Một số ứng dụng về điều khiển tự động trong sản xuất

Tài liệu tham khảo Một số ứng dụng về điều khiển tự động trong sản xuất

Một số ứng dụng về điều khiển tự động trong sản xuất

Th.s Nguyễn Chỉ Sáng - Phan Đăng Phong Viện Nghiên cứu Cơ khí – Email: Narime-adc@hn.vnn.vn

Tóm tắt: Việc nghiên cứu tích hợp giữa Điện điều khiển và Cơ khí trong các nhà máy

sản xuất tại Việt Nam là rất cần thiết, xong để đưa ra được các phương án phù hợp với yêu cầu về kinh tế mà chất lượng vẫn đảm bảo là một yêu cầu khó, báo cáo này sẽ trình bầy một số ứng dụng về một số kết quả ứng dụng của viện Nghiên cứu Cơ khí về vấn đề này

1 Đặt vấn đề

So với các nước công nghiệp phát triển thì tự động hoá tại nước ta mới chỉ ở giai đoạn bắt đầu, do đặc điểm nền kinh tế là nông nghiệp lạc hậu nên số lượng nhà máy công, nông nghiệp được tự động hoá cao còn ít và ở trình độ thấp Tuy nhiên để hoà nhập với kinh tế thế giới, tăng sức cạnh tranh của hàng hoá Việt nam thì tự động hoá trong sản xuất là yêu cầu cấp thiết để nâng cao chất lượng, số lượng, hiệu quả sử dụng nguyên, nhiên liệu

Nguyên nhân chính trong việc chậm chễ áp dụng tự động hoá trong các dây chuyền sản xuất là do giá của các thiết bị tự động quá cao mà các doanh nghiệp này lại cần thu hồi vốn nhanh Nhưng nếu không hiện đại hoá trong quá trình sản xuất, nhất là các công đoạn sản xuất

đồng loạt và đòi hỏi độ chính xác cao thì không thể đáp ứng tốt với nhu cầu của thị trường và cạnh tranh được với các hàng hoá trong khu vực Nếu chỉ nhập các thiết bị tự động mà không chú ý đến việc tự chế tạo ra nó thì chẳng bao lâu nữa Việt Nam sẽ trở thành một thị trường chỉ

để tiêu thụ các sản phẩm chứ không tự chế tạo ra được các sản phẩm tự động phục vụ cho mình Đảng và Nhà Nước ta đã quan tâm đến vấn đề này và đang kêu gọi các Tổ chức, Bộ, Ngành phát huy nguồn lực nội sinh và một trong những vấn đề đó là biết phát huy những trí tuệ trong nước để chế tạo ra các sản phẩm tự động hoá ở trình độ cao phục vụ cho quá trình sản xuất và đời sống trong nước Trong bài viết này chúng tôi sẽ trình bầy một vài ứng dụng về tự

động hoá tại các cơ sở sản xuất trong nước của viện Nghiên cứu Cơ khí

2 tiếp cận bài Toán

Trong một máy hoặc một dây chuyền sản xuất tự động bao giời cũng gồm các phần sau:

Trong đó giá thành của phần cơ khí chiếm khoảng 30%, phần thiết bị điều khiển 40%

và phần mềm 30% tổng giá thành Các máy tự động trong các dây chuyền sản xuất trong nước

từ trước lại nay đều được nhập từ các nước công nghiệp pháp triển như: Đức, Nhật, Mỹ nó thường là rất đắt và không chủ động được công nghệ Trong khi đó nếu sản xuất các máy này tại Việt Nam sẽ nâng cao tính cạnh tranh của hàng hoá và tạo được việc làm cho nhiều người lao động Việc áp dụng tự động hoá trong sản xuất không phải là khó, vấn đề ở đây là phải biết kết hợp chặt chẽ giữa công nghệ và điều kiện sản xuất để lựa chọn các thiết bị điều khiển cho

Phần Cơ khí

Phần thiết bị

điều khiển

Phần mềm điều khiển

giản, điều đó sẽ dẫn đến chi phí để chế tạo máy quá cao Sau đây là một vài ứng dụng tích hợp Cơ_Điện để chế tạo ra các máy tự động phục vụ cho quá trình sản xuất trong nước của Viện Nghiên cứu Cơ khí

