Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp dệt may Việt Nam đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế với khoảng 2,2 triệu lao động trực tiếp, góp phần lớn vào kim ngạch xuất khẩu, chỉ đứng sau ngành dầu mỏ. Nhà máy Dệt 19/5, với gần 50 năm phát triển, là một trong những đơn vị tiêu biểu trong lĩnh vực này, sử dụng dây chuyền sản xuất hiện đại nhập khẩu từ Ý. Tuy nhiên, các dây chuyền sản xuất cũ tại nhà máy đang gây tiêu hao năng lượng lớn, ảnh hưởng đến hiệu suất và chi phí vận hành. Trong bối cảnh đó, việc nghiên cứu và ứng dụng hệ thống điều khiển tự động hóa nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất, tiết kiệm năng lượng và cải thiện chất lượng sản phẩm là rất cần thiết.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng và phát triển hệ thống điều khiển công đoạn hồ sợi tại nhà máy Dệt 19/5, sử dụng bộ điều khiển PLC ControlLogix 1756-L61 và phần mềm giám sát RSView32. Nghiên cứu bao gồm phân tích công nghệ sản xuất, thiết bị chấp hành, xây dựng bài toán điều khiển và thiết kế giao diện vận hành, giám sát. Phạm vi nghiên cứu thực hiện trong giai đoạn 2010-2013 tại nhà máy Dệt 19/5, Hà Nội.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc tối ưu hóa quá trình hồ sợi – một công đoạn then chốt trong sản xuất vải, giúp tăng độ bền, tính đàn hồi và chất lượng sợi, đồng thời giảm tiêu hao năng lượng và nâng cao hiệu suất vận hành. Kết quả nghiên cứu góp phần hiện đại hóa công nghệ sản xuất dệt may, đáp ứng yêu cầu phát triển bền vững của ngành.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình điều khiển tự động hiện đại, trong đó nổi bật là:

  • Lý thuyết điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative): Đây là phương pháp điều khiển phổ biến trong công nghiệp, giúp điều chỉnh chính xác các thông số như nhiệt độ, lực căng, tốc độ động cơ trong quá trình hồ sợi. Bộ điều khiển PID được tích hợp trong phần mềm RSLogix5000 với chức năng Auto-tuning PID (PIDE) giúp tối ưu hóa tham số điều khiển.

  • Mô hình điều khiển vector (Field Oriented Control - FOC): Áp dụng cho biến tần nguồn áp, phương pháp FOC cho phép điều khiển momen và tốc độ động cơ không đồng bộ một cách chính xác và nhanh chóng, phù hợp với yêu cầu vận hành các động cơ kéo sợi trong nhà máy.

  • Mạng truyền thông công nghiệp DeviceNet: Được sử dụng để kết nối và điều khiển các thiết bị chấp hành như biến tần PowerFlex 700S, cảm biến lực, cảm biến nhiệt độ, van khí nén, đảm bảo truyền thông ổn định và hiệu quả trong hệ thống điều khiển.

Các khái niệm chính bao gồm: động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc, biến tần nguồn áp, cảm biến lực PD21, cảm biến nhiệt PT100, và hệ thống giám sát RSView32.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ thực tế vận hành tại phân xưởng sản xuất vải của nhà máy Dệt 19/5, kết hợp với tài liệu kỹ thuật, tiêu chuẩn công nghiệp và phần mềm điều khiển PLC ControlLogix 1756-L61. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 7 động cơ kéo sợi, nhiều cảm biến và thiết bị chấp hành trong dây chuyền hồ sợi.

Phương pháp phân tích sử dụng bao gồm:

  • Phân tích kỹ thuật hệ thống: Đánh giá cấu trúc dây chuyền sản xuất, thiết bị chấp hành, và các thông số vận hành.

  • Thiết kế và lập trình điều khiển: Xây dựng thuật toán điều khiển PID cho các bài toán như điều khiển nhiệt độ, lực căng, tốc độ động cơ trên phần mềm RSLogix5000.

  • Mô phỏng và giám sát: Thiết kế giao diện vận hành trên nền RSView32, kết nối qua mạng DeviceNet và Ethernet/IP để thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển trực tiếp.

  • Thời gian nghiên cứu: Từ năm 2010 đến 2013, với các giai đoạn khảo sát thực tế, thiết kế hệ thống, lập trình, thử nghiệm và hoàn thiện.

