Thiết kế mô hình hệ thống máy quấn dây tự động ứng dụng trong công nghiệp

**SEO Mô Tả cho Bài Viết** Mô hình hệ thống máy quấn dây tự động trong công nghiệp giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất, nâng cao hiệu suất và giảm chi phí.

• Tác giả: Hoàng Trung Kiên
• Người hướng dẫn: TS. Tạ Văn Phương
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Thiết kế mô hình hệ thống máy quấn dây tự động trong công nghiệp
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.3. Mục tiêu của đề tài
• 1.4. Đối tượng và phạm vi đề tài
• 1.5. Bố cục trình bày
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Giới thiệu
• 2.2. Các phương pháp ứng dụng điều khiển lực căng
• 2.2.1. Phương pháp điều khiển Torque
• 2.2.2. Phương pháp điều khiển căng chùng
• 2.2.3. Phương pháp điều khiển vận tốc dài
• 2.3. Giới thiệu về bộ điều khiển PID và ứng dụng
• 2.3.1. Khái niệm về PID
• 2.3.2. Các khâu hiệu chỉnh PID
• 2.3.3. Các dạng của PID
• 2.3.4. Cách điều chỉnh thông số bộ điều khiển PID
• 2.3.5. Ứng dụng của bộ điều khiển PID
• 2.4. Các phương pháp điều khiển biến tần bằng PLC
• 2.4.1. Lập trình PLC điều khiển theo Analog
• 2.4.2. Lập trình PLC điều khiển theo Digital
• 2.4.3. Lập trình PLC điều khiển theo Motori Pot
• 2.4.4. Lập trình PLC điều khiển theo chuẩn giao tiếp RS485
• 2.4.5. Giao thức Ethernet và ứng dụng
• 2.4.5.1. Ứng dụng của truyền thông Ethernet
• 2.4.6. Lựa chọn phương pháp điều khiển
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
• 3.1. Yêu cầu thiết kế phần cứng và phần mềm
• 3.1.1. Yêu cầu thiết kế phần cứng
• 3.1.2. Yêu cầu thiết kế phần mềm
• 3.2. Sơ đồ khối hệ thống
• 3.2.1. Màn hình điều khiển
• 3.2.2. Bộ điều khiển trung tâm
• 3.2.3. Các bộ Driver của động cơ Step
• 3.2.7. Cảm biến tiệm cận
• 3.3. Tính toán chọn thiết bị
• 3.3.1. Tính toán chọn động cơ
• 3.3.2. Tính toán chọn biến tần
• 3.3.3. Tính toán chọn PLC
• 3.3.4. Tính toán chọn Step Motor Module Driver
• 3.3.5. Tính toán chọn Encoder
• 3.3.6. Tính toán chọn cảm biến
• 3.3.7. Tính toán chọn màn hình HMI
• 3.4. Sơ đồ đấu dây các thiết bị
• 4. CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM
• 4.1. Bản vẽ hệ thống
• 4.1.1. Bản vẽ mô phỏng
• 4.1.2. Bản vẽ thực tế
• 4.2. Lập trình điều khiển hệ thống
• 4.2.1. Lập trình cho PLC
• 4.2.2. Giao diện HMI
• 4.2.3. Phân tích đánh giá kết quả thực nghiệm
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Thiết kế mô hình hệ thống máy quấn dây tự động

Thiết kế mô hình hệ thống máy quấn dây tự động là trọng tâm của đề tài, tập trung vào việc tạo ra một hệ thống hiệu quả và tối ưu hóa quy trình sản xuất. Mô hình này được thiết kế để quấn dây tự động, sử dụng các công nghệ hiện đại như PLC và HMI để điều khiển và giám sát. Hệ thống tự động hóa này không chỉ cải thiện năng suất mà còn đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình quấn dây. Các yếu tố như tối ưu hóa sản xuất và cải thiện năng suất được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả trong môi trường công nghiệp.

1.1. Công nghệ quấn dây

Công nghệ quấn dây là một phần không thể thiếu trong thiết kế hệ thống. Công nghệ này bao gồm các phương pháp điều khiển lực căng, tốc độ quấn và độ chính xác của quá trình quấn dây. Các phương pháp như điều khiển Torque và điều khiển vận tốc dài được áp dụng để đảm bảo quá trình quấn dây diễn ra ổn định và hiệu quả. Các thiết bị tự động như biến tần và PLC được sử dụng để điều khiển động cơ và giám sát quá trình quấn dây.

1.2. Ứng dụng công nghiệp

Hệ thống máy quấn dây tự động được thiết kế để ứng dụng trong các nhà máy công nghiệp, nơi yêu cầu cao về năng suất và độ chính xác. Ứng dụng công nghiệp của hệ thống này bao gồm quấn dây cho máy biến áp, cuộn cảm và các thiết bị điện khác. Hệ thống không chỉ giúp tăng năng suất mà còn giảm thiểu sai sót trong quá trình sản xuất, đáp ứng các yêu cầu khắt khe của ngành công nghiệp.

II. Hiệu quả trong công nghiệp

Hiệu quả trong công nghiệp là một trong những mục tiêu chính của đề tài. Hệ thống máy quấn dây tự động được thiết kế để tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm thiểu thời gian và chi phí. Việc sử dụng các thiết bị tự động như PLC và HMI giúp hệ thống hoạt động ổn định và chính xác, từ đó cải thiện năng suất và chất lượng sản phẩm. Tối ưu hóa sản xuất được thực hiện thông qua việc điều chỉnh các thông số như tốc độ quấn, lực căng và số vòng quấn, đảm bảo quá trình sản xuất diễn ra liên tục và hiệu quả.

2.1. Cải thiện năng suất

Hệ thống máy quấn dây tự động giúp cải thiện năng suất đáng kể trong quá trình sản xuất. Việc tự động hóa quy trình quấn dây giúp giảm thiểu thời gian và công sức của con người, đồng thời tăng độ chính xác và ổn định của sản phẩm. Các thông số như tốc độ quấn, lực căng và số vòng quấn được điều chỉnh tự động, giúp quá trình sản xuất diễn ra nhanh chóng và hiệu quả.

