Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ truyền động máy tráng màng lenzing

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI  LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG MÁY TRÁNG MÀNG LENZING ĐỖ ĐÌNH TIẾN HÀ NỘI - 2009 LỜI CẢM ƠN Quyển luận văn hồn thành nhờ có quan tâm, bảo tận tình thầy hướng dẫn TS Trần Trọng Minh, thầy cô môn tự động hóa XNCN, bạn đồng nghiệp động việc gia đình Qua tơi xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo trường ĐHBK Hà Nội, người truyền đạt, củng cố tri thức quan trọng suốt thời gian học vừa qua, xin cảm ơn thầy cô môn Tự động hóa giúp tơi nâng cao kiến thức, mở rộng hiểu biết chuyên nghành học Đặc biệt tơi bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn TS Trần Trọng Minh, người khơng tận tình giúp tơi định hướng phương pháp nghiên cứu phù hợp mà dành thời gian đọc thảo sai sót để luận văn hồn thành Cuối tơi xin cảm ơn người thân gia đình bạn bè đồng nghiệp ln động viên, khích lệ tơi lúc khó khăn Hà Nội, ngày tháng Học viên Đỗ Đình Tiến năm 2009 LỜI CAM ĐOAN Tơi Đỗ Đình Tiến, học viên lớp cao Tự động hố niên khoá 20072009, sau hai năm học tập nghiên cứu, giúp đỡ thầy cô giáo đặc biệt TS Trần Trọng Minh, thầy giáo hướng dẫn tốt nghiệp tôi, đến cuối chặng đường để kết thúc khoá học thạc sỹ Tôi chọn đề tài tốt nghiệp là: " Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ thống truyền động máy tráng màng Lenzing’ Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu nhân hướng dẫn TS Trần Trọng Minh tham khảo tài liệu liệt kê Tôi không chép cơng trình nhân khác hình thức Nếu có tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm Người cam đoan Đỗ Đình Tiến MỤC LỤC Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục Lời nói đầu Danh mục ký hiệu Chương 1: Sơ lược cơng nghệ sản xuất bao bì xi măng 1.1 Giới thiệu nhà máy bao bì Bỉm Sơn 1.2 Giới thiệu công nghệ sản xuất bao bì xi măng Chương 2: Khảo sát thực tế máy tráng màng Lenzing 11 2.1 Thực trạng máy 11 2.1.1 Bộ phận nhả cuộn vải 12 2.1.2 Bộ phận dẫn hướng cuộn vải 13 2.1.3 Bộ phận tráng màng 13 2.1.4 Bộ phận xi lanh nhiệt đầu đùn nhựa 15 2.1.5 Bộ phận cắt rìa 16 2.1.6 Bộ phận cuộn rìa 17 2.1.7 Bộ phận cuộn sản phẩm 18 2.2 Ảnh hưởng cửa phận cuộn đến chất lượng sản phẩm 19 2.3 Sơ đồ trang bị điện phận cuộn sản phẩm 20 Chương 3: Phân tích, lựa chọn phương án nâng cao chất lượng 25 3.1 Khái quát chung hệ truyền động nhiều động 25 3.1.1 Khái quát chung 25 3.1.2 Những hệ truyền động nhiều động 26 3.1.3 Công nghệ cán 26 3.1.4 Công nghệ xeo giấy 29 3.1.5 Máy cắt cuộn giấy 30 3.1.6 Điều khiển hai tham số máy cuộn sử dụng hệ truyền động chiều 33 3.2 Sơ lược loại trục cuộn 37 3.2.1 Trục cuộn tâm 37 3.2.2 Trục cuộn bề mặt 37 3.2.3 Trục cuộn turret 38 3.3 Đặc tính động học trục cuộn tâm 39 3.3.1 Hệ thống cuộn tâm với trục dancer 43 3.4 Giải pháp để nâng cao chất lượng truyền động 46 3.4.1 Điều khiển cuộn với phản hồi Load cell 49 3.4.1.1 Điều khiển mô men với phản hồi