Phương pháp chọn mẫu thiết bị và phân tích dựa trên yêu cầu kỹ thuật, tính khả thi và hiệu quả kinh tế trong vận hành nhà máy.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả điều khiển nhiệt độ bể nấu hồ: Hệ thống điều khiển PID tự động duy trì nhiệt độ bể nấu hồ ổn định ở mức 70-90°C với sai số dưới 2%, giúp đảm bảo chất lượng dung dịch hồ. So với vận hành thủ công, tỷ lệ sai số giảm khoảng 40%, góp phần tiết kiệm năng lượng và giảm hao hụt nhiệt.

  2. Điều khiển lực căng sợi chính xác: Cảm biến lực PD21 kết hợp bộ khuyếch đại CV2201 cung cấp tín hiệu chuẩn 4-20mA, cho phép điều khiển lực căng sợi trong phạm vi 5-15N với độ chính xác ±0,5N. Điều này giảm tỷ lệ đứt sợi xuống dưới 1%, so với mức khoảng 5% trước khi áp dụng hệ thống điều khiển tự động.

  3. Đồng bộ tốc độ động cơ kéo sợi: Sử dụng biến tần PowerFlex 700S và phương pháp điều khiển vector FOC, tốc độ động cơ được đồng bộ với sai số dưới 1%, đảm bảo quá trình kéo sợi liên tục, ổn định. Tốc độ động cơ được điều chỉnh trong dải 0-320Hz, phù hợp với yêu cầu sản xuất đa dạng.

  4. Giám sát và vận hành trực quan: Giao diện RSView32 cho phép theo dõi liên tục các thông số như nhiệt độ, lực căng, tốc độ động cơ, mức dung dịch hồ với tần suất cập nhật 1 giây/lần. Việc này giúp phát hiện sớm các sự cố và điều chỉnh kịp thời, nâng cao hiệu quả vận hành.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả điều khiển là do việc áp dụng công nghệ điều khiển tự động hiện đại, kết hợp với hệ thống cảm biến chính xác và biến tần công suất cao. So với các nghiên cứu trong ngành điều khiển tự động hóa công nghiệp, kết quả này tương đồng với các ứng dụng điều khiển PID và FOC trong các dây chuyền sản xuất hiện đại.

Việc duy trì nhiệt độ ổn định trong bể nấu hồ không chỉ đảm bảo chất lượng dung dịch mà còn giảm tiêu hao năng lượng do tránh đun lại nhiều lần. Điều khiển lực căng sợi chính xác giúp giảm tỷ lệ đứt sợi, tăng năng suất và chất lượng sản phẩm cuối cùng. Đồng bộ tốc độ động cơ kéo sợi đảm bảo quá trình sản xuất liên tục, tránh gián đoạn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ đáp ứng nhiệt độ bể nấu theo thời gian, biểu đồ lực căng sợi và tỷ lệ đứt sợi trước và sau khi áp dụng hệ thống điều khiển, cũng như bảng so sánh sai số tốc độ động cơ. Các biểu đồ này minh họa rõ ràng sự cải thiện về hiệu suất và chất lượng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai mở rộng hệ thống điều khiển tự động: Áp dụng hệ thống PLC ControlLogix 1756-L61 và biến tần PowerFlex 700S cho toàn bộ dây chuyền sản xuất tại nhà máy nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và tiết kiệm năng lượng. Thời gian thực hiện dự kiến 12 tháng, do phòng kỹ thuật nhà máy chủ trì.

  2. Nâng cấp hệ thống cảm biến và thiết bị chấp hành: Thay thế các cảm biến lực, nhiệt độ và van khí nén cũ bằng các thiết bị có độ chính xác cao hơn, đảm bảo độ tin cậy và ổn định trong quá trình vận hành. Thời gian thực hiện 6 tháng, phối hợp với nhà cung cấp thiết bị.

  3. Đào tạo nhân viên vận hành và bảo trì: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về vận hành hệ thống điều khiển tự động, lập trình PLC và giám sát qua RSView32 nhằm nâng cao năng lực nhân sự. Thời gian đào tạo 3 tháng, do phòng nhân sự và kỹ thuật phối hợp thực hiện.

  4. Xây dựng hệ thống giám sát và báo cáo tự động: Phát triển phần mềm giám sát tập trung, kết nối dữ liệu từ các phân xưởng, cung cấp báo cáo hiệu suất, cảnh báo sự cố theo thời gian thực. Thời gian triển khai 9 tháng, do phòng công nghệ thông tin và kỹ thuật phối hợp.

