nghiên cứu xây dựng hệ thống truyền động điện tháo quấn băng vật liệu sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Hệ thống truyền động tháo-quấn băng vật liệu Qua hình 1.1 thể hiện một hệ thống xử lý băng vật liệu trong sản xuất công nghiệp là tổng hợp nhiều bộ phận, thực hiện việc vận chuyển và x

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN THÁO QUẤN BĂNG VẬT LIỆU SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP

*****

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc -

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

TÊN ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

THÁO QUẤN BĂNG VẬT LIỆU SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN

MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

Học viên : TÔN THẤT ĐỒNG

Lớp : Cao học K11-TĐH Cán bộ HDKH : TS TRẦN XUÂN MINH

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay ở Việt Nam, rất nhiều các nhà máy sản xuất thép cán, giấy, vải, dây điện, bao bì… được xây dựng rất nhiều, sản phẩm cuối cùng của các nhà máy này

đó là các băng cuộn thép, cuộn vải, cuộn giấy, cuộn nilon tổng hợp Trong các dây chuyền sản xuất của các nhà máy đó luôn có khâu thực hiện tháo-quấn lại vật liệu Máy tháo-quấn băng vật liệu có chức năng sau: từ cuộn băng vật liệu ban đầu có kích thước lớn được tháo quấn để đưa qua dao cắt (để chia nhỏ) hoặc qua các lô in

để in hình, sau đó lại quấn lại thành các cuộn Với yêu cầu cao về năng suất làm việc nên hệ thống đặt ra rất nhiều vấn đề phức tạp do sự biến đổi các thông số trong quá trình làm việc; hiên tại ở trong nước cũng như trên thế giới đã có nhiều công trình khoa học nghiên cứu về hệ thống này tuy nhiên vẫn còn tồn tại một số vấn đề cần nghiên cứu làm rõ Để làm sáng tỏ hơn những vấn đề phức tạp của hệ thống cũng như nghiên cứu đóng góp thêm những sáng kiến mới để làm phong phú thêm các thành quả nghiên cứu các phương pháp điều khiển cho hệ thống này, góp phần cho vào công cuộc hiện đại hóa ngành công nghiệp sản xuất băng vật liệu

Được sự đồng ý và dẫn dắt của cán bộ hướng dẫn khoa học, tác giả đã lựa

chọn đề tài: “Nghiên cứu xây dựng hệ truyền động điện tháo quấn băng vật liệu

sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập”

Sau một thời gian làm nghiên cứu liên tục, nghiêm túc; cùng với sự hướng dẫn tận tình của cán bộ hướng dẫn khoa học, các thầy cô trong khoa, sự giúp đỡ của các học viên trong lớp và các bạn đồng nghiệp Đến nay luận văn đã hoàn thành

Qua đây tác giả xin gửi lời cám ơn tới quý thầy cô trong khoa Điện trường ĐH

Kỹ Thuật Công nghiêp - ĐH Thái Nguyên; Ban Giám Hiệu cùng toàn thể giáo viên khoa Điện trường Cao đẳng Công nghiệp Huế đã nhiệt tình giúp đỡ hướng dẫn, cung cấp tài liệu và tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành được luận văn này

Đồng thời tác giả muốn gửi lời cám ơn sâu sắc tới thầy giáo TS Trần Xuân Minh,

người đã trực tiếp hướng dẫn tác giả trong suốt thời gian qua

Tác giả xin cám ơn gia đình, bè bạn đã hết sức ủng hộ cả về vật chất lẫn tinh thần trong thời gian nghiên cứu để hoàn thành tốt công trình nghiên cứu này

Mặc dù được sự hướng dẫn tận tình của cán bộ hướng dẫn cùng với sự nỗ lực

cố gắng của bản thân; song vì kiến thức còn hạn chế, điều kiện tiếp xúc thực tế chưa nhiều, nên bản thuyết minh không tránh khỏi những thiếu sót nhất định Vì thế, tác giả rất mong tiếp tục được sự giúp đỡ, góp ý nhiệt tình của quý thầy cô, bạn bè và đồng nghiệp

Xin chân thành cảm ơn !

Tác giả luận văn

Tôn Thất Đồng

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Tôn Thất Đồng

Sinh ngày 08 tháng 02 năm 1983

Học viên lớp cao học khoá 11 - Tự động hoá - Trường đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nghuyên

Hiện đang công tác tại khoa Điện trường Cao đẳng Công nghiệp Huế

Xin cam đoan: Đề tài “Nghiên cứu xây dựng hệ truyền động điện tháo quấn băng vật liệu sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập” do TS Trần

Xuân Minh hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng

Nếu sai phạm tôi chịu hoàn toàn trách nhiệm trước Hội đồng khoa học và trước pháp luật

Thái Nguyên, ngày 28 tháng 9 năm 2010

Tác giả

Tôn Thất Đồng

MỤC LỤC

Trang bìa

LỜI NÓI ĐẦU i

LỜI CAM ĐOAN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC BẢNG ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ix

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: 4

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG THÁO-QUẤN BĂNG VẬT LIỆU 4

1.1 Giới thiệu chung 4

1.2 Hệ thống truyền động tháo-quấn băng vật liệu 5

1.2.1 Cấu tạo tổng quát hệ thống tháo-quấn băng vật liệu (giấy) 5

1.2.2 Đặc điểm cấu tạo và chức năng của các thành phần: 5

1.2.3 Yêu cầu công nghệ hệ thống tháo-quấn băng vật liệu 8

1.2.4 Giới thiệu một số mô hình điều khiển hệ thống tháo-quấn băng vật liệu 11 1.3 Lý thuyết sức căng trong hệ thống tháo-quấn băng vật liệu 14

