Chương 1: Tổng quan về hệ thống WTS – Giới thiệu chung về hệ thống WTS, cấu tạo, các nguyên lý và ứng dụng hệ thống trong công nghiệp; - Chương 2: Mô hình hóa cho hệ thống WTS – Nêu đặc tính hoạt động hệ thống WTS theo phương pháp cuộn hướng tâm: nguyên lý, lực căng, lực kéo, vận tốc vận chuyển và mô men đầu vào của hệ thống. Tính toán động lực học, xây dựng mô hình toán theo các đặc tính hoạt động của hệ thống, từ đó tổng hợp công thức mô hình toán học; 5 - Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển dựa trên phương pháp Backstepping cho hệ thống WTS – Xác định mục tiêu của bộ điều khiển, tính toán phù hợp của bộ điều khiển Backstepping với hệ thống. Trình bày cơ sở lý thuyết và các bước thiết kế tổng quát của phương pháp Backstepping, từ đó xây dựng bộ điều khiển cho hệ WTS và tiền hành mô phỏng để kiểm chứng kết quả; - Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển dựa trên phương pháp DSC cho hệ thống WTS – Trình bày các ưu điểm của bộ điều khiển DSC so với Backstepping. Xây dựng và thiết kế bộ điều khiển sử dụng phương pháp DSC và tiến hành mô phỏng chứng minh kết quả; - Kết luận: Đưa ra những nhận xét, đánh giá và kết luận về kết quả thu được của luận văn.
Nêu ra những điểm thuận lợi, những điểm còn hạn chế và từ đó đưa ra đề xuất để nghiên cứu xây dựng các báo cáo tiếp theo. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG WTS Giới thiệu một cách khái quát về hệ thống WTS gồm các khái niệm, cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các ứng dụng của hệ thống. Trong chương này cũng phân tích lựa chọn nguyên lý, cấu hình cho đối tượng nghiên cứu.1 Giới thiệu về hệ thống WTS Hệ thống WTS (Web Transport System) là một trong số các hệ thống được ứng dụng rất rộng rãi trong sản xuất công nghiệp. Hệ thống hoạt động với mục đích vận chuyển vật liệu giữa các lô vận liệu tạo thành các phân đoạn khác nhau để xử lý, gia công.
Các con lăn có thể được căn chỉnh để khi chuyển từ vật liệu này sang vật liệu khác, vật liệu được căn chỉnh theo chiều ngang, dọc hoặc chéo. Con lăn cuối cùng được gọi là lô cuộn lại, là nơi vật liệu được cuộn lại sau khi kết thúc 1 chu trình hoạt động thay vì chuyển sang con lăn khác. Ưu điểm của phương pháp gia công theo hệ thống WTS là năng suất và sản lượng cao. Bên cạnh đó, công nghệ này giúp giảm chi phí sản xuất thông qua tính kinh tế theo quy mô.
Chi phí đầu tư ban đầu để xây dựng một hệ thống như vậy có thể cao, nhưng những chi phí này thường có thể được bù đắp bằng lợi ích kinh tế của quá trình sản xuất. Hệ thống WTS có ứng dụng rộng rãi trong nhiều nhà máy lớn như nhà máy giấy, in ấn, sản xuất tôn thép, phim, pin năng lượng mặt trời,. Hay nói cách khác, hệ thống WTS được sử dụng để phục vụ sản xuất chính trong một dây chuyền công nghệ: hệ thống cắt, in ấn, sơn phủ hoặc có thể nhúng các linh kiện điện tử vào trong các bản mạch trong ngành sản xuất điện tử. Như vậy ta có thể hệ thống WTS có rất nhiều ứng dụng [11].