2.2. Tối ưu hóa quy trình công nghiệp

Tối ưu hóa quy trình công nghiệp là một trong những lợi ích chính của hệ thống máy quấn dây tự động. Hệ thống này giúp giảm thiểu sai sót trong quá trình sản xuất, đồng thời tăng năng suất và chất lượng sản phẩm. Việc sử dụng các thiết bị tự động như PLC và HMI giúp quy trình sản xuất diễn ra liên tục và ổn định, đáp ứng các yêu cầu khắt khe của ngành công nghiệp.

III. Thiết bị tự động và công nghệ

Thiết bị tự động và công nghệ quấn dây là những yếu tố quan trọng trong thiết kế hệ thống máy quấn dây tự động. Các thiết bị như PLC, HMI, biến tần và động cơ được sử dụng để điều khiển và giám sát quá trình quấn dây. Công nghệ quấn dây bao gồm các phương pháp điều khiển lực căng, tốc độ quấn và độ chính xác của quá trình quấn dây. Việc sử dụng các thiết bị tự động và công nghệ hiện đại giúp hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả, đáp ứng các yêu cầu khắt khe của ngành công nghiệp.

3.1. PLC và HMI

PLC và HMI là hai thiết bị quan trọng trong hệ thống máy quấn dây tự động. PLC được sử dụng để điều khiển các hoạt động của hệ thống, trong khi HMI giúp người dùng giám sát và điều chỉnh các thông số của quá trình quấn dây. Việc sử dụng PLC và HMI giúp hệ thống hoạt động ổn định và chính xác, đồng thời giảm thiểu sai sót trong quá trình sản xuất.

3.2. Biến tần và động cơ

Biến tần và động cơ là những thiết bị không thể thiếu trong hệ thống máy quấn dây tự động. Biến tần được sử dụng để điều khiển tốc độ của động cơ, đảm bảo quá trình quấn dây diễn ra ổn định và hiệu quả. Động cơ được sử dụng để quấn dây, với tốc độ và lực căng được điều chỉnh tự động thông qua biến tần và PLC.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, ngành công nghiệp tự động hóa đóng vai trò nòng cốt trong việc tối ưu hóa năng suất và chất lượng sản phẩm. Cùng với sự mở rộng của các khu công nghiệp và chương trình điện khí hóa nông thôn, nhu cầu cung cấp máy biến áp phân phối công suất lớn ngày càng gia tăng. Để đáp ứng đòi hỏi khắt khe về mặt chất lượng và nâng cao năng lực cạnh tranh, các doanh nghiệp chế tạo máy biến áp trong nước bắt buộc phải đổi mới quy trình công nghệ, trong đó công đoạn quấn dây máy biến áp giữ vai trò quyết định đến độ chính xác và tuổi thọ thiết bị.

Trên thị trường hiện nay, các dòng máy quấn dây tự động hoặc bán tự động phần lớn được nhập khẩu từ nước ngoài như Trung Quốc hay Ấn Độ (điển hình như dòng máy quấn dây đồng tự động 6SP) hoặc các dòng máy nội địa như Hoàng Hà D1500 (giá thành khoảng 18 triệu đồng). Tuy nhiên, các thiết bị này tồn tại nhiều nhược điểm: kích thước cồng kềnh, chi phí đầu tư lớn vượt quá khả năng tài chính của các cơ sở sản xuất hoặc tiệm sửa chữa điện dân dụng nhỏ lẻ; việc điều chỉnh thông số còn phụ thuộc vào nút bấm vật lý và biến trở xoay; thiếu màn hình giám sát trực quan quá trình hoạt động. Từ thực tiễn đó, đồ án tốt nghiệp tập trung nghiên cứu, tính toán và chế tạo mô hình máy quấn dây tự động cỡ nhỏ, có chi phí gia công hợp lý và vận hành ổn định.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể:

1. Thiết kế hoàn chỉnh mô hình phần cứng của hệ thống máy quấn dây tự động cỡ nhỏ, phục vụ quấn các loại dây mềm có độ co giãn.
2. Nghiên cứu phương pháp điều khiển tốc độ động cơ 3 pha thông qua bộ điều khiển lập trình PLC và biến tần.
3. Đo lường và phản hồi tốc độ thực tế của động cơ thông qua cảm biến Encoder quang học.
4. Xây dựng thuật toán PID nhằm ổn định vận tốc dài của dây qua rulo khi bán kính cuộn dây thay đổi theo thời gian.
5. Thiết kế giao diện HMI để điều khiển, cài đặt thông số và giám sát toàn bộ trạng thái hoạt động của hệ thống.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Kỹ thuật lập trình PLC S7-1200 và màn hình giao diện HMI; giải thuật điều khiển tự động PID; phương pháp điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều 3 pha qua biến tần; kỹ thuật cơ điện tử trong chế tạo máy quấn dây.
• Phạm vi nghiên cứu:
  • Không gian và thời gian: Đề tài thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, thời gian triển khai từ ngày 01/09/2022 đến ngày 30/12/2022.
  • Giới hạn kỹ thuật: Hệ thống dừng lại ở quy mô mô hình thử nghiệm trong phòng thí nghiệm; tận dụng các linh kiện phần cứng có sẵn; hệ thống chỉ áp dụng cho việc quấn loại dây mềm (thử nghiệm trên dây thừng đường kính 4mm, các loại dây có đường kính > 1mm do bước rải dây lớn); không tích hợp cảm biến đo lực căng trực tiếp; chưa phát triển các cơ cấu phụ trợ như cấp phôi tự động, cắt dây tự động và cơ cấu thay thế rulo tự động.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài tổng hợp và phân tích ba nhóm phương pháp điều khiển lực căng và tốc độ trong công nghiệp quấn/xả cuộn:

1. Phương pháp điều khiển Torque (mô-men):
   • Torque vòng hở với Motor Torque: Biến tần điều chỉnh mô-men đầu ra của động cơ theo đặc tính tải; chi phí thấp nhưng độ chính xác không cao, động cơ chuyên dụng khó thay thế.
   • Torque vòng hở với động cơ không đồng bộ (Motor IM): Áp dụng cho dải công suất rộng hơn, tuy nhiên khả năng can thiệp tốc độ bị hạn chế khi điều chỉnh mô-men.
   • Torque vòng kín (Torque Control + Encoder + Motor IM): Sử dụng bộ điều khiển lực căng chuyên dụng (Tension controller), cảm biến lực căng (Loadcell) gắn trên đường dẫn và Encoder gắn đồng trục động cơ. Hệ thống đảm bảo độ chính xác cao nhưng chi phí đầu tư lớn và cấu hình phức tạp.
2. Phương pháp điều khiển căng chùng: Sử dụng cơ cấu cảm biến vị trí (cảm biến tiệm cận) để phát hiện trạng thái dây bị căng hoặc chùng. Khi dây căng (động cơ quấn quay nhanh), hệ thống giảm tốc độ động cơ; khi dây chùng (động cơ quấn quay chậm), hệ thống tăng tốc độ để tránh rối dây. Phương pháp này đơn giản, giá thành thấp, thích hợp cho xưởng quy mô nhỏ và các loại dây mềm đàn hồi.
3. Phương pháp điều khiển vận tốc dài: Đặt yêu cầu duy trì vận tốc dài $v = \text{const}$ khi vật liệu di chuyển qua các trục. Trong quá trình vận hành, bán kính trục xả $r_x$ giảm dần và bán kính trục quấn $r_q$ tăng dần theo thời gian. Mối quan hệ giữa vận tốc dài $v$ và vận tốc góc $\omega$ được xác định qua công thức $v = \omega \cdot R$. Do đó, tốc độ quay của trục quấn phải giảm dần tương ứng với sự gia tăng của bán kính cuộn dây để giữ nguyên tốc độ tiếp tuyến.

Phương pháp điều khiển được tác giả lựa chọn trên mô hình là sự kết hợp giữa: phương pháp điều khiển vận tốc dài (áp dụng giải thuật PID vòng kín) và phương pháp điều khiển căng chùng (sử dụng cảm biến tiệm cận làm tín hiệu phản hồi chuyển trạng thái).

Khung lý thuyết toán học của bộ điều khiển PID được thiết lập theo công thức liên tục: $$MV(t) = P_{out}(t) + I_{out}(t) + D_{out}(t)$$ Trong đó:

• Khâu tỉ lệ: $P_{out}(t) = K_p \cdot e(t)$, với $K_p$ là hệ số tỉ lệ, $e(t) = SP - PV$ là độ sai lệch giữa giá trị đặt (Set Point) và giá trị đo thực tế (Process Variable).
• Khâu tích phân: $I_{out}(t) = K_i \int_0^t e(\tau) d\tau$, triệt tiêu sai số xác lập theo thời gian tích lũy.
• Khâu vi phân: $D_{out}(t) = K_d \frac{de(t)}{dt}$, phản ứng với tốc độ biến thiên của sai số để giảm độ vọt lố.

Về phương pháp điều khiển biến tần bằng PLC, tác giả phân tích bốn cấu hình: điều khiển bằng tín hiệu tương tự (Analog 0-10V hoặc 4-20mA), điều khiển số (Digital Input kích hoạt các cấp tốc độ định sẵn), điều khiển động cơ bằng chiết áp điện tử (Motori Pot) và điều khiển qua mạng truyền thông nối tiếp RS485. Bên cạnh đó, hệ thống ứng dụng chuẩn truyền thông công nghiệp Ethernet theo giao thức TCP/IP để liên kết mạng nội bộ giữa máy tính lập trình, bộ điều khiển PLC S7-1200 và màn hình giám sát HMI.

Tiêu chí so sánh	Điều khiển Torque vòng kín	Điều khiển căng chùng	Điều khiển vận tốc dài (PID)
Thiết bị đo lường	Loadcell, Encoder đồng trục	Cảm biến tiệm cận	Encoder đo rulo dẫn hướng
Đặc tính thuật toán	Điều khiển dòng/mô-men biến tần	Logic bật/tắt (On/Off) đa cấp	Vòng kín PID điều chỉnh tần số
Độ phức tạp phần cứng	Cao, chi phí lớn	Rất thấp, cơ cấu đơn giản	Trung bình, tính toán tối ưu
Đối tượng vật liệu	Màng mỏng, giấy, tôn thép lá	Dây thừng, dây mềm chịu kéo	Dây cáp, dây điện, sợi tổng hợp

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế đáp ứng các chỉ tiêu kỹ thuật: vận tốc dài đạt từ 0 đến 3 m/phút; dải tốc độ quay trục quấn từ 0 đến 30 RPM; vật liệu thử nghiệm là dây thừng đường kính 4mm.

Cấu trúc phần cứng gồm các khối chức năng chính:

• Bộ điều khiển trung tâm: PLC Siemens S7-1200 CPU 1212C DC/DC/DC (nguồn cấp 24VDC, tích hợp ngõ vào/ra số và ngõ vào analog).
• Bộ biến đổi công suất: Biến tần Mitsubishi FR-D720-0.2K (công suất định mức 0.2 kW, nguồn vào 1 pha/3 pha 220V, tần số ngõ ra 0-500 Hz, tích hợp sẵn thuật toán PID).
• Động cơ truyền động chính: Động cơ xoay chiều 3 pha SPG S8I25GTCE (công suất 25W, điện áp 220VAC, tốc độ định mức 1600 RPM).
• Cơ cấu giảm tốc: Hộp giảm tốc bánh răng trục song song SPG S8KA15B (tỉ số truyền 1:15) phối hợp cùng bộ truyền nhông xích tỉ số truyền 1:3. Tỉ số giảm tốc tổng cộng là $15 \times 3 = 45$ lần, cho tốc độ đầu ra cực đại: $n_{max} = 1600 / 45 \approx 35.56\text{ RPM}$ (đáp ứng yêu cầu vận hành $> 32\text{ RPM}$).
• Cơ cấu rải dây: Động cơ bước Step Motor NEMA 17 điều khiển chuyển động tịnh tiến trục vít me rải dây, thông qua mạch điều khiển vi bước Driver TB6600 nhận xung phát từ đầu ra tốc độ cao của PLC.
• Cảm biến và đo lường: Encoder quang học HN3806-AB-600N (độ phân giải 600 xung/vòng) gắn tại trục rulo đo vận tốc dài thực tế; cảm biến tiệm cận từ tính LJ12A3 phát hiện vị trí giới hạn căng/chùng của dây dẫn.
• Giao diện vận hành: Màn hình cảm ứng HMI Weintek MT8071iP kết nối với PLC qua cổng truyền thông Ethernet.

Quy trình triển khai phần mềm trên môi trường TIA Portal:

• Khởi tạo khối ngắt chu kỳ thời gian OB30 (Cyclic Interrupt) để lấy mẫu tín hiệu với chu kỳ cố định phục vụ thuật toán PID.
• Cấu hình khối hàm công nghệ PID_Compact trong TIA Portal: nhận giá trị đặt vận tốc dài từ HMI (Setpoint), nhận giá trị vận tốc thực tế (Input_PER hoặc Input) tính toán từ khối đếm xung tốc độ cao HSC (High Speed Counter) nối với Encoder HN3806, xuất tín hiệu điều khiển ra biến tần qua module Analog Output hoặc điều chế tần số.
• Cấu hình phát xung điều khiển vị trí chuyển động rải dây thông qua khối chức năng điều khiển chuyển động của Siemens: MC_Power (cấp nguồn điều khiển trục) và MC_MoveJog (điều khiển chạy bước/chạy nhắp cho động cơ bước NEMA 17).
• Lập trình giao diện HMI gồm 5 màn hình: Giao diện khởi động, Giao diện chính, Giao diện Chế độ 1 (chạy tự động theo phương pháp ổn định vận tốc dài PID), Giao diện Chế độ 2 (chạy theo tín hiệu phản hồi cảm biến căng chùng), và Giao diện Chế độ thủ công (Manual) phục vụ căn chỉnh máy.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan đề tài

Chương mở đầu phân tích tính cấp thiết của việc tự động hóa khâu quấn cuộn dây trong chế tạo máy biến áp và gia công cơ điện. Đề tài khảo sát các dòng máy quấn dây hiện hữu trên thị trường như máy quấn dây đồng tự động nhiều trục 6SP và máy quấn dây Hoàng Hà D1500; chỉ rõ các rào cản về mặt chi phí và công nghệ điều khiển tại các cơ sở quy mô nhỏ. Trên cơ sở đó, nhóm tác giả xác định mục tiêu thiết kế mô hình máy quấn dây tự động cỡ nhỏ điều khiển bằng PLC S7-1200, nêu rõ 4 đối tượng nghiên cứu và giới hạn phạm vi mô hình thực nghiệm trong khuôn khổ đồ án tốt nghiệp.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương tập trung làm rõ bản chất kỹ thuật của các cơ chế điều khiển lực căng cuộn dây công nghiệp. Tác giả phân tích cấu trúc, nguyên lý, ưu và nhược điểm của ba cấu hình điều khiển Torque (Torque vòng hở dùng Motor Torque, Torque vòng hở dùng Motor IM, Torque vòng kín dùng Loadcell và Encoder); cấu trúc cơ cấu điều khiển căng chùng qua đòn bẩy gắn cảm biến; và phương pháp điều khiển vận tốc dài dựa trên sự thay đổi bán kính cuộn dây theo thời gian $v(t) = \omega(t) \cdot R(t)$. Chương này cũng trình bày lý thuyết bộ điều khiển PID (khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân; các dạng PID lý tưởng, Laplace, nối tiếp, rời rạc), các phương thức điều khiển biến tần bằng PLC (Analog, Digital, Motori Pot, RS485) và giao thức mạng Ethernet công nghiệp. Cuối chương, nhóm đề xuất phương án ứng dụng kết hợp giữa phương pháp vận tốc dài và phương pháp căng chùng trên mô hình.

Chương 3: Tính toán và thiết kế hệ thống

Chương 3 thiết lập các yêu cầu kỹ thuật chi tiết cho phần cứng và phần mềm. Tác giả xây dựng sơ đồ khối chức năng của hệ thống (HMI, PLC, Driver TB6600, Step Motor NEMA 17, Biến tần Mitsubishi FR-D720, Động cơ xoay chiều SPG, Encoder HN3806, Cảm biến tiệm cận LJ12A3). Chương này trình bày chi tiết các bước tính toán động học và động lực học:

• Tính vận tốc quay cần thiết của trục quấn dựa trên vận tốc dài yêu cầu ($v = 0 - 3\text{ m/phút}$) và chu vi nhỏ nhất của lô xả, xác định tốc độ trục quay tối thiểu là 32 RPM.
• Lựa chọn động cơ xoay chiều SPG S8I25GTCE tốc độ 1600 RPM; tính toán hộp giảm tốc S8KA15B tỉ số truyền 1:15 kết hợp bộ truyền nhông xích 1:3 để hạ tốc độ trục quay về mức cực đại 36 RPM, phù hợp với dải tốc độ tính toán.
• Tính toán và chọn biến tần Mitsubishi FR-D720-0.2K, PLC Siemens S7-1200 CPU 1212C DC/DC/DC, cùng sơ đồ đấu nối mạch động lực và mạch điều khiển chi tiết giữa PLC với các thiết bị ngoại vi.