1.3.1 Khái niệm sức căng của băng vật liệu 14

1.3.2 Lý thuyết điều chỉnh lực căng của băng vật liệu 15

1.3.3 Giới thiệu các bộ đo lực căng băng vật liệu 17

1.4 Mô hình phi tuyến của hệ thống tháo và quấn băng vật liệu: 22

CHƯƠNG 2: 30

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN THÁO-QUẤN BĂNG VẬT LIỆU DÙNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 30

2.1 Tổng quan về truyền động điện một chiều 30

2.2 Nghiên cứu khảo sát hệ thống Thyristor – Động cơ 30

2.2.1 Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định và đường đặc tính tĩnh 32

2.2.1.1 Bộ điều chỉnh tốc độ quay không bão hòa 33

2.2.1.2 Bộ điều chỉnh tốc độ quay bão hòa 34

2.2.2 Chất lượng của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín 35

2.2.2.1 Mô hình toán học trạng thái động 35

2.2.2.2 Phân tích quá trình khởi động 35

2.2.2.3 Tác dụng của hai bộ điều chỉnh 38

2.3 Tổng hợp hệ thống truyền động hệ thống điều chỉnh tốc độ hệ thống tháo-quấn băng vật liệu 38

2.3.1 Xây dựng hàm truyền của các khâu trong hệ thống điều khiển 40

2.3.1.1 Hàm truyền của động cơ điện 40

2.3.1.2 Bộ chỉnh lưu bán dẫn Thyristor 45

2.3.1.3 Hàm truyền của máy phát tốc 47

2.3.1.4 Hàm truyền của thiết bị đo điện 48

2.3.1.5 Tổng hợp hệ điều khiển RI, R 48

a Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện RI 48

b.Tổng hợp bộ điều khiển tôc độ R 50

2.3.2 Thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập truyền động cho tang tháo-quấn băng vật liệu sử dụng bộ điều khiển PI kinh điển 54

2.3.2.1 Đặc điểm và tính toán thông số hệ thống truyền động 54

2.3.2.3 Mô phỏng Simulink – Matlab bộ điều khiển PI 56

CHƯƠNG 3: 62

BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI PI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP TRUYỀN ĐỘNG CHO HỆ THỐNG THÁO-QUẤN BĂNG

VẬT LIỆU 62

3.1 Nghiên cứu lý thuyết điều khiển mờ lai PID mờ 62

3.1.1 Tổng quan về lý thuyết điều khiển mờ 62

3.1.2 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 63

3.1.3 Nguyên lý điều khiển mờ 65

3.1.4 Những nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ 65

3.1.5 Các bộ điều khiển mờ 69

3.1.5.1 Bộ điều khiển mờ tĩnh 69

3.1.5.2 Bộ điều khiển mờ động 69

3.1.6 Hệ điều khiển mờ lai 71

3.2 Bộ điều khiển mờ lai PI điều khiển tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập truyền động cho tang tháo-quấn băng vật liệu 72

3.2.1 Cơ sở thiết kế bộ điều khiển mờ lai PI 72

3.2.2 Thiết kế bộ điều khiển mờ lai PI 73

3.2.3 Mô phỏng bộ điều khiển mờ lai PI 77

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

L (m) Độ dài đoạn băng vật liệu

W (m) Độ rộng của đoạn băng vật liệu

P (N) Lực kéo căng

h (m) Độ dày của băng vật liệu

 (N/m) Độ giãn theo chiều dài của băng vật liệu

L (N/m) Độ giãn theo chiều ngang (cạnh) của băng vật liệu

 (N/m2) Độ bền kéo

A (m2) Tiết diện ngang của băng vật liệu

E Hằng số co giản của vật liệu

0

ε (N/m2) Ứng suất căng ban đầu của phía tang tháo

T0 (N) Lực căng siết chặc ban đầu của cuộn tháo

T (N) Lực căng băng vật liệu

K Hệ số đàn hồi của dải băng

R0 (m) Bán kính của lõi tang quay

J0 (Kg.m2) Mô men quán tính của lõi tang quay

J ,Jr(Kg.m2) Mô men quan tính tang quay tháo quấn và tang quấn lại

Mu, Mr (N.m) Mô men truyền động tang quay tháo quấn và tang quấn lại

GVR, GVF Thiết bị phát xung cho hai bộ chỉnh lưu điều khiển VR, VF

HCD Phần tử hạn chế dòng điện trong quá trình quá độ

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1-1: Một số loại Loadcell điển hình dùng cho hệ thống đo lực căng băng vật liệu 21

Bảng 1.2: Tổng hợp phương trình toán học mô tả hệ thống tháo-quấn băng vật liệu 27

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mô tả hệ thống hệ thống xử lý băng vật liệu điển hình 4

Hình 1.2: Cấu trúc tổng quát của một hệ máy tháo-quấn băng giấy 6

Hình 1.3: Cấu trúc khâu tháo quấn băng giấy (Unwind) 6

Hình 1.4: Cấu trúc khâu xử lý băng giấy 7

Hình 1.5: Cấu trúc khâu quấn lại băng giấy (Rewind) 7

Hình 1.6: Quá trình hoạt động và điều khiển hệ thống tháo-quấn băng vật liệu 10

Hình 1.7: Mô hình điều khiển bằng tay 11

Hình 1.8: Mô hình điều khiển vòng hở dùng con nhảy (dancer) 11

Hình 1.9: Mô hình điều khiển vòng hở dùng cảm biến đo đường kính 122

Hình 1.10: Mô hình điều khiển vòng kín dùng cảm biến lực căng (loadcell) 13

Hình 1.11: Mô hình điều khiển vòng kín dùng cảm biến vị trí và dancer 13

Hình 1.12: Phân tích sự biến dạng dải băng vật liệu do lực căng tác động 14

Hình 1.13: Sơ đồ biểu diễn sự biến thiên về tốc độ, mômen của các động cơ truyền động cho các con lăn và sự biến thiên bán kính của các tang quay trong hệ thống tháo-quấn băng vật liệu 16