Các ứng dụng này không chỉ đóng vai trò quan trọng đối với đời sống con người mà còn là một vấn đề quan trọng trong việc phát triển ngành công nhiệp, phát triển đất nước và tương lai.1 Hệ thống WTS trong in ấn 1.2 Cấu tạo hệ thống WTS Các hệ thống WTS thường có cấu tạo phức tạp, tùy thuộc vào ứng dụng thực tế khác nhau hay sử dụng các nguyên lý hoạt động khác nhau thì hệ thống sẽ có cấu tạo khác nhau. Nhưng mỗi loại hệ thống cũng sẽ có các thành phần quan trọng và có cùng tác dụng giống nhau như: các lô vật liệu chia thành hai loại là lô tở và lô cuộn. Vật liệu sẽ được vận chuyển dần dần từ lô tở sang lô cuộn nhờ cơ cấu truyền động và lô dẫn. Ngoài ra còn có các cơ cấu đo lường như loadcell đo lực căng và các encoder đo vận tốc, hay còn có các cơ cấu truyền động, các cơ cấu hướng dẫn vật liệu.2 Mô hình hệ thống WTS 1.1 Thành phần chính Lô tở và lô cuộn lại là 2 thành phần chính của hệ thống, là thành phần không thể thiếu trong mỗi hệ thống WTS.
Lô tở và lô cuộn lại lần lượt nằm ở đầu và cuối của hệ thống WTS, chúng có nhiệm vụ tở ra và thu lại vật liệu. 8 Lô tở Lô tở ra ban đầu sẽ được mang một khối lượng vật liệu nhất định, thông qua quá trình xử lý công nghệ, lượng vật liệu này dần dần được chuyển sang lô cuộn lại. Lô tở ra thường được truyền động bằng động cơ một chiều, động cơ xoay chiều Hình 1.3 Hình ảnh lô tở hoặc phanh từ. Lô cuộn Lô cuộn có đặc điểm gần giống lô tở, nhưng chiều vật liệu thì ngược lại.
Lô cuộn là nơi vật liệu được cuộn lại sau khi kết thúc chu trình. Lô cuộn trong trường hợp cuộn nổi thì được truyền động gián tiếp thông qua điều khiển hệ tang trống và cuộn Hình 1.4 Hình ảnh lô cuộn đè, trong trường hợp cuộn hướng tâm và phanh từ thì được điều khiển trực tiếp bằng động cơ.2 Thành phần khác Ngoài thành phần chính là lô tở và lô cuộn thì hệ thống còn các thành phần quan trọng khác giúp cho hệ thống được hoàn thiện và ổn định hơn phục vụ nhiều bài toán đa dạng trong quá trình sản xuất: lô dẫn và cảm biến. Lô dẫn Lô dẫn có nhiệm vụ dẫn vật liệu, có chiều quay theo chiều di chuyển của vật liệu từ lô tở tới lô cuộn. Nó có nhiệm vụ định vị, Hình 1.5 Hình ảnh lô dẫn làm phẳng và căng đều vật liệu trước khi được xử lý tùy theo yêu cầu và được cuộn lại thành từng lô.
9 Cảm biến Hệ thống cảm biến lực căng (load cell), được lắp đặt ngay bên dưới bản giấy, thông báo tín hiệu về hệ thống để điều khiển cho hệ thống ổn định cũng như thông báo cho hệ truyền động xử lý các yêu cầu công nghệ khi Hình 1.6 Hình ảnh load cell hệ thống đã ổn định. Ngoài ra, các cảm biến dạng siêu âm đo bán kính của lô tở ra và cuộn lại hay encoder đo vận tốc góc của các cuộn cũng có thể được tích hợp vào trong hệ thống.3 Giới thiệu các nguyên lý cuộn lại Tùy theo vật liệu và công nghệ cho mỗi hệ thống mà hệ thống WTS được thực hiện theo một số nguyên lý, nổi bật nhất là 3 nguyên lý: nguyên lý cuộn nổi, nguyên lý phanh điện từ và nguyên lý cuộn hướng tâm.1 Nguyên lý cuộn nổi Nguyên lý cuốn nổi là phương pháp mà lô cuộn lại được điều khiển bởi 3 lô trung gian là lô đè, tang trống trước và tang trống sau. Lô cuộn lại được đặt ở giữa 3 lô trên, trong đó 2 lô tang trống được đặt cạnh nhau và ở phía dưới. Tốc độ quay của lô cuộn lại bị chi phối bởi 3 lô này.7 Hệ thống WTS theo kiểu nguyên lý cuốn nổi Một trong những nhược điểm của hệ WTS theo kiểu cuộn nổi này là việc điều khiển lô vật liệu gián tiếp thông qua điều khiển tang trống và lô đè.
