Thiết kế và điều khiển mô hình cuộn xả vải

• Tham khảo các thông số về lực căng và tốc độ thu xả của các vật liệu cuộn trong thực tế.. 69 Trang 19 TÓM TẮT Trong quá trình thực hiện, nhóm đã tìm hiểu về các hệ thống đã được ứng d

TỔNG QUAN

Đặt vấn đề

Sau Thế kỷ 20, ngành dệt may, bao bì, in ấn đã trải qua những thay đổi đột phá, chuyển từ sản xuất quy mô nhỏ sang quy mô lớn, đáp ứng nhu cầu đại chúng với chi phí thấp Quá trình sản xuất cũng được cải tiến liên tục, áp dụng khoa học công nghệ để giảm giá thành và nâng cao hiệu quả Tự động hóa quá trình sản xuất là mục tiêu cần đạt của các nhà máy sản xuất may mặc, giúp giảm sức lao động và tăng chất lượng sản phẩm Việc áp dụng máy móc tiên tiến vào sản xuất là cần thiết để giải phóng sức lao động của con người, đồng thời tạo ra lợi thế cạnh tranh trên thị trường.

Hình 1 1 Mô hình thu xả cuộn [1]

Ngành công nghiệp dệt may Việt Nam đã đạt được những bước tiến tích cực trong những năm gần đây, thể hiện qua sự tăng trưởng mạnh mẽ trong cả sản xuất và xuất khẩu.

Năm 2020, ngành Dệt May là một trong những ngành chịu tác động tiêu cực nặng nề của đại dịch Covid-19 Mặc dù vậy, mức độ tự động hóa trong các doanh nghiệp Dệt May Việt Nam vẫn còn hạn chế, với ngành Sợi dẫn đầu đạt 3,3 điểm, tiếp theo là ngành Nhuộm với 2,9 điểm, ngành May đạt 2,7 điểm và thấp nhất là ngành Dệt đạt 2,2 điểm Trong khi đó, ngành bao bì và in ấn được dự báo sẽ tăng trưởng mạnh mẽ trong 5-10 năm tới, với nhu cầu tiêu dùng bao bì giấy tăng 14-18%/năm, trong đó bao bì đóng gói thực phẩm chiếm 30-50%, điện - điện tử chiếm 5-10% và hóa dược phẩm chiếm 5-10%.

Hình 1 2 Hình ảnh minh họa ngành bao bì [1]

Việc áp dụng tự động hóa trong sản xuất ngành dệt may, bao bì, in ấn giúp tăng hiệu suất và tiết kiệm nhân công Trong đó, quá trình cuộn vật liệu đóng vai trò quan trọng, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm và cung cấp nguyên liệu chất lượng cho các công đoạn sau Để đảm bảo chất lượng và sự đồng bộ, vật liệu phải được cuộn gọn và không bị lệch, đáp ứng yêu cầu về kỹ thuật Ngoài ra, quá trình thu xả cuộn còn giúp tạo lực căng giữ phẳng cho các công đoạn khác như in, cắt, chia cuộn.

Quá trình xử lý vật liệu trong sản xuất đòi hỏi sự kiểm soát chính xác để đảm bảo chất lượng thành phẩm Các dạng vật liệu như giấy, vải, bọc nhựa, băng dính, phim ảnh và kim loại đều yêu cầu điều khiển ổn định lực kéo căng và tốc độ di chuyển để tránh tình trạng đứt gãy hoặc tạo nếp nhăn Mục tiêu quan trọng là duy trì lực căng trong giới hạn mong muốn, giúp ngăn chặn sự cố trong quá trình vận hành Nhằm cung cấp giải pháp cho quá trình sản xuất, việc thiết kế và điều khiển mô hình cuộn xả vải trở thành một đề tài quan trọng và cần thiết.

Mục tiêu

- Điều khiển được lực căng và tốc độ theo giá trị đặt mong muốn

- Giám sát được các thông số hoạt động của hệ thống

- Thực hiện chạy theo chiều dài đặt mong muốn.

Nội dung nghiên cứu

Nội dung đề tài “Điều khiển tốc độ cho mô hình thu xả cuộn” được trình bày qua các chương sau:

Hệ thống điều khiển lực căng là một công nghệ hiện đại được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau Với khả năng kiểm soát và điều chỉnh lực căng chính xác, hệ thống này đã trở thành một phần quan trọng trong các quy trình sản xuất và tự động hóa Tuy nhiên, để hiểu rõ hơn về hệ thống điều khiển lực căng và ứng dụng của nó trong thực tế, chúng ta cần đặt ra một số mục tiêu và phương pháp thực hiện cụ thể Trong bài viết này, chúng tôi sẽ giới thiệu sơ lược về hệ thống điều khiển lực căng, tính ứng dụng của hệ thống và đề xuất một số mục tiêu, phương pháp thực hiện đề tài, đồng thời xác định giới hạn nội dung thực hiện.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống Để kiểm soát tốc độ động cơ, người ta thường sử dụng các thiết bị như PLC (Bộ điều khiển lập trình), biến tần, Loadcell (Cảm biến tải) và Encoder (Cảm biến vị trí) Lý thuyết phần cứng của hệ thống này cũng bao gồm bộ điều khiển PID (Điều khiển tỷ lệ tích phân vi phân), giúp điều chỉnh tốc độ động cơ một cách chính xác và ổn định Bằng cách áp dụng các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ và hiểu rõ về lý thuyết phần cứng, người dùng có thể tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống và đạt được kết quả mong muốn.

Chương 3: Xây dựng hệ thống

Để thiết kế hệ thống hiệu quả, cần trình bày các yêu cầu thiết kế chi tiết, xây dựng sơ đồ khối và quy trình công nghệ phù hợp Từ đó, có thể tính toán và lựa chọn thiết bị phù hợp với yêu cầu hệ thống, đảm bảo tính tối ưu và hiệu suất cao Ngoài ra, thiết kế tủ điện và mô hình ứng dụng trên phần mềm cũng là bước quan trọng để hoàn thiện hệ thống, giúp dễ dàng vận hành và quản lý.

Chương 4: Thi công hệ thống

Tiến hành thi công phần cứng và phần điện của hệ thống cũng như cài đặt các thông số của biến tần và thi công giao diện giám sát

Chương 5: Kết quả thực hiện

Kết quả đạt được của mô hình hệ thống cho thấy sự tương tác hiệu quả giữa phần cứng và phần mềm, tạo nên một hệ thống hoạt động trơn tru và ổn định Thông qua việc phân tích kết quả này, chúng ta có thể đánh giá chất lượng hoạt động và điều khiển của hệ thống, từ đó xác định được những điểm mạnh và điểm yếu cần cải thiện Điều này giúp cho việc tối ưu hóa hệ thống trở nên dễ dàng hơn, đảm bảo rằng hệ thống có thể hoạt động một cách hiệu quả và chính xác trong các ứng dụng thực tế.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Trình bày các kết luận rút ra được sau khi hoàn thành đề tài, đưa ra hạn chế cần khắc phục và hướng phát triển trong tương lai.

Giới hạn

- Chỉ quan tâm đến lực căng và tốc độ cuộn

- Thực hiện trên đối tượng ruy băng/vải, không áp dụng cho đối tượng sợi

- Dùng bộ điều khiển PID áp dụng cho đối tượng.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Tổng quan về hệ thống thu xả cuộn

Việt Nam là một trong những quốc gia sản xuất và xuất khẩu may mặc lớn trên thế giới, do đó việc cơ giới hóa trong quá trình sản xuất là cần thiết để đáp ứng nhu cầu sản xuất lớn Máy thu xả cuộn đóng vai trò quan trọng trong việc xả và thu cuộn vật liệu, đảm bảo chất lượng và sự đồng bộ cho cuộn Hệ thống thu xả cuộn tự động mang lại lợi thế to lớn cho doanh nghiệp, tiết kiệm thời gian và nâng cao chất lượng sản phẩm Tuy nhiên, đối với các doanh nghiệp vừa và nhỏ, việc đầu tư hệ thống tự động này còn gặp khó khăn do chi phí đầu tư lớn.

