tỷ lệ tốc độ bánh trống 1,25 (khuôn 12). Dây chuyền trang bị bộ bù lực căng kiểu đứng 7 m và hệ thống tuần hoàn dung dịch nhũ hóa làm mát $20\text{ m}^3$ cùng bộ trao đổi nhiệt tấm BR0.6-15-N ($15\text{ m}^2$).
  • Khâu ủ mềm liên hoàn: Dây đồng sau chuốt đi qua 4 puly tiếp xúc ($\Phi 420$ mm) cách điện với thân máy, nối vào nguồn hạ áp điều chỉnh (0–30 VAC hoặc DC max 60 V, dòng nung max 6000 A). Dòng điện ngắn mạch qua sợi đồng đốt nóng cục bộ lên ~200°C trong môi trường bảo vệ hơi nước nóng (áp suất $2{,}5\text{ kg/cm}^2$, nhiệt độ $120^\circ\text{C}$) và dầu tẩy để ngăn oxy hóa bề mặt, sau đó làm mát tuần hoàn.
  • Khâu bện xoắn: Thực hiện ghép các sợi ruột dẫn (tiết diện 1,25–630 mm², số sợi lên đến 61). Tốc độ quay của lồng bện kết hợp với tốc độ kéo dây quyết định bước xoắn theo thiết kế. Dây dẫn sau khi bện được nén tròn qua khuôn ép để định hình tiết diện.
  • Khâu đùn bọc cách điện và vỏ bảo vệ: Hạt nhựa PVC/PE/XLPE được cấp qua phễu, gia nhiệt từ $120^\circ\text{C}$ đến $220^\circ\text{C}$ trong nòng trục vít thép hợp kim 38CrMoAlA (độ cứng 56–58 HRC) và đùn áp lực ($P = 10\text{ kg/cm}^2$) qua đầu bọc bép khuôn. Đối với cáp trung thế, áp dụng công nghệ đùn 3 lớp đồng thời (2 lớp bán dẫn trong/ngoài và lớp cách điện XLPE ở giữa), sau đó đưa vào ống lưu hóa khô chứa khí Nitơ ($P = 10\text{ kg/cm}^2$, nhiệt độ $400^\circ\text{C}$, chiều dài ống 50 m, thời gian lưu hóa khoảng 10 phút với tốc độ kéo 5 m/phút) trước khi qua bể làm mát.
  • Khâu kiểm tra thử nghiệm: Bao gồm máy kiểm tra lực kéo đứt và độ giãn dài cơ học của kim loại; máy thử độ biến dạng nhiệt của vỏ nhựa cách điện; hệ thống máy thử xung điện áp cao 75 kV (cấp điện áp thử nghiệm gấp 2 lần điện áp làm việc định mức để kiểm tra phóng điện đánh thủng); các thiết bị đo điện trở một chiều, điện kháng và điện dung.
  • Khâu đóng gói thành phẩm: Cáp lực lớn được cuốn lô 800–1000 m/rulo; cáp nhỏ cuốn lô 300–500 m/rulo; dây dân dụng đóng cuộn màng nilon 50–200 m hoặc lô nhỏ 100–300 m bằng máy cuộn tự động CP1250.

Chương 3: Tìm hiểu quy trình sản xuất dây cáp điện

Chương 3 tổng kết các bước công nghệ chế tạo cáp điện từ nguyên liệu thô đến sản phẩm hoàn chỉnh:

  • Lựa chọn và kiểm tra nguyên vật liệu: Phôi đồng yêu cầu độ tinh khiết $>99{,}9%$, kiểm tra điện trở suất theo tiêu chuẩn quốc tế. Vật liệu bọc lót cách điện sử dụng PVC và hạt nhựa XLPE. Đồ án chỉ rõ ưu điểm của XLPE so với PVC truyền thống: XLPE có độ bền điện môi và độ chịu nhiệt cao hơn, cho phép giảm chiều dày lớp cách điện, từ đó giảm đường kính ngoài, giảm khối lượng cáp và tiết kiệm chi phí vật tư.
  • Các cấp kéo rút dây kim loại: Phân định 3 cấp kéo rút gồm kéo thô ($\Phi 8{,}0$ mm xuống $\Phi 0{,}7$ mm), kéo trung ($\Phi 2{,}6$ mm xuống $\Phi 0{,}7$ mm) và kéo tinh ($\Phi 1{,}2$ mm xuống $\Phi 0{,}17$ mm).
  • Công nghệ bện ruột dẫn: Bện đồng mềm (29 đến 75 sợi cho dây điện mềm); bện đồng cứng (7 đến 37 sợi cho cáp điện lực); bện nhóm vặn xoắn 4 bobbin kết hợp chèn sợi Polypropylene (PP) định hình tròn và quấn áo giáp kim loại bảo vệ cơ học.

