Nghiên cứu điều khiển hệ thống nối trục động cơ trong dây chuyền cán thép

` ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN QUỐC KHÁNH NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG NỐI TRỤC ĐỘNG CƠ TRONG DÂY CHUYỀN CÁN THÉP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa THÁI NGUYÊN – 2014 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN QUỐC KHÁNH NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG NỐI TRỤC ĐỘNG CƠ TRONG DÂY CHUYỀN CÁN THÉP Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT PHÒNG ĐÀO TẠO KHOA ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Nguyễn Thị Mai Hương THÁI NGUYÊN – 2014 LỜI CAM ĐOAN Tên là: Nguyễn Quốc Khánh Sinh ngày : 01 tháng năm 1960 Học viên lớp cao học khóa 14 - Tự động hóa - Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên - Đại Học Thái Nguyên Hiện công tác tại: Trường Đại Học Lao Động Xã Hội – Cơ sở Sơn tây Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu nêu luận văn trung thực Những kết luận khoa học luận văn chưa cơng bố cơng trình Tôi xin cam đoan thông tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Tác giả luận văn Nguyễn Quốc Khánh LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực luận văn, tác giả nhận quan tâm lớn nhà trường, khoa, phòng ban chức năng, thầy giáo đồng nghiệp Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng đào tạo sau đại học, Khoa điện, giảng viên tạo điều kiện cho tơi hồn thành luận văn Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến TS Nguyễn Thị Mai Hương, Trường đại học KTCN Thái Nguyên tận tình hướng dẫn trình thực luận văn Mặc dù cố gắng, song trình độ kinh nghiệm hạn chế, nên luận văn khơng thể tránh khỏi thiếu sót định Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp từ thầy giáo bạn đồng nghiệp để luận văn hồn thiện có ý nghĩa ứng dụng thực tế Xin chân thành cảm ơn! Tác giả luận văn Nguyễn Quốc Khánh MỞ ĐẦU Thiết bị cán thường sử dụng động luyện kim chuyên dùng, có thổi gió làm mát Các trường hợp cán có tốc độ khơng thay đổi (máy cán thơ liên tục) thường dùng động đồng Còn máy cán cần điều chỉnh tốc độ dùng động chiều, nguồn chiều cung cấp từ chỉnh lưu riêng Trong thực tế sản xuất nhiều dây chuyền công nghệ yêu cầu sử dụng động chiều hay xoay chiều công suất lớn đến hàng nghìn Kw Thiết bị cán Block khâu cuối dây chuyền cán thép đại yêu cầu công suất sử dụng vào khoảng 5000 Kw thí dụ điển hình Hệ thống quạt gió lò, trạm nén khí, trạm bơm,… hệ thống điển hình mà thường u cầu sử dụng động công suất lớn Việc sử dụng động công suất lớn đáp ứng yêu cầu tải gặp nhiều khó khăn Giải pháp khắc phục khó khăn, hạn chế sử dụng động công suất lớn đề xuất thay 02 động ghép làm việc song song có tổng cơng suất công suất động công suất lớn cần thay Nhưng yêu cầu đặt trình vận hành hai động thay ln đóng góp phần cơng suất cho phụ tải chung Đề tài tập trung nghiên cứu điều khiển hệ thống hai động làm việc song song nối cứng trục với nhau, với mục tiêu ổn định dòng điện (phân tải) Mục tiêu nghiên cứu - Đề tài nghiên cứu điều khiển hệ thống nối trục động dây chuyền cán thép - Ổn định dòng điện với hệ thống động nối cứng trục - Ứng dụng điều khiển cho hệ thống thiết bị thực tế Nội dung nghiên cứu Chương 1: Tổng quan công nghệ cán thép Chương 2: Nghiên cứu hệ thống nối trục động dây