load cell 49 3.4.1.2 Bộ điều khiển tốc độ với phản hồi load cell 51 3.4.2 Điều khiển trục cuộn với chuyển đổi dancer 54 3.4.2.1 Điều chỉnh mô men với điều khiển vị trí 54 3.4.2.2 Điều chỉnh tốc độ với điều khiển vị trí 56 3.5 Lựa chọn phương án nâng cao chất lượng truyền động 60 3.5.1 Phương pháp xác định tham số điều khiển PID 63 Chương 4: Mô hệ thống 66 4.1 Sơ đồ mơ điều khiển tốc độ với vịng phản hồi lực căng 66 4.1.1 Khối Line speed calculation 67 4.1.2 Khối Winder calculation 70 4.1.3 Kết mô 72 4.2 Sơ đồ mơ điều khiển tốc độ với vịng phản hồi vị trí 76 4.2.1 Khối Line speed calculation 77 4.2.2 Khối Winder calculation 79 4.2.3 Kết mô 80 4.3 Nhận xét 83 Kết luận 84 Tài liệu tham khảo 86 LỜI NÓI ĐẦU Hệ truyền động nhiều động tổ hợp thiết bị truyền động ghép với để thực yêu cầu công nghệ Truyền động nhiều động thường sử dụng dây truyền sản xuất liên tục, vật liệu đồng thời chạy qua nhiều phần truyền động thiết bị công nghệ … truyền động cần phải làm việc với tốc độ thích hợp tốc độ không đổi gắn với yêu cầu chung hệ Trong sản xuất công nghiệp ta thường gặp truyền động nhiều động máy cán liên tục, máy xeo giấy, máy cắt cuộn giấy, nghành dệt, nhựa, sản xuất dây cáp điện … Trong hệ truyền động dây chuyền có hệ thống cuộn để thu thành phẩm Đặc điểm hệ thống cuộn phải trì lực căng băng sản phẩm trình cuộn ổn định không đổi Hoạt động hệ thống cuộn ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng sản phẩm Ngày với phát triển mạnh mẽ thiết bị điện tử công suất để điều khiển truyền động, thiết bị điều khiển, cơng nghệ máy tính cho phép điều khiển hệ thống cuộn với đặc tính động học tốt xác Trên sở thực tế công tác nhà máy, với hệ thống cuộn có dây chuyền tráng màng Lenzing trang bị sử dụng từ năm 1995 bộc lộ nhiều nhược điểm, hoạt động không ổn định, ảnh hưởng lớn tới chất lượng sản phẩm suất máy Do tơi chọn đề tài luận văn: “Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ thống truyền động máy tráng màng Lenzing” Bản luận văn chia làm chương với nội dung cụ thể sau: Chương 1: Sơ lược công nghệ sản xuất bao bì xi măng Chương giới thiệu sơ lược cơng nghệ để sản xuất bao bì xi măng có nhà máy Chương 2: Khảo sát thực tế máy tráng màng Lenzing Nội dung chương sâu khảo sát thực tế thiết bị có máy tráng màng Lenzing, trang bị điện có phận cuộn sản phẩm Chương 3: Phân tích, lựa chọn phương án nâng cao chất lượng Chương giới thiệu hiểu biêt chung hệ thống cuộn, phân tích phương án cải tiến lựa chọn phương án Chương 4: Mô hệ thống Chương dùng phần mềm matlab để mô cho phương án lựa chọn Mặc dù qua thời gian làm việc cố gắng, nghiêm túc có số kết ban đầu, song hiểu biết cịn hạn chế, luận văn cịn nhiều thiếu sót Tơi chân thành mong nhận đóng góp thầy cô giáo bạn quan tâm để luận văn hồn thiện Hà Nội, ngày tháng năm 2009 Người thực Đỗ Đình Tiến DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU A: Tiết diện băng vật liệu (mm2) B: Hệ số ma sát (Nm/rad/s) C: Hệ số đàn hồi tắt dần (kPa-s) Dc: Đường