3 Các bài toán điều khiển tự động

3.1 Tính toán, thiết kế, hệ thống cân băng định lượng

3.1.1 Phát biểu bài toán: Tính toán, thiết kế hệ thống cân băng định lượng 5 thành phần cho

nhà máy xi măng lò đứng 8,8 vạn tấn/năm

3.1.2 Giải quyết bài toán:

Yêu cầu đặt ra: Thiết kế, chế tạo một hệ thống cân phối liệu tự động dạng băng tải với

các đặc tính sau:

- Có thể điều khiển được thành phần các chất tham gia phối liệu thông qua máy tính và

hệ thống điều khiển

- Lưu trữ các thống tin vào máy tính

- Nếu máy tính hỏng, thì PLC có thể hoạt động độc lập để điều chỉnh thành phần các chất thông qua biến tần để điều chỉnh tốc độ quay của động cơ băng tải trong trường hợp máy tính bị trục trặc kỹ thuật

- Độ chính xác của hệ thống thiết bị ≤ 1.5 %

Giải pháp công nghệ

Hệ thống bao gồm

- Các thiết bị truyền động cơ khí như: các băng tải để vận chuyển vật liệu, các động cơ và hộp số, hệ thống giàn cân

- Các thiết bị điều khiển: các đầu đo lực (Loadcell), đo tốc độ (Encoder), biến tần

điều khiển tốc độ (Inveter), PLC S7-300 và các mô đun của hãng SIEMEN

- Phần mềm điều khiển: Kết hợp giữa chương trình phát triển của SIEMEN và VISUAL BASIC

Trên cơ sở các thiết bị lựa chọn chúng tôi đề xuất phương án như hình 1

Remote Display

PS307

2A

CPU 314 SP340

RS485

10DI/10DO 40DO SIWAREX

U

Load cell

Hình 1 - Sơ đồ hệ thống điều khiển cân tự động 5 thành phần

Hệ thống gồm PLC 314 của Siemens hoạt động độc lập thông nhận tín hiệu từ 05 đầu

đo lực ( loadcell), xử lý các tính hiệu đó và đưa hiển thị nên màn hình: các thông số cơ bản như: Năng suất (kg/m), tốc độ băng tải, trọng lượng trên một mét băng tải, từ đó hệ thống PLC

điều khiển năng suất của một thành phần dựa vào điều khiển tốc độ của động cơ thông qua các biến tần Hệ PLC này được nối với một máy tính để nhận; lưu trữ và đưa ra các mệnh lệnh cho các cơ cấu chấp hành

Ưu điểm: Đây là phương án tối ưu nhất bởi các lý do sau:

+ Cùng một lúc dùng PLC có thể điều khiển được cả 05 thành phần của 05 băng tải, các tín hiệu từ 05 thành phần đó được hiển thị trên cùng một màn hình ( Năng suất Q, tốc độ băng tải, và khối lượng)

KG

RS485/RS232

PC

FUNCTION BOX

R_Incoder + Inveter

+ Có cổng nối qua máy tính để lưu trữ số liệu vào máy tính và đưa các lệnh hoạt động cho dây chuyền

+ Có thể hoạt động độc lập khi máy tính có sự cố

3.1.3 Kết quả của đề tài

Chế tạo được 01 hệ thống cân băng phối liệu tự động dạng băng tải với các tính năng như sau:

- Năng suất 8.8 vạn tấn/năm

- Phối liệu tự động cho 05 thành phần

- Độ chính xác tới 1%

- Chế độ điều khiển: hoàn toàn tự động

Trên cơ sở của bài toán này, chúng tôi đã áp dụng tại nhà máy Xi măng Anh sơn, Lương sơn hiện hệ thống vẫn đang hoạt động có hiệu quả tại các cơ sở này

3.2 Tính toán, thiết kế máy hàn bán tự động cần số và ống bô xe máy

3.2.1 Phát biểu bài toán: Thiết kế hoàn chỉnh được 01 máy để hàn tự động phần cung tròn và

một phần đường thẳng của cần số xe máy Các phần cấp khí, phần điều khiển đầu hàn (vào/ra,

đánh điện), tốc độ quay của động cơ và các điều khiển đồ gá, các thiết bị an toàn được điều khiển tự động