Các giải pháp trên nhằm mục tiêu giảm tiêu hao năng lượng ít nhất 15%, tăng năng suất sản xuất 10% trong vòng 1 năm sau khi triển khai, đồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu sự cố vận hành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư tự động hóa và điều khiển: Nghiên cứu cung cấp kiến thức thực tiễn về thiết kế và vận hành hệ thống điều khiển PLC, biến tần và cảm biến trong ngành dệt may, giúp nâng cao kỹ năng chuyên môn và ứng dụng công nghệ mới.

  2. Quản lý nhà máy dệt may: Tham khảo để hiểu rõ về các giải pháp tự động hóa giúp tối ưu hóa dây chuyền sản xuất, tiết kiệm năng lượng và nâng cao chất lượng sản phẩm, từ đó đưa ra các quyết định đầu tư hợp lý.

  3. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành điện – điện tử, tự động hóa: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng thực tế các lý thuyết điều khiển PID, FOC, mạng truyền thông công nghiệp trong môi trường sản xuất công nghiệp.

  4. Nhà cung cấp thiết bị công nghiệp: Hiểu rõ yêu cầu kỹ thuật và vận hành thực tế của nhà máy dệt may để phát triển sản phẩm phù hợp, nâng cao chất lượng dịch vụ và hỗ trợ khách hàng hiệu quả.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống điều khiển PLC ControlLogix 1756-L61 có ưu điểm gì nổi bật?
    Bộ điều khiển này có khả năng xử lý nhanh, dung lượng bộ nhớ lớn, hỗ trợ nhiều module I/O và giao tiếp mạng Ethernet/IP, ControlNet, DeviceNet, phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp phức tạp như điều khiển dây chuyền dệt may.

  2. Tại sao chọn biến tần nguồn áp cho điều khiển động cơ kéo sợi?
    Biến tần nguồn áp có hiệu suất cao, hệ số công suất gần 1, phù hợp với tải nhỏ dưới 30kW, cho phép điều khiển tốc độ và momen chính xác, đồng thời hỗ trợ kỹ thuật PWM giảm tổn hao và sóng hài.

  3. Làm thế nào để đảm bảo lực căng sợi ổn định trong quá trình hồ sợi?
    Sử dụng cảm biến lực PD21 kết hợp bộ khuyếch đại CV2201 để đo lực căng, tín hiệu được xử lý trong PLC để điều khiển van khí nén và phanh hãm, duy trì lực căng trong phạm vi yêu cầu, giảm đứt sợi và tăng chất lượng sản phẩm.

  4. Phần mềm RSView32 có vai trò gì trong hệ thống?
    RSView32 cung cấp giao diện vận hành và giám sát trực quan, cho phép người vận hành theo dõi các thông số như nhiệt độ, lực căng, tốc độ động cơ, mức dung dịch hồ, cảnh báo sự cố và lưu trữ dữ liệu phục vụ phân tích.

  5. Làm thế nào để tối ưu hóa quá trình nấu hồ sợi?
    Điều khiển tự động nhiệt độ và mức dung dịch trong bể nấu và bể thế năng bằng PID, sử dụng động cơ khuấy và van cấp nhiệt điều khiển chính xác, đảm bảo dung dịch hồ đạt chất lượng ổn định, giảm thất thoát nhiệt và tăng hiệu suất sản xuất.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xây dựng thành công hệ thống điều khiển tự động công đoạn hồ sợi tại nhà máy Dệt 19/5, sử dụng PLC ControlLogix 1756-L61 và biến tần PowerFlex 700S.
  • Hệ thống điều khiển PID và phương pháp FOC giúp duy trì các thông số vận hành ổn định, nâng cao chất lượng sợi và giảm tỷ lệ đứt sợi xuống dưới 1%.
  • Giao diện RSView32 cung cấp công cụ giám sát trực quan, hỗ trợ vận hành và bảo trì hiệu quả.
  • Đề xuất mở rộng ứng dụng hệ thống điều khiển tự động hóa toàn bộ dây chuyền sản xuất nhằm tiết kiệm năng lượng và tăng năng suất.
  • Các bước tiếp theo bao gồm đào tạo nhân sự, nâng cấp thiết bị cảm biến và phát triển hệ thống giám sát tập trung, dự kiến hoàn thành trong vòng 1 năm.

Mời các chuyên gia và nhà quản lý ngành dệt may tiếp cận và ứng dụng nghiên cứu để thúc đẩy hiện đại hóa công nghệ sản xuất, nâng cao năng lực cạnh tranh của ngành trong bối cảnh hội nhập quốc tế.