Phương pháp điều khiển lực căng

Việc điều khiển lực căng sẽ có nhiều phương pháp chia theo nhiều trường hợp để ứng dụng thực tế đối với từng sản phẩm

Hình 2 1 Điều khiển lực căng bằng Momen [2]

Điều khiển momen xoắn là yếu tố quan trọng trong việc kiểm soát lực căng của sản phẩm Thông qua việc tác động thẳng đến quá trình điều khiển momen, người dùng có thể dễ dàng kiểm soát lực căng bằng cách điều khiển phanh hoặc sử dụng các driver ứng điều khiển như servo hoặc biến tần Tuy nhiên, khi sử dụng điều khiển momen cho hệ thống, tác động của quán tính gây ra bởi quá trình tăng giảm tốc có thể gây sai lệch trong quá trình điều khiển momen, ảnh hưởng đến lực căng của sản phẩm.

2.2.2 Điều khiển tốc độ Đối với điều khiển lực căng phương pháp điều khiển tốc độ là một hướng giải quyết tốt cho hệ thống, việc kiểm soát tốc độ là tương đối đơn giản từ đó có thể tạo ra lực căng giữa cuộn xả và cuộn thu Việc kiểm soát tốt tốc độ làm việc tăng giảm tốc ít ảnh hưởng đến việc kiểm soát lực căng

Hình 2 2 Điều khiển lực căng bằng tốc độ [2]

2.2.3 Điều khiển lực căng Ở hệ thống điều khiển kết hợp có 4 cách điều khiển với từng ưu nhược điểm khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng và yêu cầu của hệ thống

❖ Cuộn xả - điều khiển Momen, cuộn thu - điều khiển Momen

Điều khiển kết hợp Momen với Momen là phương pháp điều khiển cho cuộn thu và cuộn xả để tạo ra lực căng cho vật liệu Phương pháp này cho phép điều khiển chính xác vật căng của vật liệu, đặc biệt phù hợp với các máy cần tải nặng, vật liệu dày như sắt thép, tôn Tuy nhiên, nó cũng đặt ra một số hạn chế, chẳng hạn như khó khăn trong việc thay đổi tốc độ thu xả cuộn, và việc tăng giảm tốc độ có thể ảnh hưởng đến sai lệch trong điều khiển momen.

❖ Cuộn xả - điều khiển Momen, cuộn thu - điều khiển tốc độ

Điều khiển kết hợp Momen và tốc độ là một phương pháp hiệu quả trong quản lý lực căng của cuộn xả và cuộn thu Ở cuộn xả, phương pháp điều khiển Momen được áp dụng, trong khi ở cuộn thu, điều khiển tốc độ được sử dụng Điều này cho phép kiểm soát chính xác lực căng sau khi xả cuộn và giảm thiểu sai số đo trong quá trình tăng giảm tốc Tuy nhiên, vẫn có thể xảy ra sai số lực căng gần cuộn thu do chỉ điều khiển tốc độ, dẫn đến chậm trễ trong việc đáp ứng thay đổi lực căng.

❖ Cuộn xả - điều khiển tốc độ, cuộn thu - điều khiển tốc độ

Điều khiển tốc độ kết hợp với tốc độ là phương pháp kiểm soát tốc độ ở cả hai cuộn thu xả, tạo ra lực căng cho vật liệu mong muốn thông qua chênh lệch tốc độ Kiểm soát tốt tốc độ ở hai đầu cuộn giúp giảm thiểu ảnh hưởng của quá trình tăng giảm tốc đến lực căng Tuy nhiên, hệ thống này có tốc độ đáp ứng lực căng chậm và không chính xác do lực căng được tạo từ momen xoắn Vì vậy, phương pháp này thường được sử dụng cho các loại vật liệu cần tốc độ quấn nhanh mà không yêu cầu lực căng chính xác.

Các phương pháp kiểm soát lực căng

Hình 2 6 Phương pháp điều khiển bằng tay [2]

Phương pháp điều khiển thủ công sử dụng chiết áp để cung cấp tín hiệu cho bộ điều khiển, tạo ra momen xoắn cho cuộn Tuy nhiên, phương pháp này không cho phép kiểm soát lực căng của vật liệu một cách chính xác, đòi hỏi phải điều chỉnh chiết áp thường xuyên do bán kính cuộn xả giảm trong quá trình hoạt động, gây ra sự thay đổi momen Ưu điểm của phương pháp này là thiết kế đơn giản, phù hợp cho các vật liệu không yêu cầu độ chính xác cao và độ dài cuộn không quá lớn.

Hình 2 7 Phương pháp điều khiển vòng hở [2]

Phương pháp điều khiển vòng hở, còn được gọi là hệ không hồi tiếp, là một hệ thống tự kiểm soát không phụ thuộc vào lực căng của vật liệu Cấu thành của hệ thống này chỉ bao gồm các bộ phận cơ bản, giúp đơn giản hóa quá trình kiểm soát và điều khiển.

Bộ điều khiển momen đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra momen đầu trục mong muốn thông qua tín hiệu điều khiển Tuy nhiên, hệ thống điều khiển này có hạn chế về độ tin cậy và không kiểm soát được lực căng của vật liệu, gây ra những rủi ro tiềm ẩn trong quá trình vận hành.

Hình 2 8 Phương pháp điều khiển vòng kín [2]

Trong các hệ thống sản xuất công nghiệp, hệ thống điều khiển lực căng thường sử dụng phương pháp manual control và Open-loop control Tuy nhiên, phương pháp phổ biến nhất là sử dụng card điều khiển tích hợp bộ điều khiển PID Để điều khiển lực căng, đầu tiên cần tính toán tần số đồng tốc dựa trên tốc độ dài của vật liệu tấm hoặc sợi và đường kính lô cuộn Sau đó, tín hiệu lực căng từ bộ đo lực căng và giá trị đặt lực căng sẽ được đưa vào bộ điều khiển vòng kín PID, từ đó tạo ra lệnh điều chỉnh tần số của biến tần để đạt được lực căng mong muốn.

Phương pháp xác định lực căng

Để duy trì độ căng ổn định, việc kiểm soát độ căng chính xác thông qua các loại cảm biến là điều cần thiết Hiện nay, có hai loại cảm biến thông dụng được sử dụng để nhận biết độ căng, bao gồm cảm biến lực và cơ cấu vũ công (Dancer roll) Mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng, đồng thời mang lại hiệu suất khác nhau trong việc kiểm soát độ căng.

Hệ thống quấn xả cuộn là một cấu trúc phức tạp bao gồm nhiều thành phần lô được đặt cố định trên giàn chịu lực, trong đó cuộn lô xả và lô thu đóng vai trò chính ở hai đầu hệ thống, cho phép thực hiện quá trình thu xả cuộn một cách linh hoạt theo yêu cầu Để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và chính xác, hệ thống điều khiển vòng kín được tích hợp, đồng thời cấu trúc loadcell được thiết kế đặt sau cuộn xả để cung cấp phản hồi lực căng chính xác và hiệu quả.

Cấu trúc hệ thống loadcell gồm có 3 lô dẫn bị động, hướng di chuyển của vật liệu theo hình bên dưới:

Hình 2 9 Cơ cấu Loadcell đọc lực căng [3]

Loadcell được đặt tại vị trí lô dẫn động giữa, nơi lực căng tạo ra áp lực nặng lên loadcell, cho phép tính toán lực căng phản hồi chính xác về bộ điều khiển Đồng thời, các lô dẫn bị động được đặt ở các vị trí chiến lược để định hướng đường đi của vật liệu, đảm bảo độ căng thẳng đồng đều khi vào các thành phần của cuộn, từ đó tối ưu hóa quá trình sản xuất.