Chương 4: Xây dựng mô hình thực nghiệm

Chương này công bố các bản vẽ thiết kế mô phỏng 3D và bố trí thiết bị cơ khí thực tế ở hai chế độ hoạt động. Nhóm tác giả xây dựng lưu đồ thuật toán tổng quát cho toàn hệ thống, lưu đồ điều khiển ổn định vận tốc dài bằng PID và lưu đồ điều khiển chạy theo cảm biến căng chùng. Phần lập trình trên TIA Portal được trình bày cụ thể qua từng bước: cấu hình địa chỉ IP mạng Ethernet, cấu hình ngõ vào/ngõ ra tương tự (Analog I/O), cấu hình bộ đếm xung tốc độ cao HSC đọc tín hiệu Encoder pha A/B, cấu hình khối ngắt OB30 và khối công nghệ PID_Compact, cấu hình khối phát xung MC_Power và MC_MoveJog điều khiển động cơ bước rải dây. Đồng thời, chương trình bày chi tiết thiết kế giao diện HMI Weintek qua 5 màn hình hiển thị trực quan và phân tích dữ liệu vận hành thực tế thu được trên mô hình.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được: hoàn thành chế tạo mô hình phần cứng hoạt động ổn định; làm chủ kỹ thuật lập trình PLC S7-1200 kết hợp biến tần điều khiển tốc độ động cơ 3 pha; ứng dụng thành công thuật toán PID ổn định vận tốc dài và giám sát hệ thống qua màn hình HMI. Đồng thời, nhóm tác giả chỉ ra các hạn chế cố hữu của mô hình thử nghiệm và đề xuất các định hướng nâng cấp trong tương lai nhằm đưa hệ thống tiếp cận tiêu chuẩn sản xuất công nghiệp.

Kết quả và đóng góp

Về kết quả thực nghiệm, đồ án đã chế tạo thành công mô hình máy quấn dây tự động hoàn chỉnh về cả cơ khí lẫn điện - điều khiển với các số liệu kỹ thuật được xác lập:

• Tốc độ dài của hệ thống được duy trì ổn định trong dải quy định từ 0 đến 3 m/phút.
• Tốc độ trục quấn được kiểm soát linh hoạt trong dải từ 0 đến 30 RPM nhờ sự phối hợp giữa biến tần Mitsubishi FR-D720-0.2K và hệ truyền động giảm tốc hai cấp (hộp số tỉ số 1:15 và nhông truyền tỉ số 1:3, cho tốc độ ra tối đa 36 RPM).
• Hệ thống đếm xung tốc độ cao HSC trên PLC S7-1200 tiếp nhận và xử lý chính xác tín hiệu phản hồi từ Encoder quang học HN3806-AB-600N (độ phân giải 600 xung/vòng) đặt tại trục rulo, cung cấp dữ liệu tức thời cho khối thuật toán PID_Compact trong khối ngắt OB30.
• Cơ cấu rải dây chuyển động đồng bộ nhờ động cơ bước NEMA 17 điều khiển qua Driver TB6600, thực hiện rải đều lớp dây thừng đường kính 4mm mà không xảy ra hiện tượng đứt hay kẹt dây.
• Màn hình HMI Weintek MT8071iP hiển thị trực quan thông số tốc độ đặt (Set Point), tốc độ đo thực tế, và cho phép chuyển đổi linh hoạt giữa hai chế độ vận hành (Mode 1: điều khiển vận tốc dài PID; Mode 2: điều khiển vị trí căng chùng qua cảm biến).

Giải pháp và đóng góp của đề tài:

• Đề xuất giải pháp tích hợp điều khiển vận tốc dài gián tiếp thông qua đo lường tốc độ bề mặt rulo dẫn hướng kết hợp thuật toán PID trên nền tảng PLC S7-1200, giúp giải quyết bài toán biến thiên bán kính cuộn dây mà không cần trang bị các bộ điều khiển lực căng Loadcell đắt tiền.
• Thiết kế hệ thống điều khiển kết hợp đa thiết bị: PLC Siemens, biến tần Mitsubishi, động cơ xoay chiều SPG, động cơ bước vi bước và màn hình HMI Weintek, minh chứng cho khả năng liên kết linh hoạt giữa các chuẩn thiết bị tự động hóa công nghiệp khác nhau.
• Cung cấp mô hình máy quấn dây kích thước nhỏ gọn, chi phí chế tạo thấp, cấu hình thân thiện qua màn hình cảm ứng, khắc phục nhược điểm cồng kềnh, đắt đỏ và khó thao tác của các dòng máy quấn dây thủ công hoặc máy nhập khẩu hiện nay.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được văn bản đồ án ghi nhận:

• Hệ thống mới dừng lại ở quy mô mô hình thử nghiệm phòng lab; phần lớn phần cứng sử dụng các thiết bị tận dụng có sẵn nên còn tồn tại sai số về tốc độ và tính linh hoạt so với các hệ thống sản xuất công nghiệp thực tế.
• Mô hình chỉ thích hợp quấn loại dây mềm có độ đàn hồi và đường kính lớn (> 1mm, cụ thể thử nghiệm trên dây thừng 4mm) do bước rải dây cơ khí thiết kế còn lớn; chưa quấn được các loại dây kim loại cứng (dây đồng, dây thép) hoặc vật liệu dễ rách/đứt (màng mỏng, chỉ, giấy).
• Hệ thống điều khiển chưa đo lường lực căng trực tiếp trong quá trình quấn (không có Loadcell).
• Dây chuyền chưa hoàn chỉnh, chỉ thực hiện khâu quấn dây mà chưa tích hợp các công đoạn phụ trợ tự động: cấp phôi cuộn dây đầu vào, cắt dây tự động sau khi quấn đủ số vòng, và cơ cấu tháo lắp/thay thế rulo tự động.