kính lõi cuộn (m) E: Mô đun đàn hồi (kPa) F: Lực tác dụng vào trục dancer (N) GR: Tỷ số hộp giảm tốc J: Mơ men qn tính tổng (kg m2) Kd: Hệ số đàn hồi lò xo dancer (N/m) Ki: Hệ số tích phân vịng điều chỉnh tốc độ Kp: Hệ số tỷ lệ vòng điều chỉnh tốc độ L: Chiều dài băng vật liệu trục dẫn động trục cuộn M: Trọng lượng trục dancer T: Lực căng băng vật liệu trục dẫn động trục cuộn T1: Lục căng vật liệu vào trục dẫn động TML: vịng điều khiển mơ men V: Tốc độ băng vật liệu trục cuộn (m/s) V1: Tốc độ băng vật liệu trục dẫn động (m/s) W: Trọng lượng trục dancer (N) ε: Biến dạng chiều dài băng vật liệu trục dẫn động trục cuộn ρ: Tỷ trọng vật liệu (kg/m3) σ: Ứng suất băng vật liệu trục dẫn động trục cuộn τ: Mô men tạo động (Nm) ω: Vận tốc góc (rad/s) ωcot: Tần số cắt vòng điều khiển lực căng (rad/s) ωp: Tần số dao động riêng trục cuộn ωpmin: Tần số dao động riêng nhỏ hệ thống cuộn CHƯƠNG I: SƠ LƯỢC VỀ CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT BAO BÌ XI MĂNG 1.1 Giới thiệu nhà máy bao bì Bỉm Sơn: Cơng ty cổ phần bao bì Bỉm sơn – tên tiếng Anh: BimSon Packing Company (BPC)- Trụ sở đóng thị xã Bỉm Sơn - Tỉnh Thanh Hố, thức vào hoạt động từ ngày 01/7/1999 Tiền thân nhà máy phân xưởng sản xuất vỏ bao công ty xi măng Bỉm Sơn Sản phẩm Công ty vỏ bao loại như: vỏ bao đựng xi măng, gạo, đường, nơng sản Trong sản phẩm chủ yếu Công ty vỏ bao đựng xi măng, loại vỏ bao sản xuất từ loại nguyên liệu giấy kraft hạt nhựa PP Với vị trí địa lý thuận lợi nằm trung tâm khu vực sản xuất xi măng lớn nước gồm nhà máy sản xuất xi măng lớn như: Xi măng Bút Sơn, Xi măng Tam Điệp, Xi măng Bỉm Bơn, Xi măng Nghi Sơn, Xi măng Hoàng Mai đặc biệt nằm liền kề Công ty xi măng Bỉm Sơn, nên sản phẩm vỏ bao tiêu thụ đơn vị Hiện tổng công suất nhà máy khoảng 40 triệu vỏ bao/năm So với cơng ty có lực sản xuất, BPC cơng ty có sản lượng, doanh số lợi nhuận đứng hàng đầu có lợi sau:Dây chuyền máy móc, thiết bị đầu tư , đồng đại Có kinh nghiệm nhiều năm hoạt động ngành sản xuất bao bì.Có vị trí địa lý địa lý gần gũi trung tâm số đông Công ty Xi măng lớn nước, chi phí vận chuyển sản phẩm tới nơi tiêu thụ nhỏ Có chế quản lý chủ động, linh hoạt, hiệu theo mơ hình cơng ty cổ phần 1.2 Giới thiệu công nghệ sản xuất bao bì xi măng: Quy trình cơng nghệ sản xuất vỏ bao xi măng thực theo hình 1.1: * Nguyên liệu: Nguyên liệu đầu vào chủ yếu việc sản xuất bao bì hạt nhựa propilen (Hạt nhựa: PP HPE) hạt phụ gia để tạo màu tăng tính chất lý hố cho sản phẩm * Cơng đoạn tạo sợi: Các hạt nhựa nguyên liệu hạt phụ gia đưa vào máy tạo sợi hãng Stalinger Tại hạt nguyên liệu nấu nóng chảy hệ thống gia nhiệt điện trở, thông qua hệ thống trục vít khn kéo thành nhựa Các nhựa cho qua hệ thống dao cắt để cắt thành sợi, sau qua hệ thống lò ủ nhiệt lăn kéo dãn để kéo sợi đến kích thước yêu cầu Cuối quấn vào máy quấn sợi tạo thành cuộn sợi để chuẩn bị cho công đoạn Nguyên liệu Tạo Sợi Dệt vải Khâu in giáp lai In lồng ống Tráng Màng Sản phẩm Giấy krap, mực Hạt nhựa