chuyền cán thép dây Chương 3: Xây dựng mơ hình tốn học hệ thống điều khiển Chương 4: Mô thực nghiệm CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CƠNG NGHỆ CÁN THÉP Cán hình thức gia cơng áp lực để làm thay đổi hình dạng kích thước vật thể kim loại dựa vào biến dạng dẻo Yêu cầu quan trọng trình cán ứng suất nội biến dạng dẻo không lớn, đồng thời kim loại giữ độ bền cao Ứng suất nội biến dạng dẻo giảm nhiệt độ kim loại tăng, nên thực tế cán nóng hay sử dụng để giảm lực cán lượng tiêu hao trình cán Trường hợp yêu cầu công nghệ, chẳng hạn cán thép mỏng 1mm phải cán nguội cán nóng sinh vảy thép dày so với thành phẩm Căn theo nhiệt độ trình tái kết tinh để phân chia cán nguội cán nóng 0 thép nhiệt độ 600 C 650 C Nên coi rằng: 0 + Cán thép nhiệt độ 400 C 450 C cán nguội 0 + Cán thép nhiệt độ lớn 600 C 650 C, cán nóng 1.1 Cơng nghệ cán chung Ban đầu tập kết nguyên liệu vào cán gồm thép thỏi phôi, sau làm xếp đặt lên xe nạp liệu chuẩn bị vào lò nung Lò nung phải kiểm tra (nhiên liệu, vật liệu có liên quan) chạy thử máy móc thiết bị lò trước sản xuất Tùy theo dây chuyền thiết kế lắp đặt mà phôi xếp thành hàng xe nạp liệu, máy đẩy đưa phơi vào lò nung Lò nung phản xạ đốt ba mặt, xung quanh lò trang bị hệ thống ống dẫn dầu quạt gió Phơi nung lò qua ba vùng nhiệt độ (vùng sấy, vùng nung, vùng nhiệt) Nhiên liệu nung phôi thường Fo (dầu công nghiệp), phun vào lò dạng sương mù cháy nơi lò Từ vùng nung sơ nhiệt độ tăng dần vùng nhiệt Khi phôi đạt nhiệt độ theo u cầu máy tống phía sau lò đẩy khỏi lò đưa vào đường lăn nhờ hệ thống lăn phôi đưa vào hệ thống máy cán Đầu tiên máy cán thỏi, cán thô, cán vừa, sau máy cán tinh Máy cán có nhiều dạng đường kính trục to nhỏ khác nhau, cách bố trí giá khác máy cán Tùy theo công nghệ thiết kế thép cán cán quay lại khâu cán Sau cán số lần tiết diện giảm xuống, chiều dài tăng lên, đầu, thỏi bị tòe nhiệt độ giảm xuống người ta tiến hành cắt đầu đuôi đưa đến khâu trung gian khác Mỗi lần cán phơi qua lỗ hình mà giá cán có nhiều lỗ hình Qua nhiều lần cán, thép cán lần cuối qua máy cán tinh theo kích thước sản phẩm đến cơng đoạn khác Để kích thước khơng dài q người ta tiến hành cắt phân đoạn theo tính tốn để phần thừa cuối nhỏ Rồi chuyển lên sàn làm nguội Sàn nguội có kích thước to nhỏ khác cho khỏi sàn nguội thép đạt đặc tính cứng định Sau khỏi sàn nguội thép cắt thành phẩm nhờ máy cắt nguội Sau thép đưa tới hệ thống gom thép, đóng bó đưa vào kho, kết thúc q trình cán thép Tóm lại quy trình cán thép sau: Tập kết phơi → vào lò nung → Máy cán thỏi → Máy cán thô → Máy cán vừa → Máy cán tinh → Bộ phận làm nguội → Bộ phận đóng bó → Kho 1.2 Cơng nghệ cán nóng Muốn cán nóng kim loại cơng việc phải nung phôi thép Việc nung kim loại đến nhiệt độ cán quan trọng, định suất chất lượng sản phẩm cán Mục đích việc nung kim loại trước cán là: tăng tính dẻo, giảm trở kháng biến dạng tạo điều kiện cho công đoạn gia công dễ dàng Nung phôi trước cán làm giảm lực cán, hạ thấp lượng tiêu hao điện, tăng tuổi thọ làm việc cho trục cán thiết bị máy cán, làm cho thành phần hố học phơi đồng đều, tăng lực ép dẫn tới suất cao, chất lượng sản phẩm tốt Vì phải xác định nhiệt độ nung thích hợp cho loại thép, loại kim loại Nếu nhiệt độ nung phơi q cao phôi bị cháy nhiệt dẫn tới phế phẩm nhiều Nếu nhiệt độ nung phơi q thấp