(Luận văn thạc sĩ) nâng cao hiệu quả của quá trình điều khiển nhiệt độ trong khuôn phun ép bằng phương pháp điều khiển PID

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN SƠN NÂNG CAO HIỆU QUẢ CỦA Q TRÌNH ÐIỀU KHIỂN NHIỆT ÐỘ TRONG KHN PHUN ÉP BẰNG PHƯƠNG PHÁP ÐIỀU KHIỂN PID NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2016 `BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN SƠN NÂNG CAO HIỆU QUẢ CỦA QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TRONG KHUÔN PHUN ÉP BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN SƠN NÂNG CAO HIỆU QUẢ CỦA QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TRONG KHUÔN PHUN ÉP BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS TRƯƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2016 LÝ LỊCH KHOA HỌC SƠ LƯỢC LÝ LỊCH I Họ & Tên: NGUYỄN VĂN SƠN Giới tính: Nam Ngày, Tháng, Năm Sinh: 10/08/1990 Nơi Sinh: Thanh Hóa Quê Quán: Hải Lộc-Hậu Lộc-Thanh Hóa Dân tộc: Kinh Chỗ riêng điện liên lạc: B2/29, Ấp 2, Xã Vĩnh Lộc A, Huyện Bình Chánh, TP.HCM Điện thoại di động: 0979685210 II E-mail: vanson@eltvn.com QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Đại học: Hệ đào tạo: Chính Quy Thời gian đào tạo: 9/2008 đến 9/2012 Nơi học: TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM Ngành học: CƠ ĐIỆN TỬ Đồ án tốt nghiệp: Thiết Kế Mơ Hình Nhà Kho Tự Động GVHD: TH.S NGUYỄN NGỌC ĐIỆP III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN THỜI GIAN 2012-1015 2015- NAY NƠI CÔNG TÁC CÔNG VIỆC THỰC HIỆN CÔNG TY CỔ PHẦN CƠ ĐIỆN QUẢN LÝ SẢN NĂNG LƯỢNG TÂN PHÚ XUẤT CÔNG TY THHH MTV ELT VIỆT NAM LỜI CAM ĐOAN i KỸ SƯ Chương TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Đặt vấn đề Ngày nay, với phát triển vượt bậc khoa học kỹ thuật, sản phẩm nhựa thiết kế phát triển theo xu hướng phức tạp Do đó, q trình phun ép sản phẩm dạng đối mặt với thử thách lớn Nếu suốt trình phun ép, nhiệt độ khn trì giá trị cao nhiệt độ chuyển pha vật liệu nhựa khả điền đầy khn với chi tiết có kích thước lớn tăng lên Nhìn chung, nhiệt độ bề mặt lịng khn cao, q trình điền đầy nhựa dễ dàng hơn, hầu hết trường hợp, chất lượng bề mặt sản phẩm cải thiện đáng kể Tuy nhiên, nhiệt độ khn tăng cao, q trình giải nhiệt khuôn nhựa bị kéo dài, chu kỳ phun ép tốn nhiều thời gian, giá thành sản phẩm gia tăng Vì vậy, mục tiêu quan trọng q trình điều khiển nhiệt độ khn phun ép là: gia nhiệt cho bề mặt khuôn đến nhiệt độ yêu cầu, đảm bảo thời gian chu kỳ phun ép Tuy nhiên trình điều khiển đối tượng nhiệt độ phức tạp Đặc thù đối tượng nhiệt độ có qn tính lớn, phản ứng chậm vói tác động điều khiển Trong trình nghiên cứu để tạo sản phẩm có chất lượng cao, người nắm bắt kỹ thuật chuyên nghành khuôn phun ép nhận điều rằng, nhiệt độ khn định sản phẩm thành phẩm hay phế phẩm Chính tơi chọn đề tài “Nâng cao hiệu trình điều khiển nhiệt độ khn phun ép phương pháp PID” với mục đích tìm phương pháp để khắc phục tượng không ổn định nhiệt độ khuôn phun ép nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm số lượng sản phẩm bị phế đồng thời tăng suất sản xuất 1.1.2 Các cơng trình nghiên cứu nước liên quan đến việc gia nhiệt cho khn 1.1.2.1 Kết nghiên cứu ngồi nước  Nghiên cứu nhóm tác giả thuộc mơn kỹ thuật khí, đại học Chung Yuan Christian, Đài Loan: Đánh giá tính khả thi phương pháp gia nhiệt khí nóng cho việc điều khiển nhiệt độ bề mặt khn q trình phun ép [9] Phương pháp gia nhiệt khí nóng tăng nhiệt độ bề mặt khuôn từ 600C đến 120 0C vịng giây (nghĩa tốc độ trung bình khoảng 30 