Tính toán tổng hợp lực tác dụng lên loadcell:

Hình 2 10 Lực tác động lên Loadcell [3]

Hình 2 11 Phân tích lực tác động lên Loadcell [3]

Với T: lực căng vật liệu

 : góc bọc con lăn Fr: tổng hợp lực của

Giả sử sự biến dạng của loadcell không đáng kể (γ=0) và tinh chỉnh điểm 0 ban đầu cho Loadcell (W=0) Ta được tổng hợp lực tác động lên Loadcell:

Hệ thống Dancer (dancer roll) là một phương pháp điều khiển đơn giản nhưng hiệu quả, giúp căng thẳng và khử nhiễu trên vật liệu khi cuộn thu tăng hoặc giảm tốc Bằng cách sử dụng 3 lô dẫn bị động, hệ thống này có thể phản hồi đến bộ điều khiển để điều chỉnh tốc độ cuộn phù hợp với lực căng của vật liệu Khi lực căng cao, con lăn sẽ di chuyển đến vị trí tối thiểu, ngược lại khi độ căng thấp, con lăn sẽ di chuyển đến vị trí tối đa, đảm bảo quá trình cuộn thu diễn ra ổn định và chính xác.

Phương pháp tạo lực căng cho cuộn xả

2.5.1 Sử dụng động cơ DC

Phương pháp tạo lực căng bằng động cơ DC nối với trục cuộn xả là một giải pháp phổ biến, tuy nhiên nó cũng tồn tại một số hạn chế Khi động cơ DC được kết nối với trục cuộn xả và quay ngược chiều xả, nó tạo ra lực căng cần thiết Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi phải kiểm soát momen đầu trục một cách chính xác, điều này có thể gặp khó khăn Ngoài ra, phương pháp này cũng yêu cầu phải thay thế và bảo trì thường xuyên để đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định.

Thiết bị thắng từ gắn vào trục của cuộn xả từ được sử dụng để hãm tốc độ quay của cuộn và tạo ra lực căng Tuy nhiên, việc sử dụng thắng từ có những hạn chế, bao gồm khó khăn trong hoạt động liên tục trong thời gian dài và không kiểm soát được momen đầu trục, dẫn đến hao phí và chi phí thực hiện lớn.

2.5.3 Sử dụng động cơ AC

Phương pháp này sử dụng động cơ 3 pha AC được điều khiển bởi biến tần có tính năng điều khiển Momen, tương tự như phương pháp dùng động cơ DC Ưu điểm của phương pháp này là cho phép hoạt động liên tục trong thời gian dài mà không yêu cầu bảo trì thường xuyên và có thể kiểm soát được momen đầu trục Tuy nhiên, để áp dụng phương pháp này, người dùng cần có kiến thức sâu về hệ thống và kỹ thuật, phức tạp hơn so với hai phương pháp trước đó.

Tổng quan về PLC S7-1200

2.6.1 Giới thiệu chung về PLC

Hình 2 13 Cấu trúc chung PLC [4]

PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển logic có thể lập trình, thực hiện các thuật toán điều khiển dựa trên tín hiệu từ ngõ vào Input và thực hiện hoạt động thông qua ngõ ra Output Chức năng của bộ điều khiển được xác định bởi một chương trình được nạp sẵn vào bộ nhớ của PLC, cho phép thay đổi hoặc mở rộng chức năng quy trình công nghệ một cách dễ dàng mà không cần can thiệp vật lý Các tính năng mở rộng phổ biến của PLC bao gồm khả năng đọc xuất tín hiệu analog, tích hợp khả năng đọc xung tốc độ cao từ encoder và kết nối với nhiều thiết bị ngoại vi thông qua truyền thông như màn hình cảm ứng HMI và máy tính.

PLC thường được thiết kế với 3 thành phần chính, bao gồm phần nguồn thường là 220v hoặc 24v, CPU với tốc độ xử lý và bộ nhớ lưu trữ chương trình khác nhau tùy theo ứng dụng, và khối ngoại vi bao gồm các module như in/out, truyền thông, module phát xung và analog.

Trên thị trường Việt Nam, có nhiều hãng PLC nổi tiếng với các đặc tính khác nhau, tiêu biểu như Siemens, Mitsubishi, ABB, Schneider, Trong số đó, Siemens và Mitsubishi là hai hãng có mặt sớm nhất tại Việt Nam và cũng là những PLC phổ biến nhất trong công nghiệp, sở hữu nhiều ưu điểm nổi trội.

2.6.2 Những đặc điểm của SIMATIC S7 – 1200 Ưu điểm

- PLC siemens có ưu thế về giám sát hệ thống lớn, SCADA

- Khả năng thích ứng cao nhờ các modulee được phát triển riêng biệt

- Được hỗ trợ nhiều về mảng truyền thông bằng các Module mở rộng

- Ngôn ngữ lập trình trực quan, hỗ trợ nhiều cho người dùng

- Giá thành PLC những dòng cao tương đối đắt

- Phần mềm lập trình chuyên dụng, dung lượng nặng

2.6.3 Ứng dụng của PLC trong thực tế

Máy PLC đã trở thành một thành phần quan trọng trong nền công nghiệp hiện đại, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau Sự kết hợp giữa kỹ thuật máy tính và thiết bị điện tử đã giúp nâng tầm công nghệ PLC lên một mức độ mới, mang lại hiệu quả và độ tin cậy cao hơn trong các quy trình sản xuất và điều khiển tự động.

Công nghệ sản xuất đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm sản xuất giấy, thuỷ tinh, xi măng, xe ô tô và các sản phẩm công nghệ cao như vi mạch, linh kiện bán dẫn Ngoài ra, công nghệ sản xuất cũng được ứng dụng trong các ngành công nghiệp may mặc, lắp ráp thiết bị điện tử như Tivi và đóng gói sản phẩm.

• Hệ thống nâng vận chuyển

• Điều khiển hệ thống đèn giao thông

• Quản lý tự động bãi đậu xe

Tổng quan về biến tần

Biến tần là thiết bị điều khiển động cơ một cách vô cấp, không cần dùng đến các hộp số cơ khí, bằng cách thay đổi tần số dòng điện đặt lên cuộn dây bên trong động cơ Thiết bị này biến đổi dòng điện xoay chiều ở tần số này thành dòng điện xoay chiều ở tần số khác có thể điều chỉnh được, thường sử dụng các linh kiện bán dẫn để đóng ngắt tuần tự các cuộn dây của động cơ Với khả năng thay đổi tần số từ 1Hz đến 50Hz, thậm chí lên đến 400Hz, biến tần giúp động cơ chạy nhanh hơn bình thường so với chạy tần số 50Hz Ngoài ra, biến tần còn có thể điều khiển momen kết hợp với các card để thực hiện một mục đích nhất định, mang lại nhiều ứng dụng thực tế trong các hệ thống điều khiển hiện đại.

Hình 2 14 Sơ đồ nguyên lý của biến tần

Biến tần là thiết bị điện tử có chức năng biến đổi điện áp đầu vào có tần số cố định thành điện áp có tần số thay đổi để điều khiển tốc độ động cơ Các bộ phận chính cấu thành biến tần bao gồm bộ chỉnh lưu, bộ lọc, bộ nghịch lưu IGBT và mạch điều khiển Ngoài ra, biến tần còn được tích hợp thêm một số bộ phận hỗ trợ khác như bộ điện kháng xoay chiều, bộ điện kháng 1 chiều, điện trở hãm, bàn phím, màn hình hiển thị và module truyền thông để nâng cao hiệu suất và tính linh hoạt.

Tổng quan về Encoder và Loadcell

Encoder là thiết bị chuyển đổi chuyển động quay thành tín hiệu điện đầu ra, thường được sử dụng để xác định tốc độ hoặc số vòng quay của đầu trục Thiết bị này có hai loại chính, giúp cung cấp thông tin chính xác về chuyển động quay trong các ứng dụng khác nhau.

Hoạt động của cảm biến quang dựa trên nguyên lý sử dụng các cảm biến quang và đĩa mã hóa Bộ thu phát quang thường bao gồm một hoặc hai cặp thu phát, tùy thuộc vào mục đích sử dụng cụ thể.