Hình 1.14: Đo lực căng trực tiếp bằng loadcell 18

Hình 1.15: Đo lực căng gián tiếp bằng con lăn nhảy dancer 18

Hình 1.16: Mô hình sử dụng Loadcell đo lực căng băng vật liệu 19

Hình 1.17: Cấu tạo loadcell tương tự 19

Hình 1.18: Cấu trúc loadcell số 20

Hình 1.19: Khảo sát hệ thống tháo-quấn băng vật liệu điển hình 23

Hình 2.1: Hệ thống điều chỉnh tốc độ có đảo chiều Thyristor - Động cơ 30

Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định hệ thống điều chỉnh tốc độ hai vòng kín 32

Hình 2.3: Đường đặc tính tĩnh của hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín 33

Hình 2.4: Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín 34 Hình 2.5: Đồ thị dòng điện và tốc độ quay của quá trình khởi động hệ thống điều chỉnh quá tốc độ 35

Hình 2.6: Hệ thống điều chỉnh tốc độ Thyristor - Động cơ 38

Hình 2.7: Sơ đồ khối chức năng 39

Hình 2.8: Mạch điện thay thế của động cơ một chiều 40

Hình 2.9: Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều 42

Hình 2.10: Tuyến tính hoá đoạn đặc tính từ hoá và đặc tính tải 43

Hình 2.11: Sơ đồ cầu trúc tuyến tính hoá 44

Hình 2.12: Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi 44

Hình 2.13: Các sơ đồ cấu trúc thu gọn 45

Hình 2.14: Thời gian phát xung và thời gian mất điều khiển của bộ chỉnh lưu 46

Hình 2.15: Sơ đồ cấu trúc của bộ chỉnh lưu bán dẫn thyristor 47

Hình 2.16: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện 49

Hình 2.17: Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện 49

Hình 2.18: Sơ đồ khối hệ điều chỉnh tốc độ PI 51

Hình 2.19: Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ 51

Hình 2.20: Sơ đồ mô phỏng điều khiển tốc độ động cơ dùng bộ điều khiển PI khâu quấn lại 57 Hình 2.21: Cấu trúc khối “ Bo DK PI ” 57

Hình 2.22: Cấu trúc khối “ Doi tuong “ 58

Hình 2.23: Kết quả mô phỏng tổng hợp kết quả tốc độ bám theo tốc độ đặt khi Mc và J biến thiên 59

Hình 2.24: Tốc độ đặt 59

Hình 2.25: Mô men tải Mc biến thiên 59

Hình 2.26: Mô men quán tính tải J biến thiên 60

Hình 3.1: Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ 63

Hình 3.2: Mô hình chuyển đổi hiểu biết của con người và hệ mờ 66

Hình 3.3: Hệ điều khiển mờ lai cấu trúc 2 vòng 72

Hình 3.4: Sơ đồ khối hệ điều khiển mờ lai 72

Hình 3.5: Kết quả xây dựng bộ điều khiển mờ lai PI 76

Hình 3.6: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển mờ lai PI cho khâu quấn lại vật liệu 78

Hình 3.7: Cấu trúc khối “Bo DK PI 1” 78

Hình 3.8: Cấu trúc khối “Bo dieu khien mo” 79

Hình 3.9: Sơ đồ mô phỏng so sánh khả năng bám của tốc độ đầu ra giữa hai bộ điều khiển PI và PI_mờ 79

Hình 3.10: Thông số tốc độ đặt n_dat, mô men quán tính tải J và mô men tải Mc theo hình 2.25 và 2.26 79

Hình 3.11: Kết quả mô phỏng so sánh kết quả tốc độ ra của bộ điều khiển PI với bộ điều khiển PI_mờ 81

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài:

Trong các đặc điểm kỹ thuật khó trong hệ máy máy tháo-quấn băng vật liệu đó

là trong quá trình thực hiện tháo-quấn lại vật liệu yêu cầu tốc độ dải băng vật liệu chuyển động phải ổn định, với sự phát triển nhanh công nghệ điều khiển ngày nay

hệ thống cong yêu cầu tốc độ chuyển động của dải vật liệu phải cao Bên cạnh đó, theo thời gian thì bán kính và khối lượng của tang quấn lại tăng lên còn tang tháo quấn sẽ giảm đi, dẫn đến mô men cản và mômen quán tính của hệ biến đổi liên tục, tốc độ biến đổi này có mối quan hệ với tốc độ quay Để ổn định lực căng của băng vật liệu thì mô men truyền động và tốc độ dịch chuyển của băng vật liệu cần được giữ ổn định, dẫn đến tốc độ quay của hai tang quay sẽ phải tự điều chỉnh theo chiều ngược với bán kính theo thời gian đó là tang quấn sẽ giảm tốc còn tang tháo tăng tốc Do mối quan hệ chằng chịt đó mà việc điều khiển hệ hết sức phức tạp Hiện nay, đã có nhiều hệ thống truyền động được sản xuất ở trong và nước ngoài đã giải quyết được vấn đề trên, tuy nhiên giải pháp thực hiện luôn nằm trong hộp kín của nhà chế tạo, do đó gây khó khăn cho các cán bộ kỹ thuật khi bảo trì sữa chữa máy Chính vì điều đó, việc làm chủ được công nghệ là mối quan tâm hàng đầu lúc này,

do đó đề tài này sẽ nghiên cứu tìm ra những bí mật công nghệ để tạo điều kiện thuận lợi hơn khi chế tạo và sữa chữa