0C/giây) cần 34 giây để nhiệt độ trở 600C Trong khi, phương pháp gia nhiệt nước nóng phải 192 giây để tăng nhiệt độ bề mặt khuôn từ 600C đến 1200C cần 75 giây để nhiệt độ trở 600C Hình 1.1: So sánh thay đổi nhiệt độ đo cho phương pháp gia nhiệt khí nóng gia nhiệt nước nóng 1.1.2.2 Kết nghiên cứu nước  Gia nhiệt điện trở “Tối ưu hóa hệ thống điều khiển nhiệt độ điện trở nước cho khn dương” [5] Hình 1.2: So sánh kết mơ thí nghiệm cho khuôn C45 Trong nghiên cứu cho thấy nhiệt độ cuối q trình gia nhiệt lúc mơ 960C thí nghiệm 740C chênh lệch khoảng 220C, cuối trình giải nhiệt 570C chênh lệch thí nghiệm mơ 0.130C  Nghiên cứu phân bố nhiệt khuôn dương với phương pháp gia nhiệt điện trở [6] Hình 1.3: Biểu đồ nhiệt độ tâm bề mặt lịng khn hai insert Al, CT3 - Nhiệt độ lúc cuối q trình gia nhiệt khn với vật liệu Al 80.02 ºC, khuôn vật liệu CT3 70.4ºC - Tốc độ gia nhiệt insert Al 0.57º C s diễn nhanh CT3 0.43ºC/s - Nhiệt độ lúc cuối trình giải nhiệt khuôn Al 32ºC, khuôn CT3 38ºC - Tốc độ giải nhiệt insert Al cao 0,686ºC/s, khuôn CT3 0,463ºC/s 1.2 Mục đích đề tài Hiện nay, vật liệu nhựa dần phổ biến sống, nghiên cứu gần tìm cách sản xuất sản phẩm có kích thước nhỏ chip điện tử, thiết bị sinh học, thiết bị y tế… Cũng sản phẩm có kích thước lớn, cần có thời gian phun ép dài, yêu cầu nhiệt độ khuôn phải ổn định Do đó, ngành cơng nghiệp khn tiến thêm bước quan trọng Trong q trình phun ép, nhiệt độ khn đóng vai trị quan trọng trình tạo hình ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm nhựa Qua nghiên cứu trước đây, việc kiểm soát điểu khiển nhiệt độ khuôn cần thiết để đạt chất lượng sản phẩm tốt Chính tác giả chọn đề tài “Nâng cao hiệu q trình điều khiển nhiệt độ khn phun ép phương pháp PID” với mục đích sau: - Gia nhiệt cho khuôn phun ép - Điều khiển giám sát hệ thống qua hình - Kiểm sốt q trình gia nhiệt cho khn phun ép - Nâng cao hiệu suất gia nhiệt cho khn từ nâng cao chất lượng tăng suất việc phun ép nhựa 1.3 Nhiệm vụ đề tài giới hạn đề tài 1.3.1 Nhiệm vụ đề tài - Làm mơ hình thực tế, nghiên cứu đặc tính khn cho hàm truyền nhiệt dựa mơ hình thực tế - Sử dụng SIMENS S7-1200 để điều khiển nhiệt độ PID - Giám sát điều khiển thu thập liệu hoạt động hệ thống sử dụng phần mềm TIA Portal Win CC 1.3.2 Giới hạn đề tài Do khuôn khổ giới hạn luận văn khảo sát Đối tượng khuôn 200x100x40 mm , điều khiển nhiệt độ phương pháp PID thông qua PLC S7-1200 lập trình giao tiếp phần mềm TIA Portal SIEMENS 1.4 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 1.4.1 Nghiên cứu lý thuyết - Công nghệ ép phun - Quá trình truyền nhiệt - Vật liệu nhựa thuộc tính - Xử lý số liệu thực nghiệm 1.4.2 Nghiên cứu thực nghiệm - Gia công khn - Thực nghiệm tìm hàm truyền - Thiết kế giao diện hình giao tiếp máy tính - Lập trình điều khiển PLC Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu công nghệ ép phun 2.1.1 Nhu cầu thực tế hiệu kinh tế mà phương pháp mang lại Hiện thị trường có nhiều sản phẩm nhựa Từ sản phẩm dụng cụ học tập như: thước, viết, hay đồ chơi trẻ em,… Cho đến sản phẩm phức tạp như: bàn, ghế, vỏ điện thoại, chi tiết dùng ô tô, xe máy,…đều làm nhựa Các sản phẩm có hình dáng, màu sắc phong phú chúng góp phần cho sống tiện nghi Điều đồng nghĩa với việc sản phẩm nhựa mà phần lớn tạo nhờ công nghệ ép phun trở thành phần thiếu sống Với tính chất như: độ dẻo dai, nhẹ, tái chế, khơng có phản ứng hóa học với khơng khí điều kiện bình thường,… vật liệu nhựa thay loại vật liệu khác như: sắt, nhơm, đồng thau,…Do đó, nhu cầu sử