Hình 2 15 Cấu tạo Encoder tương đối [5]

Hai cặp thu phát A và B được bố trí đặc biệt để trục tia sáng nằm trên đường tròn qua tâm lỗ trống nhưng lệch nhau, cho phép xác định chính xác góc quay và chiều quay của trục khi tia sáng của cặp A đi qua tâm lỗ trống và trục tia sáng cặp B đi qua biên của lỗ trống.

- Không có khả năng nhớ vị trí

Nguyên lý hoạt động tương tự như Encoder tương đối nhưng thay đĩa mã hóa thành đĩa nhị phân hoặc Gray

Hình 2 16 Encoder tuyệt đối và mã nhị phân Gray [5] Ưu điểm:

- Dễ đàn tính toán vị trí và chiều quay

- Mã hóa được vị trí của trục quay

- Sử dụng nhiều dây tính hiệu

Loadcell là một loại cân điện tử chuyên dụng được sử dụng trong nhà máy để đo trọng lượng Với chức năng biến đổi trọng lượng thành dạng tín hiệu điện (dạng mV/V), thiết bị này được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị cần xác định khối lượng Cơ chế hoạt động của loadcell dựa trên sự thay đổi của cầu điện trở, từ đó xác định khối lượng thông qua sự thay đổi điện áp.

Cấu tạo của loadcell bao gồm 4 điện trở strain gauge được nối với nhau tạo thành cầu Wheatstone, cho phép đo lường sự thay đổi giá trị điện trở khi có vật đặt lên Sự chênh lệch điện áp của cầu Wheatstone sẽ được chuyển đổi thành giá trị khối lượng tương ứng Tuy nhiên, do tín hiệu chênh lệch điện áp rất nhỏ, cần phải sử dụng bộ khuếch đại tín hiệu để bộ điều khiển có thể đọc được tín hiệu đầu ra dưới dạng 0-10V hoặc 4-20mA.

Độ nhạy loadcell (Sensitivity) thường được đo bằng đơn vị mV/V, với các giá trị phổ biến là 2mV/V hoặc 3mV/V Khi đủ tải được đặt lên loadcell, chẳng hạn như đặt 500kg lên loadcell 500kg, đầu ra sẽ cho ra một tín hiệu tỷ lệ với nguồn cấp Cụ thể, với mỗi 1V nguồn cấp, đầu ra sẽ tăng 2mV, vì vậy nếu cấp vào EXC là 10V, loadcell sẽ cho ra tín hiệu đầu ra là 20mV.

Tín hiệu Loadcell thường có mức đầu ra thấp, chỉ nằm trong dãy mV/V, vì vậy để giao tiếp với bộ điều khiển PLC, cần phải sử dụng bộ điều hòa tín hiệu để khuếch đại tín hiệu theo yêu cầu của bộ điều khiển Trong phạm vi PLC, đầu vào yêu cầu thường nằm trong khoảng từ 0-10V, do đó có thể sử dụng bộ khuếch đại đảo hoặc bộ khuếch đại vi sai để chuyển đổi tín hiệu Loadcell sang mức phù hợp.

Hình 2 18 Mạch khuếch đại đảo

Hình 2 19 Mạch khuếch đại vi sai

Tổng quan về bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID là một trong những bộ điều khiển kinh điển và được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, hoạt động dựa trên cơ chế tiếp nhận hồi tiếp và phản hồi vòng điều khiển Là một bộ điều khiển vòng kín, PID nhận tín hiệu phản hồi từ hệ thống để tính toán sai số so với giá trị đặt mong muốn và đưa ra tín hiệu điều khiển phù hợp Để đạt được chất lượng điều khiển tốt nhất, các thông số của bộ điều khiển cần tinh chỉnh theo tính chất của hệ thống và điểm làm việc của nó, với đặc trưng của PID gồm 3 thông số quan trọng.

- Kp: khâu tỉ lệ sai số, tạo ra tín hiệu điều khiển tỉ lệ với sai số hệ thống

Khâu tích phân là một thành phần quan trọng trong việc phân tích sai số theo thời gian lấy mẫu, giúp giảm thiểu sai số hệ thống về mức 0 Đặc biệt, thời gian tích phân càng nhỏ thì tác động của nó càng lớn, từ đó mang lại kết quả chính xác hơn cho hệ thống.

Khâu vi phân sai lệch đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra tín hiệu điều khiển tỷ lệ với tốc độ thay đổi của sai số Đặc biệt, thời gian vi phân càng lớn thì hệ thống càng phản ứng nhanh chóng, giúp cải thiện hiệu suất và độ chính xác của toàn bộ hệ thống.

Hình 2 20 Bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID là một loại bộ điều khiển tự động hóa phổ biến, bao gồm nhiều biến thể như P, PI, PD và PID Ngoài ra, bộ điều khiển PID truyền thống cũng có thể được kết hợp với các bộ điều khiển khác như Fuzzy, Nơ-ron và các loại khác để tạo ra hệ thống điều khiển phức tạp và hiệu quả hơn.

Quá trình lấy mẫu trong thực tế không thể diễn ra liên tục mà cần được thực hiện rời rạc ở một mức nhất định, phụ thuộc vào phần cứng của thiết bị Khi thời gian lấy mẫu càng nhỏ, ta có thể xấp xỉ sai phân giới hạn và tích phân bằng cách lấy tổng các sai số trước đó Điều này cho phép việc lập trình bộ điều khiển PID rời rạc trở nên dễ dàng hơn, đặc biệt là khi hầu hết các dòng PLC hiện nay đều hỗ trợ tính năng này thông qua các hàm được tích hợp sẵn.

Bộ điều khiển PID_Compact trong TIA Portal

2.10.1 Miêu tả bộ điều khiển PID_Compact

Lệnh này được áp dụng với các thuật toán PID đa dụng, tích hợp sẵn bộ tự chỉnh cho cả chế độ Auto và chế độ Manual, cho phép thực hiện các chức năng điều khiển linh hoạt và chính xác.

• Automatic mode – chế độ tự động

• Substitute output value with error monitoring – giá trị ngõ ra theo người dùng có giám sát lỗi

2.10.2 Sơ đồ khối của lệnh PID_Compact

Hình 2 21 Sơ đồ khối của lệnh PID_Compact [7]

Hình 2 22 Sơ đồ khối của lệnh PID_Compact với Anti – Windup [7]

Tổng quan về truyền thông PROFIBUS

PROFIBUS (Process Field Bus) là một chuẩn truyền thông fieldbus được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực kỹ thuật tự động hóa, được phát triển lần đầu vào năm 1989 bởi BMBF và sau đó được Siemens áp dụng Trong các ứng dụng tự động hóa công nghiệp và tự động hóa tòa nhà, PROFIBUS hoạt động như một hệ thống truyền thông hiệu quả, cho phép trao đổi thông tin giữa các hệ thống tự động hóa và các thiết bị hiện trường phân tán Đặc biệt, chuẩn này còn cho phép các thiết bị từ nhiều nhà cung cấp khác nhau giao tiếp với nhau một cách dễ dàng mà không cần điều chỉnh giao diện truyền thông đặc biệt.

PROFIBUS là mạng Fieldbus được thiết kế để giao tiếp giữa máy tính và PLC, hoạt động dựa trên nguyên tắc token bus không đồng bộ ở chế độ thời gian thực PROFIBUS xác định mối quan hệ truyền thông giữa nhiều master và giữa master-slave, cho phép truy cập theo chu kì và không theo chu kì, đồng thời hỗ trợ tốc độ truyền tối đa lên tới 12 Mbps, đáp ứng nhu cầu truyền thông tin hiệu quả trong các hệ thống tự động hóa công nghiệp.