Bên cạnh đó, truyền động điện một chiều với nhiều ưu điểm vốn có của nó vẫn giữ vai trò chủ yếu trong công nghiệp, đặc biệt là trong các lĩnh vực yêu cầu điều chỉnh chính xác cao về mô men và tốc độ Để có được chất lượng tốt nhất là nhờ sự phát triển rất lớn của các phương pháp điều khiển tự động truyền động điện như điều khiển tối ưu, thích nghi, bền vững và mờ…

Trên những cơ sở đó, đề tài đặt vấn đề: “nghiên cứu xây dựng hệ truyền động điện tháo quấn băng vật liệu sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập”, trong

đó áp dụng các phương pháp điều khiển hiện đại để nâng cao chất lượng điều khiển

hệ

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:

2.1 Ý nghĩa khoa học:

Đề tài này sẽ đề cập tới việc nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực truyền động điện tự động Đề tài nghiên cứu các hệ thống truyền động điện động cơ một chiều kích từ độc lập với tải phi tuyến từ đó xây dựng hệ truyền động điện cho truyền động điện tháo-quấn băng vật liệu có chất lượng cao hơn các hệ thống hiện có

2.2 Ý nghĩa thực tiễn:

Khi đề tài hoàn thành sẽ là tài liệu quan trọng giúp các cán bộ kỹ thuật xác định rõ bản chất công nghệ của hệ truyền động điện của các hệ máy tháo-quấn băng vật liệu, từ đó làm chủ được công nghệ trong quá trình vận hành, giám sát và khắc phục sửa chữa

Đề tài sẽ là cơ sở khoa học để thiết kế các hệ thống truyền động điện cho động

cơ một chiều kích từ độc lập áp dụng có tải phi tuyến

3 Mục tiêu nghiên cứu:

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: Nghiên cứu bộ điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc lập truyền động cho hệ thống tháo-quấn băng vật liệu

4 Đối tượng nghiên cứu:

Nghiên cứu khảo sát về hệ truyền động điện cuộn băng vật liệu sử dụng động

cơ điện một chiều kích từ độc lập; Nghiên cứu lý thuyết điều khiển truyền động điện hiện đại động cơ điện một chiều kích từ độc lập Từ đó xây dựng bộ điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập có mô men cản và mô men quán tính tải biến đổi phi tuyến

5 Nhiệm vụ nghiên cứu:

- Nghiên cứu hệ truyền động điện cuộn băng vật liệu sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập

- Nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập sao cho tốc độ chuyển động và lực căng của dải băng vật liệu giữ ổn định

- Mô hình hoá mô phỏng và đánh giá hệ thống trên phần mềm Matlab

6 Phương pháp nghiên cứu:

a Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu sách, bài báo khoa học, luận văn và các tài liệu có liên quan Từ đó xây dựng hệ thống truyền động và luật điều khiển cho

hệ thống tháo quấn băng vật liệu

b Tiến hành khảo sát bằng mô phỏng và hiệu chỉnh, đánh giá và kết luận

7 Nội dung nghiên cứu:

Chương 1: Tổng quan về truyền động tháo-quấn băng vật liệu

Chương 2: Nghiên cứu hệ thống truyền động điện tháo-quấn băng vật liệu

dùng động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Chương 3: Bộ điều khiển mờ lai PI điều khiển động cơ điện một chiều kích từ

độc lập truyền động cho hệ thống tháo-quấn băng vật liệu

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG THÁO-QUẤN BĂNG VẬT

LIỆU 1.1 Giới thiệu chung

Ngày nay, trong các ngành công nghiệp chế biến nguyên vật liệu dạng hình tấm hay dải dài linh hoạt thường được mô tả là băng vật liệu (web) hay nói cách khác là các dạng vật liệu có độ dài lớn hơn rất nhiều so với độ dày và bề rộng của nó; như là: giấy cuộn, phim nhựa, vải cuộn, nilôn cuộn và thép cuộn… Từ những nguyên liệu này để sản xuất thành một sản phẩm cuối cùng có kích thước bé phù hợp sử dụng thì các băng vật liệu này phải được xử lý, chia nhỏ và chuyển đổi; ví dụ: từ giấy cuộn khổ lớn sản xuất ra các cuộn giấy vệ sinh nhỏ, hay từ cuộn nilon lớn được dùng để sản xuất bao bì bánh kẹo… Để làm được các vấn đề đó thì nó phải được thực hiện qua các máy xử lý băng vật liệu với quy trình xử lý đó là: từ các cuộn vật liệu lớn được tháo cuộn qua các máy tháo quấn (Unwinder), sau đó được đưa qua các khâu xử lý dải băng vật liệu như in, sơn, dập, chia nhỏ, duỗi thẳng

… cuối cùng sẽ được cuộn lại bằng máy quấn lại (Rewinder) ở đầu cuối Hình 1.1

mô tả một hệ thống xử lý băng vật liệu điển hình:

Hình 1.1: Mô tả hệ thống hệ thống xử lý băng vật liệu điển hình

Với sự phát triển không ngừng của khoa học và công nghệ hiện nay có nhiều phát minh sáng chế để nhằm nâng cao năng suất và chất lượng hệ thống; bên cạnh

đó là khả năng đáp ứng nhanh để giữ cho hệ thống làm việc ổn định của bộ điều khiển dưới các thay đổi nhiễu loạn các thông số do tác động từ bên ngoài