tính dẻo kim loại kém, trở kháng biến dạng lớn dẫn tới chất lượng sản phẩm xấu, không đảm bảo an toàn cho thiết bị Từ thực tế kết hợp với lý thuyết ta có cơng thức kinh nghiệm để xác định nhiệt độ nung tối ưu kim loại là: Tnung = Tchảy - (200 + 250) C (1.1) Trong đó: Tchảy: nhiệt độ nóng chảy kim loại hợp kim( C) Đối với thép người ta nung nhiệt độ nhỏ công thức để tránh tượng cacbon cháy nhằm đảm bảo chất lượng thép tăng chất lượng sản phẩm: Tnung = Tchảy - (100 + 150) C (1.2) 1.3 Công nghệ cán nguội Để đáp ứng nhu cầu phát triển cơng nghiệp hóa, đại hóa nước ta yêu cầu thép mỏng chất lượng cao liên tục nâng cao tất lĩnh vực kinh tế quốc dân Các máy cán nóng khơng thể cho sản phẩm thép mỏng chất lượng cao nhằm thoả mãn công nghệ gò, dập Lý đưa cán nóng tạo lớp vảy nên khơng đáp ứng độ mỏng thép mong muốn nhiệt độ cao cấu trúc kim loại không thoả mãn 1.4 Kết luận chương Cán thép đòi hỏi cơng suất điện lớn để phục vụ cho công đoạn nung phôi, vận chuyển, cán đóng gói sản phẩm Đặc điểm cán thép môi trường làm việc tương đối khắc nghiệt (nhiệt độ cao, tiếng ồn lớn nhiều bụi bậm,…), mặt khác chất lượng thép phải đạt yêu cầu tiêu thụ Do vậy, vai trò điều khiển tự động hóa dây chuyền cấn thép vơ to lớn Nó định đến suất, chất lượng an toàn vận hành người thiết bị máy móc Riêng dây chuyền cán thép dây, việc sử dụng hai ba động công suất nhỏ, thay cho động công suất lớn mà phải phân bố cơng suất chúng tốn cho lĩnh vực điều khiển tự động hóa dây chuyền cán CHƯƠNG NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG NỐI TRỤC ĐỘNG CƠ TRÊN DÂY CHUYỀN CÁN THÉP DÂY 2.1 Giới thiệu dây chuyền cán sử dụng hệ thống nối trục hai động Sơ đồ công nghệ dây chuyền cán sử dụng hệ thống nối trục hai động điện chiều kích từ độc lập giới thiệu hình 3.1: CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 3.1 Mơ tả tốn học hệ thống 3.1.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển hai động nối cứng trục Cấu trúc hệ điều điều tốc độ hai mạch vòng gồm mạch vòng dòng điện, mạch vòng tốc độ hình 3.1 Hình Sơ đồ cầu trúc hệ thống Trong đó: ĐC1, ĐC2: Hai động nối cứng trục, Rn: Bộ điều khiển tốc độ, Ri1, Ri2: Bộ điều khiển dòng điện động 1, động 2, BBĐ1, BBĐ2: Bộ biến đổi xung áp cấp điện cho động 1, động Rn: Bộ điều khiển tốc độ, 3.1.2 Mơ hình tốn học hệ Phương trình khơng gian trạng thái hai động nối cứng trục Ra1 La1 dia1 dt dia K m1 30La1 Ra 1L dt dn dt 30K m1 Km 30L a2 ia a2 30K m J ia1 n J La1 0 0 30 J ua1 L (3.8) Mc ua Đặt biến trạng thái x1 i1 , x2 i2 , x3 n,viết lại phương trình 3.8 dạng rút gọn x Ax Bu y Cx Du , (3.9) Trong Ra1 L 0 Ra La a1 A 30K m1 J 30K m J K m1 30L a1 Km 2 30La 2 (3.10) B C La1 0 0 La 30 J (3.11) 0 0 (3.12) D 0 0 0 (3.13) 0 Biến trạng thái x x1 ia1 ua1 y1 ia1 x2 x3 ia , tín hiệu vào u n M c , tín hiệu y ua y2 y3 n ia 3.1.2.2 Mơ hình tốn học biến đổi xung áp Bộ biến đổi xung áp biến đổi điện áp chiều nguồn thành điện áp chiều điều chỉnh cách thay đổi thời gian đóng/cắt van cơng suất để cấp điện cho động Khi đầu vào biến thiên lượng uđk (thay đổi thời gian đóng/cắt van) đầu biến thiên lượng uđ Tín hiệu bị trễ so với tín hiệu vào khoảng thời gian t Tv f PWM uđ (t) = Kb·uđk·1 (t – ∆t) (3.14) Trong đó: fPWM: tần số xung đóng cắt van Tv: thời gian trễ van Với phát triển khoa học kĩ thuật van điện tử Tv nhỏ coi Tv = Hàm truyền chỉnh lưu có điều khiển bỏ qua phần phi tuyến: U d (s) Kb Ts (3.15) Wb (s) Kb e ,Tb t b U dk(s) Tb s 3.2 Tổng hợp hệ truyền động thiết kế điều khiển Cấu trục hệ truyền động hai động nối cứng trục với mạch vòng điều khiển tốc độ dòng điện thể hình 3.4 3.2.