Tốc độ truyền dữ liệu của mạng bus có thể đạt tới 500 kbit/s, thậm chí lên tới 1,5Mbp hoặc 12Mbp trong một số ứng dụng đặc biệt Khoảng cách truyền tín hiệu tối đa của mạng bus không cần sử dụng bộ lặp (repeater) là 200m, và nếu sử dụng bộ lặp, khoảng cách tối đa có thể đạt được là 800m Ngoài ra, số lượng điểm (node) tối đa mà mạng bus có thể hỗ trợ mà không cần sử dụng bộ lặp là 32.

PROFIBUS sử dụng phương tiện truyền tin xoắn đôi và RS485 chuẩn công nghiệp trong các ứng dụng sản xuất hoặc IEC 1158-2 trong điều khiển quá trình, đồng thời cũng hỗ trợ sử dụng Ethernet TCP/IP để đáp ứng nhu cầu truyền thông đa dạng.

Khi nhắc đến PROFIBUS, chúng ta đang đề cập đến một giao thức truyền thông kỹ thuật số truyền thống và nổi tiếng đã được triển khai trong nhiều ngành và ứng dụng khác nhau PROFIBUS dựa trên giao tiếp nối tiếp, mang lại nhiều lợi ích đáng kể cho ngành công nghiệp, đặc biệt là trong việc cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

Hình 2 23 Các giao thức PROFIBUS [8]

Profibus có 3 kiểu giao thức là: PROFIBUS DP, PROFIBUS PA, PROFIBUS FMS

PROFIBUS DP là bus cấp thiết bị hỗ trợ cả tín hiệu tương tự và tín hiệu phân tán, được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay cho các đối tượng như hệ thống I/O, điều khiển động cơ và biến tần PROFIBUS DP sử dụng giao tiếp nối tiếp tốc độ cao hoàn toàn phi tập trung để kết nối với bộ điều khiển trung tâm, với tên gọi "Decentralized Periphery" (DP) thể hiện rõ đặc điểm này.

PROFIBUS DP là giao thức truyền thông hiệu suất cao, hoạt động với tốc độ từ 9,6 Kbps đến 12 Mbps trong phạm vi từ 100-1200m Giao thức này hoạt động trên giao diện RS485 chuẩn, được thiết kế để đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng quá trình, bao gồm đọc/ghi dữ liệu quá trình không theo chu kỳ, truyền trạng thái thiết bị, cấp nguồn trên bus và đảm bảo an toàn nội tại.

PROFIBUS DP là giao thức truyền dữ liệu tốc độ cao được thiết kế cho cấp thiết bị, cho phép các bộ điều khiển trung tâm như PLC và PC giao tiếp với các thiết bị hiện trường phân tán như I/O, drive và van thông qua liên kết nối tiếp tốc độ cao Quá trình truyền dữ liệu với các thiết bị phân tán này thường được thực hiện theo chu kỳ, đảm bảo tính ổn định và hiệu quả Ngoài ra, mạng PROFIBUS DP cũng hỗ trợ cấu hình ProfiSafe và có thể được sử dụng trong các ứng dụng an toàn SIL3, đáp ứng nhu cầu về độ tin cậy và an toàn cao.

PROFIBUS PA là một fieldbus đa năng thường được sử dụng cho thiết bị cấp quá trình, đặc biệt dành cho các ứng dụng hiện trường yêu cầu giao tiếp giữa các dụng cụ đo và hệ thống điều khiển Giao thức này ban đầu được phát triển như một bước tiến của giao tiếp HART và tuân theo tiêu chuẩn IEC-61158-2 về cấu trúc mạng vật lý PROFIBUS PA cho phép truyền thông với tốc độ 31,25 Kbps và phạm vi tối đa 1.900m/phân đoạn, đồng thời được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu về an toàn nội tại (Intrinsically Safe) trong các ứng dụng công nghiệp.

Thiết bị PROFIBUS PA thường không được kết nối trực tiếp với bộ điều khiển mà thông qua mạng PROFIBUS DP nhanh hơn và bộ ghép nối/liên kết Bộ ghép nối/liên kết hoạt động như một giao diện mạng và cung cấp năng lượng cho bus, cho phép thiết kế kết nối an toàn trên mạng PA để các thiết bị kết nối hoạt động trong các khu vực nguy hiểm Số lượng thiết bị trên một bus an toàn của mạng PA thường ít hơn so với mạng thông thường, phụ thuộc vào các yếu tố như dòng tiêu thụ thiết bị, chiều dài bus và loại cáp.

PROFIBUS FMS cung cấp cho người dùng nhiều lựa chọn chức năng khi so sánh với các biến thể khác, trở thành giải pháp lý tưởng trong tiêu chuẩn truyền thông chung để giải quyết các nhiệm vụ truyền thông phức tạp giữa PLC và DCS Biến thể này hỗ trợ giao tiếp giữa các hệ thống tự động hóa và trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị thông minh, thường được sử dụng ở cấp độ điều khiển Tuy nhiên, gần đây, PROFIBUS FMS đang được thay thế bằng ứng dụng trong Ethernet do chức năng chính của nó là giao tiếp ngang hàng.

2.11.4 Ưu, Nhược điểm của PROFIBUS

- Được sử dụng rộng rãi, hoạt động ổn định, đơn giản, đáng tín cậy dễ mở rộng hệ thống

- Hỗ trợ mạng tại các cấp độ thiết bị, điều khiển quá trình

- Sẵn có giao diện cho các ứng dụng variable speed drive và trung tâm điều khiển động cơ (Profibus DP)

- Sử dụng trong môi trường an toàn (Intrinsically Safe) (đối với các thiết bị Profibus PA)

- Các cổng nối (gateway) cho phép tích hợp Profibus PA trực tiếp với mạng Profibus DP

- Giao diện chủ (host) sẵn có cho hầu hết PLC, DCS và các hệ thống máy tính

- Thiết bị gateway hỗ trợ trực tiếp các mạng bus sensor chi phí thấp hơn, đặc biệt là AS-Interface

- Profibus DP không hỗ trợ ứng dụng Intrinsically Safe

Trong quá trình thiết kế và lắp đặt, cần phải tính đến các yêu cầu bắt buộc về hệ thống dây cáp, điện, tiếp đất, bọc và đầu cuối để đảm bảo sự an toàn và hiệu quả của toàn bộ hệ thống Việc xem xét kỹ lưỡng các yếu tố này sẽ giúp ngăn chặn các sự cố tiềm ẩn và đảm bảo rằng hệ thống hoạt động trơn tru, ổn định.

2.11.5 So Sánh PROFIBUS và PROFINET

Bảng 2 1 So sánh PROFIBUS và PROFINET

Lớp vật lý RS-485 Ethernet

Tốc độ 12Mbit/s 1 Gbit/s hoặc 100Gbit/s

Không gian địa chỉ 126 unlimited

Công nghệ Master/Slave Provider/Consumer

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

Thiết kế cơ khí hệ thống

3.1.1 Yêu cầu thiết kế Đối với hệ thống điều khiển lực căng do yêu cầu khắt khe về độ chính xác của lực căng, tính ổn định của tốc độ ở cuộn xả và cuộn thu và tính tự động của hệ thống vì vậy hệ thống cần có những yêu cầu sau:

- Phần khung mô hình có chiều dài 2m, chiều cao 50cm, có 2 kệ để đặt motor cuộn và xả

- Có các trục lăn để tạo lực căng cho vải

- Motor và trục lăn được kết nối trực tiếp thông qua khớp nối

3.1.2 Thiết kế phần cơ khí trên phần mềm Solidwork

• Thiết kế phần khung của mô hình:

Hình 3 1 Phần khung của mô hình

• Thiết kế trục lăn : 3 trục lăn trục 20mm dùng để tạo lực căng cho vải và 2 trục lăn trục kết nối trực tiếp với motor

Hình 3 2 Trục lăn của mô hình

• Thiết kế phần khớp nối giữa trục lăn và motor:

Hình 3 3 Khớp nối giữa trục lăn và motor

Cuối cùng ta kết nối các chi tiết lại để có mô hình:

Hình 3 4 Mô hình cuộn xả vải

Thiết kế phần điện

Với độ chính xác được đặt lên hàng đầu thì hệ thống điều khiển lực căng cần đặt ra những yêu cầu cụ thể sau:

- Cho phép điều khiển một cách tự động trong quá trình thu xả cuộn thông qua các thông số lực căng và tốc độ cuộn được thiết lập

- Cho phép điều khiển ở 2 chế độ: điều khiển tự động và điều khiển bằng tay

- Dừng hệ thống khi phát hiện lỗi, đứt chất liệu hoặc lực căng tăng quá mức

- Thay đổi linh hoạt tốc độ cuộn với tốc độ cuộn lớn nhất là 30m/min

- Đo được lực căng của vải

- Đọc được tốc độ tốc độ cuộn và xả

Hình 3 5 Sơ đồ khối qui trình

Chức năng của từng khối:

- Điều khiển trung tâm: khối xử lý trung tâm, nhận tín hiệu từ ngõ vào tính toán để xuất tính hiệu điều khiển theo như mục đích mong muốn

- Điều khiển và giám sát: nhận và gửi dữ liệu từ khối điều khiển trung tâm để điều khiển và giám sát

- Truyền thông: gửi dữ liệu từ PLC sang khối điều khiển tốc độ

- Lực căng: là khối nhận trực tiếp tín hiệu giá trị của lực căng để đưa về khối xử lý trung tâm (PLC)

- Khuếch đại: là khối chuyển từ tín hiệu điện áp (0-10V) sang giá trị số để khối xử lý trung tâm (PLC) có thể hiểu được

- Phản hồi tốc độ: chuyển từ chuyển động quay của cuộn thu và cuộn xả thành tín hiệu điện để có thể giám sát và điều khiển

- Điều khiển tốc độ: Là thiết bị điều khiển tốc độ động cơ, nhận tín hiệu điều khiển từ PLC và thực thi theo giá trị điều khiển

- Cuộn và xả: là motor dùng để cuộn và xả vải

3.2.3.1 Lựa chọn thiết bị điều khiển

PLC Siemen S7-1200 là lựa chọn phù hợp cho hệ thống yêu cầu đọc tín hiệu Analog từ cảm biến đo lực căng và xuất tín hiệu điều khiển động cơ thu xả bằng thuật toán PID Ngoài ra, thiết bị này còn có khả năng đọc xung tốc độ cao từ 2 Encoder và truyền thông tốt với biến tần Siemen, đáp ứng nhu cầu điều khiển và giám sát phức tạp trong hệ thống.

Hình 3 6 PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/RLY

Bảng 3 1 Bảng thông số PLC S7-1200 DC/DC/RLY

Nguồn cấp 24 VDC Điện áp tín hiệu vào 24VDC

Ngõ vào ra số 14 In/ 10 Out

Ngõ vào ra tương tự 2 In

Vùng nhớ truy xuất bit (M) 4096 Byte

Module tín hiệu mở rộng 8

Board tín hiệu truyền thông 1

Ngõ ra xung tốc độ cao 2

❖ Lựa chọn Module truyền thông Để có thể giao tiếp dễ dàng với SIMACTIC S7-1200 thì module giao tiếp CM 1243-5 là lựa chọn tối ưu nhất

Hình 3 7 Module giao tiếp CM 1243-5

Bảng 3 2 Thông số Module CM 1243-5

Tốc độ truyền 9,6 kbit/s đến 12 Mbit/s

Số lượng Slave kết nối 32

Số lượng thiết bị kết nối 8

3.2.3.2 Lựa chọn cảm biến lực căng Để biết được lực căng điều khiển của hệ thống thực tế là bao nhiêu cần có thiết bị đo lường để tính toán cụ thể do đó Loadcell sẽ đáp ứng được yêu cầu của hệ thống Loadcell cho phép do lực đè lên thanh roll nơi để vật liệu đi qua Cấu trúc đo lường của hệ thống Loadcell đơn giản dễ thực hiện đơn giản hóa cho hệ thống Cấu trúc loadcell được thể hiện dưới hình:

Với lực căng vật liệu lớn nhất đặt ra là 200N/m, khổ rộng 0,1m ➔ Lực kéo lớn nhất có thể chịu được là F = 200*0,1 = 20 N Ta chọn loadcell 3kg(30N) hoặc 5kg(50N)

Hình 3 8 Loadcell 3Kg Bảng 3 3 Thông số Loadcell

Thông số Giá trị Đo lực Nén

Thang đo tối đa 3Kg Điện áp hoạt động 5VDC

3.2.3.3 Lựa chọn Encoder Để đo được tốc độ thực tế của hệ thống ta cần có bộ mã hóa tín hiệu để đo được tốc độ Encoder là giải pháp tối ưu và chính xác nhất hiện nay cho việc đo tốc độ cao tránh sai số ở mức thấp nhất

Để đáp ứng yêu cầu về độ chính xác tốc độ của hệ thống, cần lựa chọn encoder có độ phân giải lớn Cụ thể, ở cuộn thu tốc độ, hệ thống yêu cầu khoảng 150-180 vòng/phút, do đó encoder có độ phân giải 600 xung được lựa chọn để đảm bảo độ chính xác và tin cậy cho hệ thống.

Hình 3 9 Rotary Encoder Bảng 3 4 Bảng thông số Encoder tương đối

Thông số Giá trị Điện áp hoạt động 24VDC

Pha đầu ra Pha A và pha B

3.2.3.4 Lựa chọn mạch khuếch đại

Đầu ra của loadcell thường ở dạng mV/V, do đó PLC không thể đọc tín hiệu trực tiếp từ loadcell mà phải thông qua bộ chuyển đổi để khuếch đại tín hiệu loadcell thành tín hiệu chuẩn 4-20mA và 0-10V cho PLC Nhóm đã tìm thấy mạch khuếch đại tín hiệu loadcell 0-10V/4-20mA RW – ST01A, được thiết kế sẵn để giải quyết vấn đề này.

Hình 3 10 Bộ khuếch đại Loadcell

Hình 3 11 Sơ đồ cầu đấu Mạch khuếch đại

Bảng 3 5 Thông số mạch khuếch đại Loadcell

Tín hiệu đầu vào mV

Tín hiệu ngõ ra 4-20mA hoặc 0 – 5(10)V

Thiết bị kết nối Tối đa 4 Loadcell kết nối song song

3.2.3.5 Lựa chọn động cơ cho hệ thống

Dựa vào lực căng tối đa hoạt động của hệ thống (F, lấy gia tốc trọng trường

~10) và bán kính trục (d) ta tính được momen công tác ở đầu trục như sau:

Để tính công suất động cơ cần thiết, chúng ta cần dựa vào các thông số kỹ thuật của hệ thống, bao gồm yêu cầu lực căng tối đa là 20N và thông số của cuộn được thiết kế với đường kính 6 cm, tốc độ cuộn tối đa là 30m/phút (tương đương 155v/p).

P: là công suất động cơ (kW) T: là momen đầu trục động cơ (Nm) n: là tốc độ quay của động cơ (v/p)

Từ công thức (3.1) và yêu cầu từ hệ thống, công suất P được tính toán là 0,0194 kW Để đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn, hệ số an toàn được chọn là 1,2, từ đó công suất động cơ điều khiển tốc độ cần thiết được tính là 0,0194 x 1,2 = 0,023 kW.

Hệ thống yêu cầu động cơ phải có khả năng điều khiển tốc độ bằng biến tần ngõ ra 3 pha, do đó chúng tôi lựa chọn động cơ hoạt động ở điện áp 3 pha 220V với công suất 1/4hp, tương đương 0.18kW, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định.