1.2 Hệ thống truyền động tháo-quấn băng vật liệu

Qua hình 1.1 thể hiện một hệ thống xử lý băng vật liệu trong sản xuất công

nghiệp là tổng hợp nhiều bộ phận, thực hiện việc vận chuyển và xử lý dải băng vật liệu; cấu tạo trong hệ máy bao gồm sự phối hợp giữa các hệ cơ và điện; một cấu tạo thông thường của hệ máy này gồm có các thành phần như: tang tháo quấn (unwinder), tang quấn lại (rewinder), con lăn dẫn hướng (guiding roller), các trục lăn kẹp điều chỉnh lực căng (nip roller), bộ dao cắt hoặc bản in…, các cảm biến đo lường (load cell), động cơ truyền động và bộ điều khiển

1.2.1 Cấu tạo tổng quát hệ thống tháo-quấn băng vật liệu (giấy)

Trên hình 1.2 thể hiện cấu trúc tổng quát của một hệ máy tháo-quấn băng giấy

1.2.2 Đặc điểm cấu tạo và chức năng của các thành phần:

Trong hệ máy trên hình 1.2 chia thành ba khâu: khâu tháo quấn cuộn giấy,

khâu xử lý dải băng giấy, khâu quấn lại băng giấy

 Khâu tháo quấn cuộn giấy (Unwind): Thể hiện ở hình 1.3

Trong khâu này gồm có: một tang quay gắn cuộn giấy lớn (vật liệu đầu vào), trục tang quay được truyền động bằng một động cơ M1 Nhiệm vụ của khâu này là tháo quấn cuộn giấy để cung cấp băng giấy cho khâu xử lý, yêu cầu đặt ra cho khâu này là làm sao cho dải băng giấy đảm bảo cung cấp đủ, kịp thời, không được thừa

dư nhiều vật liệu đầu vào trước khi cấp cho khâu xử lý

Hình 1.2: Cấu trúc tổng quát của một hệ máy tháo-quấn băng giấy

Hình 1.3: Cấu trúc khâu tháo quấn băng giấy (Unwind)

 Khâu xử lý dải băng giấy (Process web): Thể hiện ở hình 1.4

Trong khâu này gồm có:

- Bộ phận điều chỉnh lực căng cho dải

băng để làm bề mặt của vật liệu phẳng và

thẳng không bị dao động và xoắn Để xử lý

điều này, ở đây sử dụng cơ cấu các con lăn

kẹp được truyền động bởi nhiều động cơ Mi

có tốc độ quay khác nhau để kéo và điều

chỉnh lực căng cho dải băng Sau đó qua

một loạt các con lăn dẫn hướng quay tự do

để vận chuyển dải băng đến các bộ phận

khác

- Bộ phận cắt hoặc in (nếu có): Nếu là máy chia cuộn thì có thêm bộ phận dao cắt chia cuộn Nếu là máy in thì có bộ phận in lăn …

 Khâu quấn lại băng giấy (Rewind): Thể hiện ở hình 1.5

Trong khâu này gồm có một tang

quấn được truyền động bởi động cơ M2

Nhiệm vụ của khâu này là quấn lại băng

giấy sau khi đã xử lý Yêu cầu đặt ra cho

bộ điều khiển động cơ M2 là phải phải

điều khiển tốc độ của động cơ này sao

cho lực căng của dải băng là không đổi

Nếu lực căng dải băng quá cao sẽ làm

giấy bị đứt hoặc làm cho giấy bị quấn quá

chặt Nếu lực căng quá nhỏ thì sẽ làm

cuộn giấy

sẽ lỏng lẻo và không định hình được cuộn

giấy sau khi quấn

Hình 1.5: Cấu trúc khâu quấn lại

băng giấy (Rewind) Hình 1.4: Cấu trúc khâu xử lý băng giấy

 Các loại cảm biến: Trong các khâu trên để điều khiển được thì luôn cần thiết phải có mặt của các loại cảm biến; nó dùng để xác định lực căng (load cell), tốc độ (encoder) và đường kính tang cuộn (ultrasonic) của dải băng vật liệu trong quá trình làm việc

Qua đó có thể nhận thấy rằng, trong các công nghệ sản xuất và xử lý băng vật liệu trong công nghiệp thường không thể thiếu hai hệ máy đó là máy tháo quấn (unwind machine) và máy quấn lại (rewind machine) băng vật liệu Với công nghệ sản xuất khắc khe và yêu cầu cao về năng suất và chất lượng như hiện nay thì việc cải tiến để tăng tốc độ chuyển động của dải băng vật liệu cho các hệ máy trên là đều rất cần thiết; tất yếu điều này sẽ kéo theo nhiều vấn đề phúc tạp cho bộ điều khiển cho các máy này và phải chọn ra được những phương án tối ưu nhất để hệ thống làm việc ổn định và hiệu quả

Chính vì lẽ đó, luận văn này nghiên cứu khảo sát các phương pháp truyền động và điều khiển của hệ thống trên thế giới, từ đó đề xuất giải pháp phù hợp để giải quyết vấn đề cho các hệ máy ứng dụng thực tiễn

1.2.3 Yêu cầu công nghệ hệ thống tháo-quấn băng vật liệu

Khảo sát một hệ thống máy tháo-quấn băng vật liệu điển hình có một số đặc điểm sau: loại vật liệu được sử dụng là loại có khả năng co giản với mức độ xác định và khá đồng nhất về tính chất vật lý Tùy theo dạng bố trí và các phương pháp