Hướng phát triển tiếp theo được đề xuất:

• Nâng cấp kết cấu cơ khí chính xác, thu nhỏ bước rải dây để quấn được các loại dây có tiết diện nhỏ như dây đồng biến áp, dây điện dân dụng.
• Tích hợp thêm cảm biến đo lực căng chuyên dụng (Loadcell) để nâng cấp giải thuật sang điều khiển lực căng vòng kín đa biến, nâng cao độ chính xác khi quấn các vật liệu nhạy cảm.
• Nghiên cứu và chế tạo bổ sung các cơ cấu tự động hóa khép kín: cụm cấp dây tự động, dao cắt dây định lượng và cơ cấu cấp/nhả rulo tự động nhằm hướng tới ứng dụng thực tế trong dây chuyền sản xuất công nghiệp.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích đối với sinh viên, học viên cao học và kỹ sư chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, và Kỹ thuật Điện - Điện tử khi thực hiện các đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp có liên quan đến hệ thống truyền động điện và thu/xả cuộn.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu bao gồm:

• Phương pháp tính toán cơ học truyền động: công thức quy đổi mô-men, tính chọn công suất động cơ xoay chiều và tính toán tỉ số truyền giảm tốc phối hợp giữa hộp số bánh răng và bộ truyền xích.
• Phương pháp cấu hình và lập trình thuật toán PID_Compact trong môi trường TIA Portal kết hợp khối ngắt thời gian OB30.
• Kỹ thuật ghép nối phần cứng và truyền thông đa hãng: cấu hình ngõ vào đếm xung tốc độ cao HSC cho Encoder, điều khiển phát xung cho động cơ bước qua các khối MC_Power, MC_MoveJog, và thiết lập giao tiếp mạng Ethernet giữa PLC Siemens S7-1200 với HMI Weintek.
• Toàn bộ sơ đồ nguyên lý đấu dây mạch động lực, mạch điều khiển và các bản vẽ bố trí cơ khí mô phỏng và thực tế của hệ thống máy quấn dây.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng bộ điều khiển trung tâm và biến tần thuộc dòng sản phẩm nào?
Bộ điều khiển trung tâm là PLC Siemens S7-1200 CPU 1212C DC/DC/DC (lập trình trên TIA Portal), kết hợp với biến tần điều khiển động cơ 3 pha Mitsubishi dòng D700 (model cụ thể: FR-D720-0.2K, công suất 0.2 kW).

2. Động cơ quấn chính sử dụng loại gì và làm thế nào để đạt được dải tốc độ yêu cầu (tối đa 30-32 RPM) khi động cơ có tốc độ định mức lên tới 1600 RPM?
Động cơ chính là loại động cơ xoay chiều 3 pha SPG S8I25GTCE có tốc độ định mức 1600 RPM. Để đưa tốc độ về dải làm việc mong muốn, tác giả sử dụng cơ cấu giảm tốc hai cấp gồm: hộp giảm tốc bánh răng SPG S8KA15B có tỉ số truyền giảm 1:15, nối tiếp với bộ truyền nhông xích tỉ số truyền 1:3. Tổng tỉ số giảm tốc là $15 \times 3 = 45$ lần, giúp tốc độ trục ra cực đại đạt khoảng 36 RPM, thỏa mãn điều kiện vận hành $\ge 32$ RPM.

3. Khâu rải dây được thiết kế bằng cơ cấu và thiết bị chấp hành nào?
Cơ cấu rải dây sử dụng động cơ bước Step Motor NEMA 17 kết hợp trục vít me để biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến qua lại. Động cơ bước được điều khiển thông qua mạch vi bước Module Driver TB6600, nhận tín hiệu điều khiển vị trí/xung từ PLC S7-1200 thông qua các khối hàm công nghệ MC_Power và MC_MoveJog.

4. Dữ liệu vận tốc dài thực tế của dây quấn được đo lường bằng phương pháp nào?
Hệ thống không tính toán tốc độ dựa trên công thức lý thuyết của trục quấn mà đo trực tiếp vận tốc dài tại rulo dẫn hướng thông qua một cảm biến đĩa xung quang học Encoder HN3806-AB-600N (độ phân giải 600 xung/vòng). Tín hiệu xung pha A/B từ Encoder được đưa về ngõ vào bộ đếm tốc độ cao HSC của PLC S7-1200 để tính toán vận tốc tức thời, phản hồi cho khối PID_Compact.

5. Vì sao mô hình chưa áp dụng được cho việc quấn dây đồng biến áp hay các loại màng mỏng?
Theo công bố của tác giả trong phạm vi và hạn chế đề tài, mô hình thử nghiệm có bước rải dây cơ khí còn lớn nên chỉ phù hợp với dây mềm có đường kính $> 1\text{ mm}$ (thử nghiệm thực tế với dây thừng 4mm). Đồng thời, hệ thống chưa tích hợp cảm biến đo lực căng trực tiếp (Loadcell) nên chưa kiểm soát được lực căng chính xác tuyệt đối, dễ gây đứt màng mỏng hoặc dồn ép làm biến dạng các loại dây kim loại cứng như dây đồng, dây thép.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế mô hình hệ thống máy quấn dây tự động trong công nghiệp" đã hoàn thành việc thiết kế, tính toán và chế tạo mô hình thực nghiệm máy quấn dây cỡ nhỏ với sự kết hợp đồng bộ giữa PLC Siemens S7-1200, biến tần Mitsubishi D700, động cơ bước rải dây và màn hình giám sát HMI Weintek. Bằng việc ứng dụng thuật toán điều khiển vòng kín PID cho vận tốc dài và cơ chế dự phòng phát hiện căng chùng, hệ thống vận hành ổn định trong dải tốc độ đặt từ 0 đến 3 m/phút và bảo đảm không xảy ra đứt gãy vật liệu trong quá trình quấn. Đây là công trình thực nghiệm có hàm lượng kỹ thuật rõ ràng, cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về tính toán cơ điện tử và tích hợp điều khiển tự động hóa công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan đề tài 5 Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu Ở chương này nhóm thực hiện báo cáo giới thiệu tổng quan lý thuyết về: - Các phương pháp được ứng dụng thực tế để điều khiển máy quấn dây tự động trong các xưởng nhỏ và trong các nhà máy lớn thuộc quy mô công nghiệp. - Bộ điều khiển PID và ứng dụng. - Các phương pháp điều khiển biến tần bằng PLC. - Giao thức Ethernet và ứng dụng.2 Các phương pháp ứng dụng điều khiển lực căng 2.1 Phương pháp điều khiển Torque 2.1 Chế độ điều khiển Torque Control + Motor Torque (Torque vòng hở) - Phạm vi sử dụng: Ứng dụng trong các máy móc sử dụng động cơ công suất nhỏ, độ chính xác không cần quá cao.

