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.