xử lý khác nhau của các hệ thống con lăn xử lý dải băng thì nó sẽ là cho bề mặt băng vật liệu bị biến dạng dưới tác động chính của lực căng; do đó để vật liệu không bị biến dạng nhiều khi làm máy viêc thì yêu cầu lực căng của dải băng phải được giữ ổn định ở một giá trị thích hợp theo quy định cho từng loại vật liệu, ví dụ: nếu xét một hệ tháo quấn giấy vệ sinh chẳng hạn, nếu lực căng không phù hợp thì băng giấy sẽ bị hỏng; chẳng hạn ở tang quấn: nếu quấn quá nhanh hơn so với đầu giấy chuyển ra tư khâu xử lý thì làm cho lực căng tăng, dẫn đến đứt băng giấy; nhưng nếu quấn quá chậm thì sẽ làm cho băng giấy lõng lực quấn thấp kết quả cuộn giấy sau khi quấn sẽ rất lõng lẽo và không định hình đúng kỹ thuật Còn là ở tang tháo giấy cũng vậy nếu tháo quá chậm không kịp cung cấp cho đầu vào khâu xử lý

cũng sẽ tạo nên tình huống tương tự là đứt giấy; hay nếu tháo quá nhanh thì làm cho giấy không kịp chuyển đi sẽ tồn đọng lực căng rất bé gần như bằng 0, lúc đó khi cấp vào qua các con lăn kẹp giấy, giấy có thể bị kéo nhăn hay bị nhau nát không định dạng đúng như khuôn dạng đầu…

Trong toàn bộ hệ máy, lực căng ở các khâu khác nhau là khác nhau, giả sử lực căng ở tang tháo quấn là 10N thì ở khâu xử lý là 20N và khâu quấn lại sẽ là 15N… Những con số tỷ lệ lực căng này sẽ do tính chất công nghệ quyết định cho mỗi loại vật liệu, nhưng các chỉ số đó phải được giữ ổn định trong các khâu Nếu như ở khâu tháo quấn lực căng giảm xuống hay tăng lên đều ảnh hưởng đến chỉ số lực căng của các khâu còn lại, do đó có thể thấy khâu cần ổn định lực căng khắc khe nhất đó là khâu tháo quấn vật liệu cần được chú ý trong điều khiển tự động cho hệ thống Bên cạnh đó, theo mô hình của một hệ thống tháo quấn vật liệu nêu trên, ta thấy khi làm việc các tang tháo và quấn vật liệu sẽ thay đổi đường kính (đối với tang quấn sẽ tăng dần, còn tang tháo sẽ giảm dần), nếu tốc độ quay của các bộ truyền động cho 2 khâu trên không thay đổi thì dẫn đến lực căng của băng vật liệu

sẽ biến đổi theo đường kính (khâu quấn tăng lực căng còn khâu tháo giảm lực căng) điều đó là không phù hợp như đã phân tích ở trên Do đó cần tìm cách điều chỉnh tốc độ của động cơ truyền động trục tang quấn để giữ tốc độ cho dải băng vật liệu; đồng thời phải giữ ổn định tốc độ trong từng khâu trong quá trình làm việc Tuy nhiên, đối với khâu quấn lại vật liệu, yếu tố quan trọng nhất là lực quấn của từng vòng phải được giữ ổn định, trong khi tốc độ của dải băng ở đầu ra của khâu xử lý vật liệu gần như không đổi, cho nên chỉ cần giữ cho tốc độ của dải băng ở khâu quấn lại không đổi thì dẫn đến lực căng sẽ luôn là hàng số Qua đó, ta rút ra được rằng khâu cần giữ ổn định tốc độ khắc khe nhất là khâu quấn lại vật liệu, cần được chú ý trong điều khiển tự động cho hệ thống

Tóm tắt quá trình hoạt động và điều khiển trong hệ thống tháo-quấn băng vật liệu điển hình được biểu diễn qua sơ đồ như sau:

Chú thích hình vẽ:

- Unwinder: Tang tháo quấn

- Rewinder: Tang quấn lại

- Process web: Bộ xử lý băng vật liệu (dao cắt, bản in hoặc máy chải phẳng)

- Nip roller: Con lăn kẹp điều chỉnh lực căng

- Loadcell1, loadcell2: Cảm biến đo lực căng dải băng

- Mu: động cơ truyền động cho tang tháo quấn

- Mr: động cơ truyền động cho tang quấn lại

- Driver Mu: Bộ điều khiển truyền động động cơ Mu

- Driver Mr: Bộ điều khiển truyền động động cơ Mr

- Control Centre: bộ điều khiển trung tâm

- Tension controller: bộ điều khiển lực căng

Velocity Control e Drive Mr

M r

Proc s web Unwinde

- Velocity controller: bộ điều khiển tốc độ

- Encoder Mu: máy đo tốc độ động cơ Mu

- Encoder Mr: máy đo tốc độ động cơ Mr

1.2.4 Giới thiệu một số mô hình điều khiển hệ thống tháo-quấn băng vật liệu

Giới thiệu các mô hình điều khiển hệ thống tháo-quấn băng vật liệu đã và đang

sử dụng hiện nay

* Điều khiển bằng tay thông thường:

Hình 1.7: Mô hình điều khiển bằng tay

* Điều khiển vòng hở: Điều khiển sức căng theo sự thay đổi của đường kính

cuộn băng vật liệu Hệ thống

không có tín hiệu phản hồi

về lực căng của dải vật liệu

lăn tỳ lên bên ngoài cuộn

băng vật liệu, con lăn này

Hình 1.8: Mô hình điều khiển vòng hở dùng con

nhảy (dancer)

dẫn động thông qua một cần trục, cần trục này dẫn động để cấp tín hiệu cho một cảm biến vị trí Khi đường kính cuộn thay đổi thì cảm biến sẽ thay đổi giá trị đầu ra, tín hiệu này cấp vào bộ điều khiển hoạt động của động cơ điện, ứng với tín hiệu đo được của đường kính thì bộ điều khiển sẽ thay đổi tốc độ và momen (tăng hay giảm) cho trục động cơ cho phù hợp để giữ cho lực căng dải băng được ổn định ở giá trị quy định