3.2.2 Giải quyết bài toán

Giải pháp công nghệ

Việc lựa chọn giải pháp công nghệ phụ thuộc vào rất nhiều các lý do:

- Nguồn vốn đầu tư, hiện trường lắp đặt máy

- Phôi trước khi hàn và yêu cầu của sản phẩm sau khi hàn ( Độ cong vênh cho phép, độ

đồng đều và bền của mối hàn ) Sau khi nghiên cứu kỹ lưỡng các yêu cầu của dạng sản phẩm ta đưa ra phương án sau:

- Chọn loại đồ gá có thể tháo lắp nhanh và có dưỡng để điều chỉnh sai số cơ khí của phôi

- Nhằm tiết kiệm thời gian và nâng cao năng suất khi hàn chọn phương án hàn liền một lúc cả hai bên đường hàn việc này rất khác với các máy của Nhật hiện có chỉ hàn 1

đường sau đó xoay lại và hàn đường còn lại

Hình 2 Mô hình cân băng tại phòng thí nghiệm Hình 3 Tủ điện điều khiển tại NM XM Anh Sơn

- Chọn thiết bị điều khiển là PLC của Siemen bởi các thiết bị của Siemen tương đối ổn

định và thích hợp với sản xuất công nghiệp

Căn cứ vào giải pháp trên ta có sơ đồ thuật toán sau (hình 4):

BĐ

Kiểm tra các điều

Vị trí đầu

Vị trí chi tiết

Vị trí đồ gá

Đ/K để đầu hàn về đúng vị

Đ/K để đầu hàn về đúng vị

Đ/K để đầu hàn về đúng vị

S

S

S

Đ

Đ

Đ

Xi lanh đưa hai đầu hàn hai bên vào ( 2s)

Đầu hàn đóng điện,

động cơ quay

Hàn hết đường

Động cơ quay ngược lại trả

sản phẩm về vị trí ban đầu

Lấy sản phẩm ra

S

Đ

ở đây: Vị trí đầu hàn và đồ gá hàn: được kiểm tra bởi 02 Proxi_switch, khi thấy vị trí chưa

đúng, bộ xử lý trung tâm sẽ đưa ra chỉ thị đưa đầu hàn và đồ gá hàn về vị trí làm việc

Vị trí chi tiết: Sẽ được tự động kiểm tra, nếu như chi tiết chưa đặt đúng vị trị thì khi ra lệnh hàn tất cả các chức năng sẽ không hoạt động và PLC sẽ báo lỗi yêu cầu người thợ đưa

đúng chi tiết vào vị trí hàn

Nếu gọi T thời gian cần thiết để hàn được một sản phẩm ( chu kỳ) thi T được tính theo công thức sau:

∑

= + + +

T T

T T

T

1 3 2

Với T1; T2; T3 lần lượt là thời gian gá chi tiết, thời gian hàn sản phẩm, thời gian lấy sản phẩm ra

∑

=

n

i

i

T

1

là tổng các thời gian trễ có tính đến tính công nghệ của đường hàn và đặc thù của

loại máy hàn

Trong thực tế sản xuất thì T ≈ 25ữ35 giây

Các vấn đề gây sai số của thiết bị

Đây là một thiết bị kết hợp giữa điện tử, ngôn ngữ lập trình và cơ khí, do vậy về mặt sai

số là không thể tránh khỏi nên việc tính toán các sai số là vô cùng cần thiết bởi, nếu tính toán

và khống chế được các sai số trong phạm vi cho phép của hệ thống sẽ hạn chế được các sai số khi gia công sản phẩm

Nếu gọi:∇ là Σ các sai số do các thiết bị điện tử gây ra như: Các sai số này hoàn toàn tính s1

được dựa vào từng loại thiết bị điện tử và yêu cầu của công nghệ (∇ <0.005 mm) Trên thực s1

tế nếu ta chọn các thiết bị điện tử tốt cùng với các loại dây có độ chống nhiễu cao thì các sai số này sẽ đạt được các chỉ tiêu theo yêu cầu đặt ra

2

s

∇ là Σ các sai số do phần cơ khí gây ra như: Sai số do phần chế tạo chi tiết quay, thời gian trễ của các chi tiết truyền động để đạt được tốc độ tối đa;

3

s

∇ = Σ các sai số do ngôn ngữ lập trình gây ra ( rất nhỏ);