- Ưu điểm: Dễ dàng cài đặt, hiệu chỉnh, chi phí đầu tư không cao. - Nhược điểm: Độ chính xác không cao, Motor Torque không phổ biến, hư hỏng khó thay thế và sửa chữa. Nguyên lý hoạt động: - Ở chế độ điều khiển này người sử dụng có thể điều chỉnh Momen đầu ra của động cơ, còn tốc độ được xác định phụ thuộc vào đặc tính tải (Tải nặng biến tần tự động điều chỉnh động cơ chạy chậm lại, tải nhẹ biến tần tự động điều chỉnh động cơ chạy nhanh nhưng không vượt quá FSetting). VD: Trong các lô thu cuộn ban đầu lô trống sẽ được quấn với tốc độ nhanh nhưng khi lô được quấn đầy dần thì tốc độ lô thu cũng được điều chỉnh chậm lại dần để đảm bảo độ căng trên sản phẩm luôn được giữ ổn định theo mức đã cài đặt trên biến tần.

- Dựa vào thực tế đường kính và tải trọng các cuộn mà người sử dụng có thể cài đặt giá trị Momen để đạt được độ căng phù hợp cho hệ thống khi hoạt động. Chương 2: Cơ sở lý thuyết 6 Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp Các dòng biến tần có tích hợp sẵn: Biến tần Delta VFD-C2000, Biến tần Frecon FR100, Biến tần Frecon FR200,. Hình 2-1 Hệ thống quấn dây trong công nghiệp 2.2 Chế độ điều khiển Torque Control + Motor IM (Torque vòng hở) - Phạm vi sử dụng: Ứng dụng trong các máy móc sử dụng đông cơ công suất nhỏ, vừa và lớn, độ chính xác không cần quá cao. - Ưu điểm: Dễ dàng cài đặt, hiệu chỉnh, chi phí đầu tư không cao.

- Nhược điểm: Độ chính xác không cao, khi điều chỉnh Momen thì việc điều chỉnh tốc độ sẽ bị hạn chế. Nguyên lý hoạt động: - Ở chế độ điều khiển này người sử dụng có thể điều chỉnh Momen đầu ra của động cơ, còn tốc độ được xác định phụ thuộc vào đặc tính tải (Tải nặng động cơ chạy chậm lại, tải nhẹ động cơ chạy nhanh nhưng không vượt quá FSetting). - Dựa vào thực tế đường kính và tải trọng các cuộn mà người sử dụng có thể cài đặt giá trị Momen để đạt được độ căng phù hợp cho hệ thống khi hoạt động. Chương 2: Cơ sở lý thuyết 7 Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp Các dòng biến tần có tích hợp sẵn: Biến tần Delta VFD-C2000, Biến tần Frecon FR100, Biến tần Frecon FR200,.

Hình 2-2 Hệ thống quấn ni-long trong công nghiệp 2.3 Chế độ điều khiển Torque Control + Encoder + Motor IM (Torque vòng kín) Hình 2-3 Chế độ điều khiển Torque control + Encoder + Motor IM - Phạm vi sử dụng: Trong các máy móc nghành bao bì giấy, ni-long, sắt thép,. yêu cầu điều khiển với độ chính xác cao (Đặc biệt là các máy thu xả Chương 2: Cơ sở lý thuyết 8 Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp cuộn yêu cầu đảm bảo lực căng ổn định đều trong suốt quá trình hoạt động). - Ưu điểm: Việc điều khiển Momen đạt được độ chính xác cao, tốc độ ổn định do có phản hồi từ Encoder, phù hợp sử dụng các ứng dụng cần độ chính xác cao. - Nhược điểm: Việc cài đặt phức tạp, phải lắp thêm Encoder vào động cơ, chi phí đầu tư lớn.

Nguyên lý hoạt động: - Ở chế độ điều khiển này người sử dụng có thể cài đặt, hiệu chỉnh chính xác Momen đầu ra của động cơ dựa vào phản hồi Encoder được gắn đồng trục cùng động cơ, tốc độ được điều chỉnh chính xác không bị sai số. - Chế độ Torque vòng kín điều khiển chính xác cao đảm bảo đáp ứng tốt trong các ứng dụng yêu cầu Momen lực căng chính xác và ổn định cao. - Hệ thống sẽ bao gồm: Bộ điều khiển lực căng (Tension controller), Loadcell dò và phản hồi lực căng (Tension Feedback), Động cơ (Induction Motor) có gắn Encoder và biến tần điều khiển lực căng. - Hoạt động: Tùy từng loại sản phẩm và vật liệu khác nhau khi sản xuất, bộ điều khiển lực căng sẽ nhận tín hiệu phản hồi lực căng từ Loadcell được lắp đặt trên hệ thống và đưa ra tín hiệu điều khiển cho biến tần (Bản chất đây chính là tín hiệu cài đặt lực cho biến tần).