Điều 10 này làm việc điều khiển trở nên phức tạp hơn vì phải thông qua điều khiển nhiều động cơ truyền động và các tín hiệu phản hổi về để ổn định hệ thống.2 Nguyên lý phanh điện từ Nguyên lý phanh điện từ là nguyên lý ít được sử dụng trong hệ thống WTS. Nó tương đối giống nguyên lý cuốn nổi điểm khác biệt nhất là lô cuộn lại hoàn toàn được truyền động bằng động cơ (khác với lô cuộn lại của nguyên lý cuốn nổi được điều khiển bằng tang trống). Bên cạnh đó, lô tở ra được trang bị một hệ thống phanh điện từ để phục vụ các yêu cầu công nghệ.8 Hệ thống WTS theo kiểu nguyên lý phanh điện từ 1.3 Nguyên lý cuộn hướng tâm Công nghệ cuộn theo nguyên lý hướng tâm hầu hết giống với công nghệ cuộn theo nguyên lý cuộn nổi và nguyên lý phanh điện từ. Hệ thống cũng bao gồm các khối quan trọng như lô cuộn lại, lô tở ra, cảm biến, lô dẫn.
Nhiệm vụ của các lô cũng giống như đối với công nghệ cuộn nổi và phanh điện từ. Điểm khác biệt của cuộn hướng tâm so với các nguyên lý trên là là lô tở và lô cuộn được truyền động trực tiếp bởi động cơ và được giữ cố định trên trục động cơ.9 Hệ thống WTS theo kiểu nguyên lý cuộn hướng tâm 11 Trong nguyên lý hướng tâm, các cuộn chính đều được truyền động trực tiếp bằng các động cơ thay vì gián tiếp như trong nguyên lý cuốn nổi và phanh điện từ. Động cơ truyền động có thể là động cơ xoay chiều không đồng bộ 3 pha, động cơ 1 chiều kích từ độc lập hay một số loại động cơ công suất cao. Một trong những ưu điểm nổi bật của nguyên lý này so với nguyên lý cuộn nổi là hệ thống truyền động đơn giản, không thông qua điều khiển gián tiếp các động cơ trung gian, dễ dàng kiểm soát được đầu ra của hệ thống theo yêu cầu công nghệ.
Nguyên lý cuộn hướng tâm được áp dụng rất rộng rãi trong công nghiệp, chính vì vậy trong phạm vi luận văn này, tác giả lựa chọn nguyên lý này để mô hình hóa và xây dựng bộ điều khiển cho hệ WTS.4 Ứng dụng hệ thống trong công nghiệp Hệ thống WTS được sử dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất và công nghiệp: điện tử, máy tính, năng lượng, dệt may, y tế, chế tạo kim loại, khoa học sinh học,… Nhiều ứng dụng yêu cầu vật liệu linh hoạt để hoàn thành một sản phẩm hoàn chỉnh. Từ các thiết bị điện tử, tấm pin mặt trời, pin màng mỏng đến màng tế bào nhiên liệu, vải dệt phủ lớp phủ, thiết bị y tế hoặc khoa học – tất cả đều được sản xuất thông qua quy trình xử lý cuộn.10 Hệ thống in nhãn trên nhựa Một trong những ứng dụng phổ biến nhất của hệ thống này là trong ngành công nghiệp giấy. Hình ảnh dưới đây là của một máy thay cuộn giấy không dừng – một thiết bị vô cùng quan trọng trong việc hoàn thiện tính chất giấy và ảnh hưởng lớn tới sản lượng chung của toàn bộ dây chuyền. Trong hoạt động mà máy 12 hết giấy thì không cần dừng lại mà sẽ tự động thay cuộn giấy mới giúp quá trình sản xuất không bị gián đoạn và sản lượng đạt được là tối đa.