Hình 3 12 Động cơ Tatung 3 phase 0.18kW Bảng 3 6 Bảng thông số động cơ Tatung

Thông số Giá trị Điện áp đầu vào 3 pha 220 V

Công suất 0.18 Kw Điện áp 1.2A

3.2.3.6 Lựa chọn biến tần cho hệ thống Đối với hệ thống điều khiển lực căng cho hệ thống thu xả cuộn gồm có 2 động cơ, động cơ ở đầu xả và 1 động cơ ở lô thu Theo như cơ sở lí thuyết trình bày động cơ ở đầu xả và động cơ ở lô thu điều khiển tốc độ (Speed) nên cần 2 biến tần có chức năng điều khiển tốc độ Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại biến tần điều khiển được tốc độ nhưng nếu phải điều khiển theo truyền thông PROFIBUS với PLC S7 –

1200 thì biến tần Siemen G120 là thích hợp nhất

Khi lựa chọn biến tần, công suất của thiết bị cần lớn hơn hoặc bằng với công suất của động cơ Tuy nhiên, để đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả, công suất của biến tần nên có hệ số an toàn là 1,2, giúp ngăn chặn các sự cố và tăng tuổi thọ cho thiết bị.

Công suất biến tần: Công suất động cơ X Hệ số an toàn = 0,2 X 1,2 = 0,24 kW

Do không có biến tần công suất 0,24kW nên ta chọn biến tần có công suất 0,37kW

Hình 3 13 Biến tần SIMATIC G120 CU240E-2

Bảng 3 7 Thông số biến tần G120

Chế độ điều khiển Forward/Reveres, Multi speed, PID control, …đặc biệt là Truyền thông

Truyền thông RS-485, PROFIBUS-DP

Hình 3 14 Sơ đồ nguyên lý biến tần G120 [9]

3.2.4 Thiết kế sơ đồ nối dây và tủ điện

Hình 3 15 Tủ điện cho mô hình

Hình 3 16 Sơ đồ nối dây mạch điều khiển PLC

Hình 3 17 Sơ đồ nối dây của biến tần

Hình 3 18 Sơ đồ nối dây loadcell

Thiết kế lưu đồ giải thuật cho hệ thống

- Hệ thống vận hành được ở 2 chế độ Auto và manual:

Ở chế độ Auto, hệ thống cho phép người vận hành cài đặt chiều dài vải, lực căng và tốc độ chạy cụ thể, sau đó vận hành tự động theo quy trình đã được lập trình sẵn, giúp tối ưu hóa quá trình sản xuất và tăng hiệu suất làm việc.

• Ở chế độ manual: cho phép người vận hành điều khiển theo 1 cách thủ công, các motor được bật tắt theo từng nút nhấn riêng

- Dừng hệ thống khi nhấn nút dừng khẩn cấp hoặc có sự cố, lỗi

3.3.2 Thiết kế lưu đồ giải thuật cho hệ thống

Hình 3 19 Lưu đồ chính của hệ thống

Hình 3 20 Lưu đồ giải thuật chế độ auto và manual

Hình 3 21 Lưu đồ điều khiển motor cuộn và xả

THI CÔNG HỆ THỐNG

Thi công phần cơ khí

Mô hình phục vụ đồ án môn học cần đáp ứng nhu cầu thực tế và các điều kiện khác, đồng thời đảm bảo một số yêu cầu kỹ thuật chung để đạt được mục tiêu đề ra.

• Mô hình cơ bản phải phù hợp với nguyên lý phân loại trong thực tế Lắp ráp, đấu nối và vận hành điều khiển dễ dàng

• Sử dụng các vật tư, thiết bị, linh kiện thông dụng để dễ dàng thay thế, sửa chữa

• Đảm bảo tính thẩm mỹ và gọn gàng

• Các cơ cấu truyền động và giá đỡ cố định phải đảm bảo cứng vững trong quá trình vận hành

- Lắp đặt motor xả và encoder xả, motor cuộn và encoder cuộn:

Hình 4 1 Lắp đặt motor xả và encoder xả

Hình 4 2 Lắp đặt Motor cuộn và Encoder cuộn

- Lắp đặt Loadcell và bộ khuếch đại:

Hình 4 3 Lắp đặt Loadcell và bộ khuếch đại

Thi công tủ điện

- Lắp đặt nút nhấn, đèn và HMI:

Hình 4 4 Lắp đặt nút nhấn, đèn và HMI

Hình 4 5 Sơ đồ nối dây của nút nhấn, đèn và HMI

- Lắp đặt và nối dây các thiết bị trong tủ điện:

Hình 4 6 Lắp đặt các thiết bị và nối dây bên trong tủ điện

Cài đặt thông số biến tần

4.3.1 Giới thiệu về phần mềm Starter

Để đơn giản hóa và nâng cao độ tin cậy của quá trình vận hành, bảo trì các hệ thống biến tần, mỗi nhà sản xuất như Siemens đã phát triển phần mềm chuyên dụng Starter Phần mềm này cho phép tự động đọc thông số từ các thiết bị trong hệ thống biến tần, giúp rút ngắn thời gian và tránh nhầm lẫn trong quá trình thiết lập thông số Phần mềm Starter được cung cấp miễn phí trên trang chủ của hãng, gồm nhiều phiên bản cài đặt trên nhiều hệ điều hành khác nhau, cho phép thiết lập các tham số, nạp chương trình, phát hiện lỗi và bảo trì hệ thống khi cần.

Hình 4 7 Giao diện phần mềm Starter

4.3.2 Cài đặt thông số biến tần cho motor xả trên phần mềm Starter

- Bước 1: Lựa chọn ứng dụng cho motor

Yêu cầu mô hình của ta chỉ cần quay trục quay đơn giản và tốc độ cố định chính xác nên ta sẽ vào Configuration → Control_Unit → Application class

→ Chọn [1] Standard Drive Control (SCD)

Hình 4 8 Lựa chọn ứng dụng cho Motor

Bước 2: Chọn chế độ macro của biến tần:

Vào Configuration → Control_Unit → I/O configuration → Chọn 7.) Fieldbus with data set changeover

Hình 4 9 Chọn chế độ Macro cho biến tần

- Bước 3: Chọn nguồn điện cấp vào cho biến tần

Vào Configuration → Control_Unit → Drive setting→ chọn 400V

Hình 4 10 Chọn nguồn điện cấp vào cho biến tần

- Bước 4: Chọn loại motor cần điều khiển

Vì motor chúng ta là loại không đồng bộ nên vào Configuration → Control_Unit → Motor data → Lựa chọn thông số theo thông số motor

Hình 4 11 Chọn các thông số cho Motor

- Bước 5: Lựa chọn các giới hạn cho motor xả

Vào Configuration → Control_Unit → Imporrtant → Lựa chọn thông số

Hình 4 12 Lựa chọn thông số giới hạn

- Bước 6 : Lựa chọn chế độ nhận dạng motor

Vào Configuration → Control_Unit → Drive functions→ Chọn [0] Ịnhibited

Hình 4 13 Lựa chọn chế độ nhận dạng Motor

- Bước 7: Cài đặt truyền thông PROFIBUS

Select field bus protocol → chọn [3] PROFIBUS Trong mục Configuration ta tiến hành lựa chọn địa chỉ cho biến tần xả

Hình 4 14 Chọn địa chỉ PROFIBUS cho biến tần xả

To configure Telegram settings, navigate to Receive direction, then select Telegram configuration and choose No PROFIsafe telegram selected Next, select [999] Free telegram configuration with BICO In the PZD 2 register, set p1070 to 0 to enable receiving set values from the PLC into the register.

Hình 4 15 Chọn thanh ghi và chế độ nhận giá trị đặt

To configure the transmit direction, access the PZD 1 register and set r2089 to 0, enabling data transmission into status word 1 Next, navigate to the PZD 2 register and set r63 to 0 to allow speed value feedback to the PLC, and set r68 to 0 to enable current value feedback to the PLC.

Hình 4 16 Lựa chọn các giá trị phản hồi về PLC

4.3.3 Cài đặt thông số biến tần cho motor cuộn trên phần mềm starter

Các bước thông số của biến tần trên motor cuộn tương tự như trên biến tần cho motor xả, nhưng có sự khác biệt ở phần cài đặt thông số và giới hạn cho motor cuộn, cũng như địa chỉ PROFIBUS dành riêng cho motor này.