Hình 1.1: Sơ đồ cơng nghệ sản xuất bao bì xi măng Hình 4.7: Tốc độ góc trục cuộn Hình 4.8: Lực căng băng sản phẩm 74 Hình 4.9: Bán kính cuộn sản phẩm 75 4.2 Sơ đồ mơ điều khiển tốc độ với vịng phản hồi vị trí dùng dancer: Sơ đồ nguyên lý điều khiển mô hình thể hình (3.26) (3.27) Sơ đồ mơ hình mơ thể sau: Hình 4.10: Sơ đồ mơ hệ thống cuộn Tương tự mơ hình mơ điều khiển tốc độ với vòng điều khiển lực căng sử dụng load cell, hệ thống mô gồm khối chức năng: + Khối Line speed calculation: Để tính toán tốc độ dây chuyền tốc độ động cuộn sản phẩm + Khối Winder calculation: Để tính tốn đường kính cuộn sản phẩm, vị trí thực tế dancer 76 4.2.1 Khối Line speed calculation: Sơ đồ cụ thể khối thể hình dưới: + Trong sơ đồ mô tốc độ dât chuyền LS cài đặt 10m/s, với giá trị hạn chế tốc độ tăng 10 Do cần khoảng 1s để tốc độ dây chuyền tăng tới giá trị cài đặt Đặc tính tốc độ dây chuyền thể sau: Hình 4.3: Đặc tính tốc độ dây chuyền Hình 4.11: Sơ đồ khối Line speed calculation 77 Với đặc tính tốc độ thực tế trục dẫn động tạo sơ đồ hình 4.12 Hình 4.12: Bộ tạo giá trị vận tốc thực tế trục dẫn động + Ta có: Load torque = r*T T lại tỉ lệ với vị trí dancer Do vậy: load torque tỉ lệ với tích r*d + Winder speed reference (Vreference) = VLS + Δd*(P + I*1/s + D*s) Với VLS: Là tốc độ đặt dây chuyền 78 4.2.2 Khối Winder calculation: Sơ đồ khối thể hình (4.13) bên dưới: Hình 4.13: Sơ đồ khối Winder calculation + Ta có Vị trí dancer = (tổng độ dài trục cuộn – tổng độ dài dây chuyền cấp tới) chia cho + Bán kính cuộn: r2 = L * MT π + r12 79 4.2.3 Kết mô phỏng: Với thông số sau: + LS = 10m/s + P = 12 + I = 0.2 + D =1.9 + J = Kg-m2 + B =0.2 (N-m-s) + r1 = 0.5 (m) + MT = 0.001m + Tỉ số giảm tốc GR = 10 + Dancer position setting = 100mm + Giới hạn tăng tốc dây chuyền = 10m/s Ta có kết mơ sau: Hình 4.14: Đặc tính tốc độ dây chuyền 80 Hình 4.15: Tốc độ trục cuộn m/s Hình 4.16: Tốc độ góc trục 81 Hình 4.17: Vị trí Dancer Hình 4.18: Đường kính cuộn sản phẩm 82 4.3 Nhận xét: Từ kết mô ta nhận thấy hai phương pháp điều khiển tốc độ với vòng phản hồi lực căng sử dụng load cell điều khiển tốc độ với vòng phản hồi vị trí cho kết tốt Với sai số xác lập 0, độ điều chỉnh không đáng kể, thời gian xác lập nhanh, ta thay đổi tốc độ đặt dây chuyền Do mà giữ sức căng vật liệu cuộn ổn định Tốc độ trục bám theo tốc độ đặt dây chuyền, đường kính tăng vận tốc góc động tự động giảm tương ứng với đường kính để giữ cho lực căng không đổi Chất lượng truyền động hệ thống nâng cao hơn, tăng tính hoạt động ổn định máy nâng cao suất cho máy Với phương pháp sử dụng dancer mơ ta chưa tính đến ảnh hưởng cấu khí dancer, nhiên thực tế ảnh hưởng đáng kể Hơn yếu tố khác độ dịch chuyển vị trí dancer q trình cuộn Sự di chuyển nhỏ hệ thống làm việc ổn định, tốc độ không đổi Sự di chuyển lớn trình tăng tốc giảm ảnh hưởng tới đặc tính động học hệ thống Thay điều khiển vị trí dancer, điều khiển với phản hồi load cell điều khiển trực tiếp sức căng băng sản phẩm Vì mà ảnh hưởng