- Phương pháp đo đường kính bằng cảm biến siêu âm (Ultrasonic sensor) (hình 1.9): Tương tự như trên nhưng ở đây sử dụng cảm biến siêu âm để đo đường kính

* Điều khiển vòng kín: Hình 1.10

– Điều khiển trực tiếp lực căng dùng Loadcell: Hệ thống dùng cảm biến lực căng (Load cell) để xác định lực căng của dải băng, sau đó cấp tín hiệu phản hồi về

bộ điều chỉnh để thay đổi tốc độ của động cơ truyền động

Hình 1.9: Mô hình điều khiển vòng hở dùng cảm biến đo đường kính

– Điều khiển trực tiếp lực căng dùng hệ thống con lăn nhảy Dancer: Hệ thống ngoài việc điều chỉnh

lực căng nhờ cơ cấu

dancer Cơ cấu gồm

một trục lăn có thể điều

khiển thay đổi tịnh tiến,

sự dịch cuyển của con

lăn này làm cho lực

căng giảm hay tăng

Truyền động cho con lăn này là một xi lanh khí Bên cạnh đó là một cần gạt truyền động đến một cảm biến vị trí, từ giá trị đo đƣợc của cám biến này có thể xác định đƣợc lực căng hiện tại của dải băng là ổn định hoặc tăng hoặc giảm, rồi tín hiệu này đƣợc cấp về cho bộ điều khiển Bộ điều khiển sẽ cấp tín hiệu ra điều chỉnh tốc độ và góc mở của nguồn khí nén cấp cho xi lanh

Hình 1.10: Mô hình điều khiển vòng kín dùng cảm biến lực căng (loadcell)

Hình 1.11: Mô hình điều khiển vòng kín dùng cảm biến

vị trí và dancer

Với phương pháp này thì hệ thống được điều chỉnh triệt để giải quyết được nhiều về vấn đề sai số tín hiệu đo và phản ứng nhanh trong điều khiển thời gian thực

Trên đây là một số các mô hình truyền động chính ứng dụng trong điều khiển

và vận chuyển băng vật liệu Trong hệ thống này để nghiên cứu khảo sát toàn bộ các phương pháp truyền động và điều khiển tương ứng cho từng khâu trong hệ thống tháo-quấn băng vật liệu là một vấn đề lớn và phức tạp, do thời gian nghiên cứu có hạn cho nên nội dung luận văn chủ yếu tập trung nghiên cứu khảo sát hai

khâu cơ bản của hệ máy đó là khâu tháo quấn và khâu quấn lại trong hệ thống

1.3 Lý thuyết sức căng trong hệ thống tháo-quấn băng vật liệu

1.3.1 Khái niệm sức căng của băng vật liệu

Trong các hệ máy quấn băng vật liệu, lực căng đặt lên một dải băng có thể được định nghĩa như sau: là tình trạng bị

kéo căng của dải băng khi nó được treo

vào một vật nặng ở mép của dải băng, lúc

đó lực căng của dải băng bằng trọng

lượng vật nặng đó

Sau khi tính toán và phân tích ta có

kết quả tác động của lực căng lên dải

băng vật liệu là như sau (hình 1.12):

Trong đó:

L: độ dài đoạn băng vật liệu

W: độ rộng của đoạn băng vật liệu

Hình 1.12: Phân tích sự biến dạng dải băng

vật liệu do lực căng tác động

P: lực kéo căng ở hai đầu

: độ giãn theo chiều dài của băng vật liệu

L: độ giãn theo chiều ngang (cạnh) của băng vật liệu

: độ bền kéo

A: tiết diện ngang của băng vật liệu

Mối quan hệ giữa P, L, W, và A như sau:

Từ biểu thức (1.3.2) rút ra được ứng suất kéo căng tỷ lệ với độ bền kéo

1.3.2 Lý thuyết điều chỉnh lực căng của băng vật liệu

Điều chỉnh lực căng của hệ thống tháo-quấn và xử lý băng vật liệu là một vấn

đề điều khiển rất phức tạp trong công nghiệp được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm

do tính chất phi tuyến mạnh trong hệ thống Hiện nay, đã có nhiều công trình nghiên cứu điều chỉnh lực căng bằng các phương pháp điều khiển hiện đại như: điều khiển PID phi tuyến, điều khiển mờ, điều khiển nơron, điều khiển tối ưu, điều khiển thích nghi…

Về hướng chọn mô hình điều khiển, thì gồm các mô hình điều khiển tập trung

và phân tán Qua khảo sát kết quả của nhiều nghiên cứu thì mô hình điều khiển tập trung có nhiều mặt hạn chế, vì thế người ta dần thay thế bằng mô hình điều khiển phân tán

Về phương án chọn cấu trúc bộ điều khiển lực căng: tùy theo mục đích và tiêu chí kỹ thuật của hệ thống từ đó chọn ra cấu trúc phù hợp Thông thường sử dụng hai loại đó là cấu trúc điều khiển vòng hở và cấu trúc điều khiển vòng kín là hai cấu trúc điều khiển được sử dụng nhiều trong công nghiệp Cơ chế của cấu trúc điều khiển vòng kín có sự phối hợp tín hiệu đặt giữa các khâu nghĩa là khi một tín hiệu

đặt vào cấp cho khâu đầu tiên của hệ thống thì đồng thời tín hiệu này cũng được tự động chuyển đổi giá trị để cấp đến cho tất cả các khâu điều khiển còn lại của hệ thống, cơ chế này giúp cho toàn bộ hệ thống mặc dù được điều khiển phân tán nhưng vẫn đảm bảo tính đồng bộ với nhau, nhờ vậy mà giải quyết được vấn đề khó trong giai đoạn khởi động và dừng máy