dụng vật liệu nhựa tương lai lớn Điều dẫn đến ngành công nghệ khuôn mẫu phát triển Công nghệ ép phun cho phép sản xuất sản phẩm có chi tiết nhỏ, mà hầu hết chế tạo phương pháp khác Lượng phế phẩm nhỏ đường rãnh, cổng phun sản phẩm bị loại sử dụng lại Cơng nghệ mang Hình 4.7: Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ sang điện áp 4.6 Kết cấu phần cứng Hình 4.8: sơ đồ phần cứng 61 Hình 4.9: Sơ đồ phần điều khiển Chương 62 LẬP TRÌNH VÀ THIẾT KẾ GIAO DIỆN WIN CC 5.1 Chương trình  Network Hình5.1 Chương trình khởi động Khi bấm nút Start nguồn mở, hệ thống bắt đầu hoạt động bấm nút stop nguồn tắt, hệ thống ngừng hoạt động  Network Hình 5.2 chương trình khởi động quạt Khi bấm chạy quạt nguồn quạt tự động bật, quạt bắt đầu chạy, bấm dừng quạt mạch hở, nguồn quạt tắt  Network 63 Hình 4.3: nhiệt độ cài đặt ban đầu Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ sang tín hiệu số PLC hiểu được, nhiệt độ cài đặt điều khiển từ đến 800 oC, tương ứng với từ đến 27648  Network Hình 5.4: phản hồi tín hiệu Đọc giá trị input từ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ sang điện áp từ đến 10VDC, chuyển đổi sang tín hiệu số tương ứng từ đến 10VDC với từ đến 27648  Network 64 Hình5.5: Hiển thị nhiệt độ Chuyển đổi tín hiệu số từ đến 27648 tương ứng với tín hiệu nhiệt độ từ đến 800oC đo sang tín hiệu nhiệt độ để hiển thị lên hình nhiệt độ  Network Hình5.6: Xuất tín hiệu điều khiển Là hàm chuyển đổi tín hiệu out hệ thống sang tín hiệu out Analog thơng qua modun out put analog SB 1232 gắn PLC để xuất tín hiệu từ đến 10 VDC, để điều khiển relay bán dẫn analog  Network 65 Hình 5.7: PID_Compact Là khối PID_Compact, hiển thị tất thông số chạy điều khiển 5.2 Thiết kế giao diện WIN CC kết đạt 5.2.1 Giao diện WIN CC 66 Hình 5.8: Màn hình Hình 4.9: Màn hình điểu khiển 67 Hình 5.10: Màn hình biểu đồ thực Hình 5.11: Bảng cập nhập nhiệt độ 5.2.2 Những kết đạt 5.2.2.1 Kết điều khiển phương pháp ON/OFF 68 Hình 5.12: Biểu đồ điều khiển phương pháp ON/OFF Biểu đồ khơng có điều khiển cho ta thấy nhiệt độ không đạt yêu cầu đặt ban đầu mà có vọt lố lớn 5.2.2.2 kết chưa điều chỉnh thơng số KP,KD,KI Hình 5.13: Biểu đồ chưa điều chỉnh điều khiển Biểu đồ chưa hiệu chỉnh độ vọt lố nhiệt độ lớn tính ổn định khơng có 4.2.2.2 Kết điều chỉnh thơng số KP, KD, KI theo tính tốn 69 Hình5.14: Cài đặt thơng số KP, KD, KI theo tính tốn  Thí nghiệm cài đặt nhiệt độ 90oC Hình5.15: Cài đặt với với nhiệt độ 90oC Từ biểu đồ cho ta thấy nhiệt độ cài đặt 90oC , khoảng 80s nhiệt độ đạt tới mức 90oC nhiệt nên vọt lố 105oC , hệ thống ổn định nhiệt độ trì mức từ 89oC đến 93oC 70 Qua thí nghiệm ta thấy hệ thống hoạt động ổn định sau vọt lố nhiệt, thời gian để hệ thống vào ổn định cịn dài khơng có phận giải nhiệt cho khn  Thí nghiệm nhiệt độ cài đặt 100oC Hình 5.16: Cài đặt với nhiệt độ 100oC Từ biểu đồ ta thấy nhiệt độ đặt 100oC sau thời gian khoảng 100s hệ thống đạt mức nhiệt độ 100oC nhiệt nên hệ thống vọt lố lên 115oC , Sau hệ thống ổn định nhiệt độ bắt đầu trì 99oC tới 104oC, hệ thống hoạt động dải nhiệt  Thí nghiệm nhiệt độ đặt 130oC 71 Hình 5.17: Cài đặt nhiệt độ 130oC Ban đầu thay đổi thông số KP, KI, KD thấy độ ổn định khơng có độ vọt lố nhiều sau thấy tình hình khơng khả nên thay đổi thơng số số ban đầu thấy hệ thống hoạt động ổn định trở lại với mức cài đặt nhiệt độ ban đầu 130oC nhiệt độ thực tế đo bám sát với nhiệt độ đặt tương ứng từ 129oC tới 133oC Qua thí nghiệm ta thấy thông số KP, KI, KD quan trọng cần thay đổi thống số hệ thống