qn tính cấu khí dancer loại bỏ Có khác biệt điều khiển với dancer load cell độ dịch chuyển dancer hàng centimét độ dịch chuyển load cell lực căng thay đổi từ đến 100% nhỏ Từ phân tích ta thấy điều khiển cuộn sử dụng cảm biến load cell đo lực căng phản hồi cho kết tốt Điều phù hợp với phương án mà ta lựa chọn 83 KẾT LUẬN Trong thời gian hoàn thành luận văn với hướng dẫn tận tình thầy TS Trần Trọng Minh tơi hoàn thành luận văn Các nội dung luận văn đạt là: + Đã phân tích trang bị điện máy tráng màng Lenzing phận cuộn sản phẩm để làm sở cho việc cải tiến + Phân tích, tìm hiểu dạng cấu cuộn sản phẩm phương pháp điều khiển thường sử dụng thực tế Cũng công nghệ công nghiệp có sử dụng mơ hình cuộn sản phẩm + Từ phân tích thực máy phương pháp điều khiển đề xuất phương án để cải thiện chất lượng truyền động hệ thống Chuyển hệ thống từ điều khiển vòng hở thành điều khiển vịng kín với phản hồi lực căng sử dụng load cell + Mô hệ thống cuộn công cụ matlab, từ kết mô khằng định hiệu phương án đề Tuy nhiên luận văn đề cập nguyên lý mà chưa áp dụng thực tế vào hệ thống hoạt động nên chưa tính tới ảnh hưởng đặc tính động học hệ thống cuộn Bản luận văn chưa tính tới ảnh hưởng tổn hao truyền động khí tổn hao cịn phụ thuộc vào tốc độ trạng thái làm việc hệ thống Do cịn có thiếu sót Hướng nghiên cứu tiếp theo: * Tính tốn tiếp ảnh hưởng tổn hao đến hệ thống * Kiểm tra hiệu chỉnh thông số triển khai thực tế * Tiếp tục cải tiến toàn hệ thống: Từ gia nhiệt điều khiển nhiệt độ, điều khiển phanh nhả cuộn vải cuộn giấy đầu vào, hệ thống định vị mép vải, giấy, hệ thống cấp nguyên liệu Để việc cải tiến máy đồng nâng cao chất lượng hệ thống * Hơn với phát triển mạnh mẽ thiết bị điện tử, biến tần ta cải tiến chuyển hệ từ hệ truyền động chiều thành hệ truyền động xoay chiều sử dụng động khơng đồng Do mà tránh ảnh hưởng 84 hệ thống chổi than vành góp động chiều, giảm thiểu thời gian bảo dưỡng hệ thống Để đạt mục tiêu kể trên, tác giả cần phải cố gắng thêm nhiều Vì vậy, tác giả mong bảo góp ý thầy giáo, giáo bạn đồng nghiệp Một lần xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn TS Trần Trọng Minh quan tâm, dẫn để luận văn hoàn thành Xin cảm ơn thầy cô khoa Điện trường ĐHBK HN giúp đỡ tơi q trình học tập nghiên cứu Hà Nội, ngày 85 tháng năm 2009 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: [1] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi Điều chỉnh tự động truyền động điện, Nhà xuất khoa học kỹ thuật – 2002 [2] Phạm Công Ngô Lý thuyết điều khiển tự động Nhà xuất khoa học kỹ thuật – 2001 [3] Nguyễn Dỗn Phước, Phan Xn Minh Tự động hóa với Simatic s7-300 Nhà xuất khoa học kỹ thuật – 2000 [4] Nguyễn Phùng Quang Matlab & Simulink Nhà xuất khoa học kỹ thuật – 2006 Tiếng Anh: [5] Zhijun Liu Dynamic Analysis of Center – Driven Web Winder control Industry Applications Conference, 1999, Thirty-Fourth IAS Annual Metting, conferencen Record of 1999 IEEE Volume 2, issue, 1999 Page(s): 1388 – 1396 Vol.2 [6] Duuzinski, M.S