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện Tổng hợp mạch vòng dòng điện theo tiêu chuẩn tối ưu modul, ta có hàm truyền hệ thống kín: Kb 1/ Ra1 i1s Tb s Ta1s Kb 1/ Ra1 1 Ri1 Tb s Ta1s Ri1 Wki1 s 2 i1 (3.16) Ri1 (1 s s 1/ Ra1 KTb s T s b a1 (3.17) Chọn Tb ta i1 Ri1 Ra1 (1 Ta1s) 2Kb Tb s Ta1 Ra1 2K bTb s 2K bTb (3.18) Ri1 khâu tỷ lệ - tích phân Tổng hợp mạch vòng dòng điện động tương tự động ta Ta1 Ra1 Ri (3.19) 2Kb Tb 2K bTb s 3.2.2 Tổng hợp mạch vòng tốc độ Tổng hợp mạch vòng tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu modul, ta có hàm truyền hệ thống kín: Rn Wkn Rn Wki (Km1 Km 30 2) Js ns 2 s n Rn s) s Wki n (K (1 Rn 1 m1 Km (3.22) 30 2) Js (1 n s) n 2 (Km1 2Tb s 2Tb s Km 2 ) (3.21) 60 (3.23) J Bộ biến đổi hệ biến đổi xung áp với tần số đóng/cắt van điện tử 500 Hz nên Tb < 0.001 2Tb ≈ Khi Rn (1 Chọn Rn i1 n s) n J (K m1 2T sb (3.24) Km ) 60 2 Tb J 120Tb (K m1 Km 2 ) (3.25) Rn khâu tỷ lệ 3.2.3 Thiết kế mạch bù tín hiệu đặt dòng điện Trong hệ thống nối cứng trục hai động kéo chung tải, điều khiển phải đảm bảo dòng phần ứng 3.3 Kết luận chương Chương trình bày: - Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển hai động nối cứng trục - Xác định mơ hình tốn học phần tử hệ thống - Xác định điều chỉnh tốc độ, điều chỉnh dòng điện phần ứng động - Thiết kế bù tín hiệu đặt dòng điện để điều khiển cân dòng phần ứng hai động CHƯƠNG MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 4.1 Mô hệ thống điều khiển hai động nối cứng trục 4.1.1 Tham số hệ truyền động Tham số động cơ: Công suất Pđm 50W Điện áp định mức Uđm 24 V Dòng điện định mức Iđm 2.256 A Tốc độ định mức nm 2000 RPM Điện trở phần ứng Ra 5.6 Ohms Điện cảm phần ứng La 0.00266 H Tổng mơ men qn tính J 0.000275 kg.m2 Hệ số momen từ thông KmΦ 0.07454 Tham số biến đổi: Tần số đóng/cắt FPWM 500 Hz Hệ số khuếch đại Kb 0.0941 4.1.2 Mô hình mơ hệ thống Mơ hình mơ hệ thống phần mềm Matlab/Simulink (Mathworks) [5] thể hình 4.1 PI(s) Kb T b.s+1 Ri BBD1 nerr 2000 nref P(s) i err i1 Rn PI(s) KPhi x' = Ax+Bu y = Cx+Du Load G n State-Space Kb T b.s+1 Ri BBD2 Hình Mơ hình mơ hệ thống 4.1.2.1 Đáp ứng hệ thống mơ khơng tải Sai lệch dòng điện phần ứng hai động khơng tải Hình Sai lệch dòng điện phần ứng hai động không tải 4.1.2.2 Đáp ứng hệ thống mô có tải Sai lệch dòng điện phần ứng hai động có tải Hình Sai lệch dòng điện phần ứng hai động có tải 4.1.2.3 Đánh giá kết mô - Đáp ứng tốc độ mơ hình mơ có tải hay khơng tải ln bám theo tín hiệu đặt - Thời gian xác lập nhanh, khoảng 0.4s - Lượng điều chỉnh nhỏ, khoảng 6-10% - Sai lệc dòng điện phần ứng hai động nhỏ 4.2 Thực nghiệm hệ thống điều khiển hai động nối cứng trục 4.2.1 Thiết bị thực nghiệm Hình 4 Mơ hình thực nghiệm 4.2.2 Cấu trúc thực nghiệm Cấu trúc thực nghiệm điều khiển bền hệ thống nối cứng trục động phần mềm Matlab/Simulink thể hình 4.13 Setup Ardui no1 Real -T i me Pacer COM2 Speedup = ArIO Setup Real -T i me Pacer udk PI(s) SP Current 1 Ri i ref G Dong di en Di r Current 0.5 Speed PI(s) SP ref 1000 T oc dat Di r Rn i _err PI(s) n_err T oc Current SP Ri 2 DC NCT 1.03 GH tren Speed 0.97 GH duoi Hình Cấu trúc thực nghiệm điều khiển hệ thống nối cứng trục động 4.2.3 Kết thực nghiệm Sai lêch dòng điện phần ứng hai động tín hiệu bước nhảy Hình Sai lệch dòng điện phần ứng hai động có tải, tín hiệu đặt hàm bước nhảy Sai lêch dòng điện phần ứng hai động tín hiệu đặt hàm bậc thang Hình Sai lệch dòng điện phần ứng hai động có tải, tín hiệu đặt hàm bậc thang 4.2.3.5 Đánh giá kết thực nghiệm - Đáp ứng tốc độ hệ thống có tải hay khơng tải ln bám theo tín hiệu đặt cho dù tín hiệu đặt dạng khác - Thời gian xác lập nhanh, khoảng 0.6s - Lượng điều chỉnh nhỏ, khoảng 15-20% - Sai lệc dòng điện phần ứng hai động nhỏ, nhỏ 0.04A - Các điều chỉnh tốc độ, dòng điện thiết kế chương thực tốt chức điều khiển hệ thống - Kết thực nghiệm với lý thuyết phân tích 4.3 Kết luận chương Chương trình bày: - Mơ hệ thống điều khiển hai động nối cứng trục - Các thiết bị phục vụ thực nghiệm hệ thống hai động nối cứng trục với điều khiển dòng điện tốc độ thực Matlab/Simulink - Thực thực nghiệm điều khiển hệ thống hai động nối cứng trục thu đáp ứng hệ thống đạt chất lượng tốt KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Nội dung luận văn tập trung vào nghiên cứu khảo sát hệ thống điều khiển hai động nối cứng trục dây truyền cán thép có cơng suất lớn Đối chiếu với u cầu mục tiêu đề luận văn giải đầy đủ cho kết sau: + Nghiên cứu hệ thống cán thép nhà máy luyện kim + Nghiên cứu phương án phân bố công suất thay động điện chiều công suất lớn hai động có cơng suất nhỏ Phương án 1: Hai động nối cứng trục trực tiếp, cung cấp từ hai biến đổi, việc phối hợp điều khiển hai biến đổi thông qua hệ thống mạch vòng điều khiển dòng điện tốc độ Các điều chỉnh phải thực điều khiển phân bố đồng công suất cho động làm việc với tải định mức - Phương án 2: Hai động không nối cứng trục trực tiếp, mà nối cứng gián tiếp qua thép cán, cung cấp từ hai biến đổi Sử dụng cấu trúc điều khiển mạch vòng dòng điện tốc độ Các điều chỉnh phải giải hai nhiệm vụ vừa đồng tốc độ cho hai động cơ, vừa điều chỉnh sức căng để phân bố công suất hai động + Xây dựng mơ hình tốn học hệ thống hai động nối cứng trục sử dụng tổng hợp điều chỉnh dòng điện tốc độ để điều khiển hệ thống + Tiến hành mô hệ thống điều khiển hai động nối cứng trục phần mềm Matlab/Simulink thu đáp ứng mô đạt chất lượng tốt + Từ kết tác giả xây dưng mô hình thực nghiệm hai động nối cứng trục thuật tốn điều khiển thực mơi trường Simulink Kết đáp ứng tốc độ mơ hình thực nghiệm đạt kết theo yêu cầu Dòng điện phần ứng hai động phân bố đóng tải vào mơ hình theo u cầu đề đề tài Kiến nghị Hoàn thiện kết nghiên cứu để áp dụng vào thực tiễn sản xuất / ... HỆ THỐNG NỐI TRỤC ĐỘNG CƠ TRÊN DÂY CHUYỀN CÁN THÉP DÂY 2.1 Giới thiệu dây chuyền cán sử dụng hệ thống nối trục hai động Sơ đồ công nghệ dây chuyền cán sử dụng hệ thống nối trục hai động điện chiều... thống động nối cứng trục - Ứng dụng điều khiển cho hệ thống thiết bị thực tế Nội dung nghiên cứu Chương 1: Tổng quan công nghệ cán thép Chương 2: Nghiên cứu hệ thống nối trục động dây chuyền cán thép. .. song nối cứng trục với nhau, với mục tiêu ổn định dòng điện (phân tải) Mục tiêu nghiên cứu - Đề tài nghiên cứu điều khiển hệ thống nối trục động dây chuyền cán thép - Ổn định dòng điện với hệ thống