Kết quả và đóng góp kỹ thuật

  1. Tổng hợp đầy đủ các thông số công nghệ của dây chuyền sản xuất cáp: Đồ án đã hệ thống hóa toàn bộ tham số cơ - điện chi tiết của các cụm máy kéo rút, ủ mềm, bện xoắn, đùn bọc và thu cuộn trong một dây chuyền tự động hóa hoàn chỉnh.
  2. Làm rõ cấu trúc điều khiển tự động hóa tích hợp: Phân tích giải pháp điều khiển kết hợp giữa PLC Siemens, màn hình HMI Eview và hệ truyền động Thyristor/Biến tần, giải quyết bài toán đồng tốc và duy trì lực căng ổn định trong môi trường sản xuất liên tục, giảm thiểu sự cố đứt dây phôi.
  3. Phân tích so sánh công nghệ vật liệu cách điện: Đưa ra cơ sở kỹ thuật về việc chuyển đổi từ cách điện PVC sang XLPE lưu hóa khô bằng khí $N_2$ áp suất cao ($10\text{ kg/cm}^2$), giúp nâng cao giới hạn chịu nhiệt và giảm kích thước hình học của cáp điện lực.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Đề tài dừng lại ở mức độ khảo sát, nghiên cứu cấu trúc thiết bị và nguyên lý điều khiển của dây chuyền hiện hữu; chưa đi sâu vào việc lập trình chi tiết mã lệnh (ladder logic) trên PLC Siemens hoặc thiết kế thuật toán điều khiển vòng kín cho các bộ biến đổi Thyristor.
  • Hướng mở rộng: Xây dựng mô hình toán học và thuật toán điều khiển PID/Fuzzy cho bài toán ổn định lực căng dây; thiết kế hệ thống giám sát SCADA thu thập dữ liệu sản xuất thời gian thực cho toàn phân xưởng; nghiên cứu tích hợp các cảm biến đo đường kính dây bằng laser không tiếp xúc trong khâu kéo rút và đùn bọc.

Giá trị tham khảo thực tiễn

Tài liệu là nguồn tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Điện Tự Động Công Nghiệp, Kỹ thuật Điện, Cơ điện tử làm đồ án tốt nghiệp, đồ án môn học Trang bị điện - Điện tử công suất hoặc nghiên cứu về hệ thống truyền động nhiều động cơ đồng tốc.
  • Kỹ sư vận hành, bảo trì tại các nhà máy sản xuất dây và cáp điện tham khảo về quy trình bảo dưỡng cụm cơ khí (hộp giảm tốc, bơm nhũ hóa) và hệ thống trang bị điện (bộ điều tốc một chiều, lò ủ điện trở).

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ truyền động chính của máy kéo rút trong đồ án sử dụng loại nào và có thông số ra sao?
Máy kéo rút chính sử dụng động cơ điện một chiều mã hiệu Z4-315-12, công suất định mức 280 kW, điện áp 440 VDC, tốc độ định mức 1000 vòng/phút. Bánh định tốc sử dụng động cơ DC Z4-200-21 công suất 75 kW, 1500 vòng/phút. Cả hai đều được điều khiển thông qua bộ biến đổi chỉnh lưu Thyristor cầu 3 pha.

2. Nguyên lý của khâu ủ mềm liên hoàn cho sợi đồng được thực hiện như thế nào?
Khâu ủ mềm sử dụng phương pháp nung điện trở hai đoạn. Sợi đồng sau chuốt đi qua 4 puly tiếp xúc có điện áp xoay chiều/một chiều điều khiển được (điện áp max 60 VDC, dòng điện max 6000 A). Dòng điện chạy qua sợi đồng tạo nhiệt lượng khoảng 200°C. Quá trình nung diễn ra trong môi trường hơi nước nóng 120°C (áp suất $2{,}5\text{ kg/cm}^2$) và bể dầu làm mát/dầu tẩy để phục hồi độ dẻo và độ bóng mà không làm oxy hóa bề mặt kim loại.

3. Khâu đùn bọc cách điện cáp trung thế khác cáp hạ thế ở những điểm nào?
Cáp hạ thế thông thường sử dụng máy đùn 1 lớp bọc nhựa PVC/PE. Cáp trung thế áp dụng công nghệ đùn đồng thời 3 lớp (2 lớp bán dẫn trong/ngoài và 1 lớp cách điện XLPE siêu sạch ở giữa), sau đó sợi cáp đi qua ống lưu hóa khô chứa khí Nitơ ở nhiệt độ $400^\circ\text{C}$, áp suất $10\text{ kg/cm}^2$ với chiều dài 50 m (thời gian lưu hóa ~10 phút) để các phân tử Polymer liên kết ngang hoàn toàn.

4. Khâu kiểm tra thử nghiệm thành phẩm bao gồm các hạng mục chính nào?
Hệ thống thử nghiệm bao gồm: máy đo lực kéo đứt và độ giãn dài của ruột kim loại; máy thử độ biến dạng nhiệt của lớp nhựa cách điện; hệ thống tạo xung điện áp cao 75 kV để kiểm tra độ bền cách điện (thử ở mức điện áp bằng 2 lần điện áp danh định); cùng các thiết bị đo điện trở một chiều, điện kháng và điện dung.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Lê Quang Duy đã hoàn thành việc khảo sát, phân tích toàn diện công nghệ và trang bị điện của dây chuyền tự động sản xuất dây cáp điện tại Công ty TACHIKO. Công trình làm rõ mối liên hệ mật thiết giữa công nghệ gia công cơ - nhiệt (kéo rút, ủ mềm, bện lõi, đùn bọc) và hệ thống điều khiển tự động hóa (PLC Siemens, màn hình Eview, truyền động Thyristor/Biến tần). Kết quả nghiên cứu phản ánh sát thực tế sản xuất công nghiệp và cung cấp tài liệu tham khảo có giá trị kỹ thuật cho chuyên ngành Điện Tự Động Công Nghiệp.