Biến tần nhận lệnh điều khiển từ bộ điều khiển lực căng kết hợp tín hiệu phản hồi vòng kín từ Encoder gắn đồng trục với động cơ để điều khiển động cơ thu hoặc xả cuộn hoạt động đảm bảo hệ thống luôn luôn duy trì một lực căng chính xác theo tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển lực căng, giúp các sản phẩm (Bao bì giấy, màng nilon,.) luôn giữ được độ căng đều trong suốt quá trình hoạt động. - Các dòng biến tần có tích hợp sẵn: Biến tần Delta VFD-C200, Biến tần DeltaVFD-C2000,… Chương 2: Cơ sở lý thuyết 9 Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp Hình 2-4 Hệ thống quấn giấy trong công nghiệp 2.2 Phương pháp điều khiển căng chùng Cơ chế hoạt động của phương pháp điều khiển căng chùng: - Cho hệ thống máy quấn dây tự động chạy một tốc độ ổn định vừa phải, khi cảm biến phát hiện dây quấn bị căng nghĩa là động cơ đang chạy quá tốc độ thì hệ thống phải tự điều chỉnh để tốc độ động cơ giảm xuống để tránh dây bị quá căng có thể dẫn đến hư hỏng hệ thống, ngược lại nếu cảm biến phát hiện dây quấn bị chùng nghĩa là động cơ đang chạy quá chậm thì hệ thống phải tự điều chỉnh để tốc độ động cơ tăng lên tránh trường hợp bị rối, chéo dây dẫn đến sai quy trình hệ thống. Cấu trúc cơ bản của cơ cấu căng chùng được mô tả như hình: Chương 2: Cơ sở lý thuyết 10 Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp Hình 2-5 Cơ cấu điều khiển căng chùng - Phạm vi sử dụng: Phương pháp này thường được sử dụng trong các xưởng sản xuất nhỏ lẻ đối với các hệ thống có quy mô nhỏ hoặc vừa phải với độ chính xác không cao. - Ưu điểm: Cơ cấu hoạt động đơn giản, dễ sử dụng, dễ sửa chữa, chi phí đầu tư thấp.

- Nhược điểm: Do cơ cấu chỉ đơn giản là sử dụng các cảm biến nên chỉ phù hợp với các loại dây dễ quấn và có độ bền tương đối. Không áp dụng với các loại dây cứng như: thép, đồng,… đồng thời cũng không áp dụng với các vật liệu dễ đứt như: giấy, ni-long, chỉ mỏng,… Chương 2: Cơ sở lý thuyết 11 Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp 2.3 Phương pháp điều khiển vận tốc dài 2.1 Yêu cầu chung của hệ thống Yêu cầu về giữ sức căng không đổi: Đối với các vật liệu có khả năng co giãn như giấy, ni-long,… nếu sức căng không phù hợp sẽ làm vật liệu bị hỏng. Do đó việc ổn định lực căng khắt khe nhất ở khâu trục tháo trục quấn vật liệu cần được chú ý trong điều khiển tự động cho hệ thống. Yêu cầu về duy trì vận tốc dài theo bán kính băng vật liệu: Ta thấy khi làm việc các trục tháo và trục quấn vật liệu sẽ thay đổi bán kính (đối với trục quấn sẽ tăng dần, còn trục tháo sẽ giảm dần).

Vì vậy để đảm bảo vận tốc dài không thay đổi theo bán kính vật liệu là yêu cầu khó khăn nhất trong quá trình thiết kế hệ thống. Yêu cầu về điều khiển: Có thể điều khiển tại chỗ bằng các nút nhấn hoặc điều khiển từ xa bằng HMI, PLC kết nối với biến tần. Yêu cầu về đo lường: Đảm bảo các Encoder luôn hoạt động tốt theo thời gian sử dụng, tín hiệu phản hồi chính xác, giảm tối đa các sai số trong quá trình đo. Ngoài ra cần chú ý đến các yêu cầu khác: Hệ thống phải luôn duy trì ổn định và hoạt động lên tục trong quá trình làm việc.

Tối ưu hóa các công tác lắp đặt, bảo trì và nâng cấp, đảm bảo an toàn cho người vận hành.2 Cấu trúc cơ bản của hệ thống Cấu trúc cơ bản của hệ thống trục tháo trục quấn được mô tả như hình: Chương 2: Cơ sở lý thuyết 12 Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp Hình 2-6 Cấu trúc cơ bản của hệ thống Hình trên là một sơ đồ cấu trúc cơ bản của hệ thống thường được sử dụng trong các dây chuyền sản xuất liên tục, trong đó vật liệu đồng thời chạy qua nhiều phần truyền động của thiết bị công nghệ. Cấu tạo thông thường của một hệ trục tháo trục quấn gồm có các thành phần như: trục tháo ra, trục quấn lại, các cảm biến đo lường, động cơ truyền động, bộ truyền cơ khí và bộ điều khiển. Hai trục của trục quấn và trục tháo được gắn với hai động cơ cùng với bộ truyền động điện để điều khiển hai trục tháo và trục quấn một cách dễ dàng. Mỗi một truyền động cần phải làm việc với tốc độ thích hợp gắn với yêu cầu chung của hệ.

Để điều khiển hệ thống, điều quan trọng nhất là phải tiến hành điều khiển tốc độ động cơ thay đổi theo bán kính vật liệu. Ban đầu trục tháo mang nhiều cuộn vật liệu nên bán kính là lớn nhất còn trục quấn chưa có cuộn vật liệu nên bán kính là nhỏ nhất. Như vậy bán kính của trục tháo sẽ ứng với động cơ truyền động điện sẽ có vận tốc ban đầu là lớn nhất rồi giảm dần theo bán kính vật liệu cuộn trên trục tháo. Tương tự bán kính trục quấn sẽ ứng với động cơ truyền động điện có vận tốc ban đầu là nhỏ nhất rồi tăng dần vận tốc theo bán kính vật liệu cuộn trên trục quấn.

Ta có sơ đồ biểu diễn sự biến thiên tốc độ giữa trục tháo và trục quấn theo thời gian. Chương 2: Cơ sở lý thuyết 13 Báo Cáo Đồ Án Tốt Nghiệp Hình 2-7 Sơ đồ biểu diễn sự biến thiên tốc độ giữa trục tháo và trục quấn theo thời gian Ta thấy được rằng để điều chỉnh tốc độ ta cần điều chỉnh theo bán kính của trục tháo, trục quấn và điều chỉnh tốc độ đặt ban đầu theo R để điều khiển hệ thống.