Thì sai số vị trí đầu hàn và quĩ đạo chuyển động của đầu hàn được tính như sau:

3 2

s

3.2.3 Kết quả của đề tài

Chế tạo được 01 máy hàn cần số xe máy với các tính năng sau :

- Năng suất : 30 giây/1 sản phẩm tính cả thời gian gá đặt

- Chế độ điều khiển : bán tự động

- Chất lượng sản phẩm : đạt tiêu chuẩn do hãng HONDA Nhật bản đề ra

Với việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thành công máy hàn bán tự động cần số mở ra một triển vọng to lớn cho công nghiệp nước nhà bởi các lý do sau :

Giá thành của máy hàn chỉ bằng 30% giá thành tương đương của máy Nhật trên thế giới và hiệu quả đã được kiểm chứng tại công ty Liên doanh GOSHI Thăng long và sản phẩm đã được hãng HONDA kiểm tra, chứng nhận chất lượng và đưa vào sử dụng trong sản xuất hàng loạt

Việt Nam sẽ chủ động hơn nhiều trong việc nội địa hoá các sản phẩm trong chế tạo cơ khí nhất là các mặt hàng đòi hỏi tính chính xác và công nghệ tự động hoá ở mức cao

Thiết bị được chế tạo bởi trực tiếp từ các kỹ sư trong Viện Nghiên cứu Cơ khí, do đó Viện sẽ chủ động hơn trong việc thiết kế chế tạo các hệ thống tự động khác, từ mô hình tự

động này có thể nhân rộng ra các mô hình tự động khác

Giúp cho các kỹ sư trong Viện nâng cao kiến thức về tự động hoá và có cách nhìn một cách tổng quan hơn về vấn đề này

3.3 Tính toán, thiết kế, chế tạo hệ thống máng khí động

3.3.1 Phát biểu bài toán: Thiết kế, chế tạo hệ thống vận chuyển xi măng rời bằng phương

pháp khí động, tự động điều khiển năng suất và kết nối với hệ thống SCADA của toàn nhà máy

3.3.2 Giải quyết bài toán:

Hệ máng khí động là thiết bị vận chuyển theo phương ngang để vận chuyển các loại bột rời như xi măng, đất sét, thạch cao Nó được đặt nghiêng theo phương vận chuyển

Hệ máng khí động hoàn chỉnh gồm có một van đóng mở A, một van điều chỉnh lưu

lượng H, quạt gió và hệ đường ống khí C, máng khí B, cửa ra F, ống thu bụi G (Hình 7) Giữa lớp

vật liệu được vận chuyển và đáy máng có lớp vải đặc biệt ngăn cách lớp vải này có tác dụng giúp cho lượng khí phân bố đều trên tiết diện của máng và hạt xi măng không rơi xuống dưới

Hình 7- Một mô hình của máng khí động

H

Nguyên lý vận chuyển liệu có thể được mô tả như sau:

Vật liệu vận chuyển được đưa vào máng khí theo cửa vào qua các van đóng mở A, van

điều chỉnh lưu lượng H vào phần trên của máng khí, cùng lúc đó, khí nén tạo ra bằng quạt cao

áp được thổi vào phần dưới của máng khí thấm qua lớp vải ngăn cách E và xục vào lớp bột vận chuyển Bột lúc này được chuyển thành trạng thái gần lỏng, nhờ đó lực ma sát giữa các hạt giảm đi đáng kể, dưới tác dụng của lực trọng trường, lớp liệu giả lỏng chảy xuôi theo chiều nghiêng của máng khí và đổ vào cửa ra F Phần không khí nén thẩm thấu qua lớp liệu đi vào khoang trên của máng khí được hút qua lọc bụi thông qua ống G

Đây là một bài toán phức tạp, đòi hỏi phải có một tính toán rất cụ thể về năng suất của

hệ thống để điều chỉnh các van đóng/mở, lưu lượng gió của các quạt cho phù hợp, hệ thống cũng đòi hỏi phải kết nối với một hệ SCADA khác sẵn có của nhà máy do vậy thiết bị được lựa chọn ở đây là phải đồng bộ với dây chuyền sẵn có của nhà máy Từ đó chúng tôi lựa chọn phương án kết nối là dùng phần thiết bị điều khiển và phần mềm phát triển của MISUBISHI để kết nối với phần máng khí động được thiết kế và chế tạo trong nước để tạo thành một dây chuyền vận chuyển xi măng rời và lắp đặt hệ thống này tại nhà máy xi măng Nghi sơn Giải pháp của phần điều khiển tự động như sau:

Hệ thống điện điều khiển đảm bảo cho hệ thống có thể hoạt động ở hai chế độ:

Điều khiển trung tâm: Hệ thống điều khiển và giám sát bởi chương trình lập sẵn ở DCS và PLC

Điều khiển bằng tay: Khi đó từng cụm thiết bị sẽ được người sử dụng vận hành bằng tủ

điều khiển cục bộ tại vị trí đặt máy Chế độ này được sử dụng khi hệ thống điều khiển trung tâm có sự cố, hoặc khi cần vận hành độc lập để bảo dưỡng; sửa chữa thiết bị Trong chế độ này cụm thiết bị có thể chạy/dừng độc lập không phụ thuộc vào trạng thái hoạt động của các cụm thiết bị khác

Hệ thống điều khiển trung tâm

Hệ thống điều khiển máng khí động nằm trong hệ thống điều khiển cụm xuất xi măng rời và đóng bao Cụm này sẽ bao gồm từ việc điều khiển các xi lô chứa xi măng rời cho đến phần điều khiển xi măng ra cầu cảng, xuất bao xi măng đến các xe chứa

Các thiết bị trong cụm đóng bao được điều khiển liên động bằng chương trình lập sẵn tại PLC điều khiển hệ thống đóng bao và các thông tin trạng thái được truyền qua mạng cáp quang lên DCS Tại đây các thông tin về trạng thái của thiết bị được thể hiện bằng các biểu tượng đồ hoạ Các yêu cầu điều khiển được ra lệnh từ trung tâm DCS truyền qua mạng cáp quang đến PLC để thực hiện lệnh Các thiết bị được khởi động và dừng theo tuần tự để tránh hiện tượng tắc liệu ở 1 khâu trung gian

Quá trình khởi động

Khi người vận hành nhấn nút Start ở DCS quá trình khởi động xảy ra theo trình tự như sau:

Các quạt hút bụi 12BF-204; 12BF-301; 12BF-401; 12BF-302 được khởi động sau thời gian 60 giây; các vít tải 12SC-202; 12SC-201; 12SC-301; 12SC-401; 12SC-402; 12SC-403

được cho chạy Sau đó quạt của máng khí ra silô đóng bao 12TB-204 được khởi động đưa xi măng rời vào các silô đóng bao

Việc khởi động hệ thống có thể được thực hiện tự động nếu người sử dụng vận hành một trong ba máy đóng bao hoặc máng khí động xuất xi măng rời ra xe Hệ thống sẽ tự động dừng khi các silô chứa xi măng đến các máy đóng bao và xuất xi măng rời 203; 12SC-301; 12SC-401; 12SC-302 đều ở mức cao (HH)

Sau khi quạt turbo 12TB-204 và 12TB-402 đã chạy một thời gian thì sàng rung

12VS-201 và gầu tải 12BE-12VS-201 được khởi động đưa xi măng vào máng đóng bao

Tuỳ theo năng suất yêu cầu của quá trình xuất xi măng mà 1 hoặc 2 máng khí động 12AS-205 và 12AS-202 được sử dụng

Khi máng khí nào đó được sử dụng thì quá trình khởi động máng khí được tiến hành theo trình tự từ các máng hút bụi 12BF-202 sau đó khởi động các quạt Turbo 207; 12TB-206; 12RB-205; 12TB-203 sau đó các cửa rót liệu từ silô chính 12RV-210; 12RV-209 được

mở để xuất xi măng Quá trình khởi động kết thúc

Quá trình dừng hệ thống

Quá trình dừng được thực hiện theo quy trình ngược lại với quá trình khởi động Các bộ phận cấp liệu được dừng trước tiên

Đầu tiên các silô đóng bao 12SS-203; 12SS-301; 12SS-401 được dừng Sau đó đến các vít tải thu hồi liệu 12SC-201; 12SC-301; 12SC-401; 12SC-402; 12SC-403