Understanding Center-Driven Web Winder Power Transmission Design, Apirl 1995 [7] Walton and Rice Web Longitudinal Dynamics Proceedings of 4th IWHC international Web Handling Conference Oklahoma State University, June 1997 86 TÓM TẮT LUẬN VĂN Trong nghành công nghiệp sản xuất vỏ bao xi măng, cơng đoạn tráng màng có ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm Do tính đàn hồi, co dãn vật liệu mà máy hoạt động không tốt, ổn định gây phế phẩm ảnh hưởng tới suất máy Trong dây chuyền máy tráng màng Lenzing phận cuộn thu hồi sản phẩm có vị trí quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng suất máy Do máy trang bị sử dụng từ năm 1995 nên xảy nhiều hỏng hóc hoạt động khơng ổn định Từ yêu cầu thực tế trên, luận văn tìm hiểu trang bị điện hệ thống, từ đưa phương án cải tạo nhằm nâng cao chất lượng truyền động hệ thống Chuyển hệ thống từ phương pháp điều khiển vòng hở thành điều khiển vịng kín với cảm biến đo lực căng load cell điều khiển PID Kết mô cho thấy chất lượng truyền động hệ thống cải thiện đáng kể Khẳng định hiệu phương án Từ khóa: Máy cuộn tâm, điều khiển cuộn với trục dancer,điều khiển cuộn với cảm biến lực căng, máy tráng màng, công nghiệp sản xuất vỏ bao SUMARY OF THESIS In the cement packing industry, coating progress has affected more considerably to quatity of the produce Because of elastic, elongate of the material, if the machine operates not well, not stably, it will make more fautl production and affect to the productivity In the coating machine Lenzing, the winding part has an important position, it affect direct to the quantity and conductivity of the machine Because the machin has assembled and used since 1995, then now it works not stably and there are a lot fautls From this real demand, the thesis has focus on study about the present electrical equitment, then propose a plant to improve quality control of the system This phant replace old system with open control loop to close control loop with tension feedback using load cell and PID controller Simulation results by matlab simulink show that with the given plan the quality control has improved significantly It affirm the effectiveness of the plan Key words: center winding machine, control winding machine with dancer position control winding machine with load cell, coating line, packing Industrial ... CÁC HỆ THỐNG CUỘN, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG 3.1 Khái quát chung hệ truyền động nhiều động 3.1.1 Khái quát chung Hệ truyền động nhiều động tổ hợp thiết bị truyền. .. động không ổn định, ảnh hưởng lớn tới chất lượng sản phẩm suất máy Do chọn đề tài luận văn: ? ?Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ thống truyền động máy tráng màng Lenzing? ?? Bản luận văn chia làm chương... KHẢO SÁT THỰC TẾ MÁY TRÁNG MÀNG LENZING 2.1: Thực trạng máy: Sơ đồ công nghệ máy tráng màng Lenzing thể hình 2.1 Chiều vải Chiều sản phẩm Hình 2.1: Sơ đồ công nghệ máy tráng màng Lenzing + 1: Bộ