Để cài đặt các thông số cho motor cuộn, bạn có thể thực hiện các bước tương tự như cài đặt motor xả Đầu tiên, truy cập vào mục Configuration, sau đó chọn Control_Unit và tiếp tục chọn Motor data Tại đây, bạn sẽ lựa chọn thông số phù hợp với thông số motor cuộn của mình.

Hình 4 17 Cài đặt thông số motor cuộn

- Cài đặt các thông số giới hạn cho motor cuộn ta vào Configuration → Control_Unit → Imporrtant → Lựa chọn thông số

Hình 4 18 Cài đặt thông số giới hạn cho motor

- Cài đặt địa chỉ PROFIBUS cho biến tần cuộn vào Select field bus protocol

→ chọn [3] PROFIBUS Trong mục Configuration ta tiến hành lựa chọn địa chỉ cho biến tần cuộn

Hình 4 19 Chọn địa chỉ cho biến tần cuộn

To configure the Telegram settings, navigate to Receive direction and select 'No' in the Telegram configuration Then, choose 'PROFIsafe telegram selected' and opt for '[999] Free telegram configuration with BICO' Next, in the PZD 2 register, set p1070 to 0, allowing the PLC to receive set values in the register.

Hình 4 20 Chọn thanh ghi và giá trị đặt

Thiết kế giao diện giám sát

Giao diện điều khiển giám sát đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển và vận hành hệ thống, cho phép người vận hành thực hiện các công đoạn điều khiển một cách dễ dàng và chính xác Để đáp ứng yêu cầu này, giao diện điều khiển giám sát cần được thiết kế đặc biệt với các yêu cầu cụ thể, đảm bảo tính tiện lợi và độ chính xác cao trong quá trình vận hành hệ thống.

- Giao diện thiết kế trực quan dễ quan sát, vận hành Bố cục bố trí, màu sắc thiết kế cân đối

- Hiển thị đầy đủ thông tin của hệ thống như lực căng, tốc độ, thông số điều khiển, …

- Cho phép điều khiển giám sát trạng thái hoạt động của các thiết bị

- Cho phép cài đặt các thông số cần thiết

- Phân quyền truy cập cho người dùng

- Đưa ra cảnh báo nguy hiểm, sự cố

Màn hình chính của hệ thống hiển thị các thông số quan trọng như lực căng, tốc độ và cài đặt giá trị tốc độ, cũng như thông số PID vận hành của hệ thống Điều này cho phép người dùng giám sát tổng quan trạng thái hoạt động của động cơ một cách dễ dàng và chính xác.

Màn hình cấp 2 (Level 2) cho phép người dùng tùy chỉnh và cài đặt các thông số PID cho từng loại vật liệu hoặc từng mức lực căng, tốc độ khác nhau của hệ thống Các thông số này được lưu trữ và tự động áp dụng khi nhập lực căng và tốc độ tương ứng, đồng thời cho phép người dùng thay đổi và cập nhật thông số thông qua các nút nhấn Dữ liệu được lưu trữ trong PLC dưới dạng các thanh ghi Index Register Z, đảm bảo tính linh hoạt và tiện lợi trong quá trình vận hành hệ thống.

Màn hình động cơ là công cụ quan trọng giúp hiển thị trạng thái hoạt động của động cơ điều khiển momen và tốc độ, cho phép người dùng dễ dàng theo dõi và kiểm soát quá trình làm việc của hệ thống Thông qua các nút nhấn on/off hoặc chế độ Jog, người dùng có thể điều khiển động cơ một cách linh hoạt và chính xác Đặc biệt, màn hình hiển thị thông tin dưới dạng biểu đồ, giúp người dùng giám sát quá trình làm việc của hệ thống một cách tối ưu và hiệu quả.

4.4.3 Thiết kế màn hình HMI

Hình 4 21 Màn hình đăng nhập hệ thống

Hình 4 22 Màn tổng quan hệ thống

Hình 4 23 Màn hình Giám sát và vận hành từng motor

Hình 4 24 Màn hình cảnh báo

Hình 4 25 Màn hình giám sát đáp ứng thông số ngõ ra

KẾT QUẢ THỰC HIỆN

Kết quả thực hiện mô hình

Hình 5 1 Mô hình hệ thống

Hình 5 2 Mô hình hệ thống

Kết quả điều khiển

5.2.1 Kết quả thực hiện khi tốc độ đạt 10m/min

Hình 5 3 Kết quả thực hiện khi tốc độ 10m/min và lực căng 5N

Bảng 5 1 Đánh giá chất lượng tốc độ 10m/min và lực căng 5N

Sai số xác lập trung bình (%) 0.7 2.6

- Đối với trường hợp tốc độ cuộn đạt 10m/min và lực căng 5N thì thời gian đáp ứng nhanh, sai số nhỏ

- Lực căng đáp ứng nhanh và sai số xác lập nhỏ

Hình 5 4 Kết quả thực hiện ở tốc độ 10m/min và lực căng 10N

- Giá trị tốc độ cuộn đạt tới giá trị đặt với thời gian ngắn và sai số nhỏ

- Giá trị lực căng đạt tới giá trị đặt với thời gian ngắn và sai số nhỏ

- Thời gian xác lập của tốc độ cuộn và thời gian xác lập của lực căng đều đáp ứng nhanh

- Sai số xác lập của lực căng và tốc độ cuộn nhỏ

- Thời gian xác lập của tốc độ cuộn đáp ứng lâu, sai số xác lập nhỏ

- Thời gian xác lập của lực căng đáp ứng nhanh, sai số xác lập nhỏ

- Thời gian xác lập của tốc độ cuộn và lực căng đáp ứng nhanh, sai số nhỏ

- Độ vọt lố của lực căng lớn

- Thời gian xác lập của tốc độ cuộn chậm, sai số nhỏ

- Thời gian xác lập của lực căng đáp ứng nhanh, sai số nhỏ

- Thời gian xác lập của tốc độ cuộn nhanh, sai số xác lập nhỏ

- Thời gian xác lập của lực căng nhanh, sai số xác lập lớn vào những mét vải cuối

- Thời gian xác lập của lực căng nhanh, sai số xác lập lớn

- Thời gian xác lập của tốc độ cuộn chậm, sai số xác lập nhỏ

5.2.6 Kết quả thực hiện khi thay đổi giá trị đặt tốc độ

Hình 5 13 Thay đổi giá trị đặt tốc độ trong quá trình hoạt động

- Quá trình tăng tốc và giảm tốc đáp ứng nhanh với giá trị đặt

- Ở điểm tăng tốc thì lực căng sẽ tăng còn điểm giảm tốc lực căng giảm nhưng nhanh chóng xác lập trở lại

5.2.7 Kết quả thực hiện khi thay đổi giá trị đặt lực căng

Hình 5 14 Thay đổi giá trị đặt lực căng trong quá trình hoạt động

- Khi thay đổi giá trị lực căng thì tốc độ có thay đổi nhưng không lớn

- Thời gian gian xác lập khi thay đổi giá trị lực căng nhanh và vọt lố ít

5.2.8 Kết quả thực hiện khi thay đổi giá trị lực căng và tốc độ

Hình 5 15 Thay đổi giá trị đặt lực căng và tốc độ trong quá trình hoạt động

- Tốc độ đáp ứng nhanh sau mỗi lần thay đổi

- Lực căng đáp ứng nhanh sau mỗi lẫn thay đổi nhưng vẫn có một số điểm làm việc bị vọt lố

5.2.9 Kết quả chạy theo chiều dài vải

Bảng 5 11 Kết quả chạy theo chiều dài vải

Tiêu đề	Thiết Kế Và Điều Khiển Mô Hình Cuộn Xả Vải
Tác giả	Võ Văn Diễn, Nguyễn Văn Tỵ
Người hướng dẫn	ThS. Nguyễn Tấn Đời
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
Thể loại	Đồ Án Tốt Nghiệp
Năm xuất bản	2023
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	96
Dung lượng	11,14 MB