hoạt động không ổn định thông số ta thực nghiệm nhiều lần tính tốn thơng số CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 6.1 Tóm tắt đánh giá kết 72 Đề tài “Nâng cao hiệu q trình điều khiển nhiệt độ khn phun ép phương pháp điều khiển PID” thực nghiêm túc thời gian dài Trong khoảng thời gian đó, nghiên cứu,ứng dụng tài liệu, công trình nghiên cứu khoa học ngồi nước để hoàn thành đề tài với mục tiêu đề Kết cuối đề tài cho thấy sư hiệu phương pháp điều khiển PID, nhiệt độ đặt nhiệt độ thực tế mà khuôn đạt không vượt mức cho phép 4%, hệ thống đạt độ ổn định cao, không bị ảnh hưởng nhiều tác động nhiễu, hệ thống giám sát điều khiển hình HIM, từ làm chủ q trình điều khiển nhiệt độ góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm Đã ứng dụng phần mềm chuyên nghành TIA Portal, Win CC, PLC để điều khiển lập trình hệ thống Tuy nhiên, có hạn chế hệ thống giải nhiệt chưa có nên bắt đầu q trình hệ thống xảy tượng nhiệt, nên thời gian để hệ thống đạt giá trị xác lập bị kéo dài 6.2 Đề nghị hướng phát triển đề tài Với kết thực nghiệm mà đề tài đạt xem hướng nghiên cứu việc điều khiển nhiệt độ khuôn phun ép, tương lai số hướng phát triển đề tài sau:  Nghiên cứu phát triển lắp đặt thêm hệ thống giải nhiệt khuôn phun ép để thời gian lên điều khiển nhiệt độ nhanh thời gian q độ nhanh  Ngồi khn khổ áp dụng phương pháp cho khuôn phun ép, phương pháp áp dụng cho hệ thống lò nhiệt, lò hơi, lò nung …… 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] TS.Phạm Sơn Minh, Giáo trình “thiết kế chế tạo khuôn ép nhựa”, NXB Đại Học Quốc Gia TP.HCM [2] TS Huỳnh Thái Hồng, giáo trình “Lý thuyết điều khiển tự động”, Đại Học Bách Khoa TP.HCM [3] TS Nguyễn Đức Thành “Đo lường điều khiển máy tính”, NXB Đại Học Quốc Gia Tp.HCM [4]Th.s Phùng Huy Dũng, đề tài “Gia nhiệt cục cho lòng khn ép nhựa khn nóng”Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM [5]KS Nguyễn Tấn Phùng, Đề tài “Tối ưu hóa hệ thống điều khiển nhiệt độ điện trở nước cho khuôn dương” Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM [6]KS Nguyễn Văn Dũng, đề tài “Nghiên cứu phân bố nhiệt độ khuôn dương với phương pháp gia nhiệt điện trở” Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM TIẾNG NƯỚC NGOÀI [7] Feasibility evaluation of gas-assisted heating for mold surface temperature control during injection molding process Shia-Chung Chen, Rean-Der Chien, SuHsia Lin, Ming-Chung Lin, Jen- An Chang Department of Mechanical Engineering, Chung Yuan Christian University, Chung-Li 32023, Taiwan, ROC [8] Truong Nguyen Luan Vu and Moonyong Lee “An Extended Method of Simplied Decoupling for Multivariab le Processes with Multiple Time Delays” JCEJ [9] Truong Nguyen Luan Vu and Moonyong Lee “A unified approach to the design of advanced proportional-integral-derivative controllers for time-delay processes” 74 S K L 0 ... KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN SƠN NÂNG CAO HIỆU QUẢ CỦA Q TRÌNH ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TRONG KHN PHUN ÉP BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103... KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN SƠN NÂNG CAO HIỆU QUẢ CỦA Q TRÌNH ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TRONG KHN PHUN ÉP BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103... chọn đề tài ? ?Nâng cao hiệu q trình điều khiển nhiệt độ khn phun ép phương pháp PID? ?? với mục đích tìm phương pháp để khắc phục tượng không ổn định nhiệt độ khuôn phun ép nhằm nâng cao chất lượng