Nếu chỉ một trong các máy đóng bao ngừng hoạt động thì quá trình dừng chỉ thực hiện tại các silô liệu và các vít tải cục bộ cho máy đóng bao này

Nếu tất cả các máy đóng bao đều ngừng hoạt động thì hệ thống còn lại mới được dừng Khi đó các van liệu 12RV-210; 12RV-209 và các quạt tương ứng 12TB-207; 12TB-203; 12RB-205; 12TB-206 được ngừng hoạt động không cấp liệu xuống gầu tải

Khi tất cả các máng khí động và các vít tải thu hồi liệu đã dừng thì gầu tải 12BE-201

được ngừng hoạt động Tiếp theo là sàng rung 12VS-201; các quạt 12TB-204; 12TB-402; các máy hút bụi 12BF-204; 12BF-301; 12BF-401; 12BF-302 được cho ngừng hoạt động Qúa trình dừng hệ thống đóng bao kết thúc

3.3.3 Kết quả của đề tài:

Sau hơn 12 tháng nghiên cứu nhóm đề tài đã thiết kế và chế tạo thành công hệ thống máng khí động vận chuyển xi măng rời và 01 mô hình thí nghiệm hệ thống vận chuyển xi măng thu nhỏ với các tính năng chủ yếu sau:

+ Năng suất Q=350 tấn giờ

+ Loại vật liệu vật chuyển: là xi măng rời có kích thước 3,150 cm2/g hoặc các loại hạt tương đương khác

+ Kích thước ngoài của máng khí (mm): 400 x 400

+ Độ nghiêng của máng khí: 6ữ10 độ

+ Hệ thống quạt TURBO tạo áp suất gió miệng trên âm để vận chuyển hạt

+ Hệ thống được điều khiển tự động một cách hoàn toàn nhờ có PLC tại phòng điều khiện cục bộ tại máng khí động và phần mềm kết nối để giám sát quá trình thông qua DCS đặt tại phòng điều khiển trung tâm

Các kết quả đạt được của đề tài là tương đương với loại máng khí động tương tự của hãng IBAU HAMBURG - Đức, điều này khẳng định Việt Nam hoàn toàn làm chủ được công nghệ vận chuyển này và có thể nhân rộng ra với các mô hình và bài toán khác tại các nhà máy

xi măng trong nước

Việc phối hợp giữa công nghệ Tự động hoá và công nghệ chế tạo cơ khí thuần tuý để tạo ra được một sản phẩm tích hợp Điện tự động_ Cơ khí khảng định một bước tiến mới trong việc chế tạo các thiết bị cơ khí với các tính năng tự động cao

4 Tài liệu tham khảo

[1] Booth royd, R Flowing Gas – Solids suspensions London, 1971

[2] Klinzing, Gas – Solid Transport, Mc Graw – Hill, New york, 1981

[3] Fluidization, Technology, Eds Keairns, et.al., 1976

[4] J Powder Technology, 1989, N1-2

[5] Các tài liệu của hãng IBAU HAMBURG

+ Flow Control Gate ( Standard type and variations for all applications)

+ Fluidslide – Operating instructions

+ Claudius Peters Hamburg

[6] Pneumatic Conveying of Solids – A Theoretical and practical approach, R.D Marcus, L.S.Leuung G.E Klinzing and F.Rizk

[7] Powder surface Area and Porosity, Sl Lowell and J.E Shields 2nd edn, hardback (041225240), 248 Pages

[8] Các tài liệu của hãng SIEMEN

+ Simatic – DP/PA Bus Coupler

+ Profibus – Technical Description and User guide

+ Field Instruments for Process Automation

+ User guide for Software – Simatic S7-300;

[9] Nghiên cứu thiết kế hệ thống máng khí động vận chuyển xi măng rời điều khiển PLC kết nối với toàn hệ thống điều khiển của nhà máy xi măng Nghi sơn bằng hệ thống điều khiển DSC, Nguyễn Chỉ Sáng và nhóm đề tài cấp Bộ, 2001

SOME APPLYING AUTO_CONTROL IN THE MENUFACTURE

Abstract: The studying, applying combing between Auto_Control and Mechanical at factories

in Vietnam is necessary, so that the giving a correspond method with economics that guarantee about quality is very difficult This article expound some results applying of NARIME about this problem