Đối với hệ thống quấn băng vật liệu có cấu trúc đơn giản (roll-to-roll) không

có khâu xử lý băng vật liệu phức tạp ở giữa thì việc điều khiển lực căng giữ ổn định trên toàn bộ dải băng được thực hiện bằng cách điều khiển ổn định tỷ lệ tốc độ giữa các con lăn kẹp băng (nip roll) ở giữa, tang tháo quấn và tang quấn lại ở hai đầu; đồng thời để tăng độ chính xác của bộ điều khiển thì cần phải phản hồi lực căng thực dải băng đến các bộ điều khiển bằng các bộ đo lực căng Trong quá trình làm việc sự biến thiên về tốc độ, mômen của các động cơ truyền động cho các con lăn kẹp băng, tang tháo quấn, tang quấn lại và sự biến thiên bán kính của các tang quay được biểu diễn qua các sơ đồ sau:

Vì sự phi tuyến mạnh và các biến đổi không xác định trước được của các thông số trong quá trình làm việc của hệ thống cho nên việc điểu khiển ổn định sức căng cho hệ gặp nhiều khó khăn Trong công nghiệp hiện nay thường sử dụng các

phương án điều khiển lực căng như hình 1.13 sau:

- Điều khiển gián tiếp momen của động cơ truyền động từ yêu cầu lực lực căng

và đường kính tang cuộn đặt trước Phương pháp này đơn giản thường sử dụng phổ biến cho khâu tháo và quấn lại vật liệu

- Điều khiển trên cơ sở phản hồi trực tiếp lực căng của dải băng từ các cảm biến lực căng (load cell)

- Điều khiển lực căng bằng con lăn nhảy (roll dancer), con lăn này vừa làm thiết bị đo lực căng đồng thời cũng là bộ tự điều chỉnh lực căng

Hiện nay có nhiều phương pháp xây dựng bộ điều khiển như: điều khiển PID, điều khiển mờ, điều khiển noron, điều khiển tối ưu, điều khiển thích nghi, điều khiển phi tuyến loại bỏ nhiễu và các phương pháp điều khiển lai khác…

1.3.3 Giới thiệu các bộ đo lực căng băng vật liệu

Để đo lực căng của băng vật liệu trong các công nghệ sản xuất hiện nay thường sử dụng hai dạng đo đó là:

- Đo trực tiếp lực căng trên dải băng đang chuyển động dùng cảm biến lực căng (Load cell) dạng con lăn

t

Mu(t)

u(t)

Ru(t) (a)

t

Mr(t)

r(t)

Rr(t) (b)

t

Mnip(t)

nip(t)

(c)

Hình 1.13: Sơ đồ biểu diễn sự biến thiên về tốc

độ, mômen của các động cơ truyền động cho các con lăn và sự biến thiên bán kính của các tang quay trong hệ thống tháo-quấn băng vật liệu :

(a) Động cơ truyền động tháo quấn (a) Động cơ truyền động quấn lại (b) Động cơ truyền động con lăn kẹp (nip roll)

Hình 1.14: Đo lực căng trực tiếp bằng loadcell

- Đo lực căng gián tiếp thông qua cơ cấu gồm con lăn, trục khuỷu (gọi

là con lăn nhảy - dancer roll) và cảm biến vị trí Khi lực căng thay đổi thì góc quay trục khuỷu thay đổi từ đó suy ra được lực căng tương ứng

Hình 1.15: Đo lực căng gián tiếp bằng con lăn nhảy dancer

Trong luận văn này, hệ thống được khảo sát sử dụng loadcell để đo lực căng của dãi băng vật liệu, sau đây giới thiệu về cấu tạo và nguyên lý hoạt đông một số loại loadcell chuyên dùng trong hệ thống tháo-quấn băng vật liệu

* Giới thiệu cảm biến đo lực căng (Load cell)

Load cell tương tự là cảm biến sức căng, biến đổi lực căng thành tín hiệu

điện Tín hiệu này được chuyển thành thông tin hữu ích nhờ các thiết bị đo lường

Hình 1.17: Cấu tạo loadcell tương tự

như bộ chỉ thị Các thiết bị đo lường

hoặc bộ hiển thị khuyếch đại tín

hiệu điện đưa về, qua chuyển đổi

ADC, vi xử lý với phần mềm tích

hợp sẵn thực hiện tính toán chỉnh

định và đưa kết quả đọc được lên

màn hình Đa phần các thiết bị

hay bộ hiển thị hiện đại đều cho

phép giao tiếp với các thiết bị

ngoài khác như máy tính hoặc máy in

Những load cell này hoạt động trên nguyên lý cầu điện trở cân bằng cầu

Wheatstone Giá trị lực tác dụng tỉ lệ với sự thay đổi điện trở cảm ứng trong cầu điện trở, và do đó trả về tín hiệu

điện áp tỉ lệ Ưu điểm chính của

công nghệ này là xuất phát từ yêu

cầu thực tế, với những tham số xác

Tuy nhiên, khó khăn gặp phải

ngay từ buổi đầu của các hệ thống này là tín hiệu điện áp đầu ra của load cell rất nhỏ (thường không quá 30mV) Những tín hiệu nhỏ như vậy dễ dàng bị ảnh hưởng của nhiều loại nhiễu trong công nghiệp như:

Hình 1.16: Mô hình sử dụng Loadcell đo

lực căng băng vật liệu

Bộ bảo vệ giao tiếp bằng quang

Bộ lọc EMC

Bộ lọc EMC Giao tiếp

Nguồn điện

Hình 1.18: Cấu trúc loadcell số

- Nhiễu điện từ: Sinh ra bởi quá trình truyền phát các tín hiệu điện trong môi trường xung quanh, truyền phát tín hiệu vô tuyến điện trong không gian hoặc do quá trình đóng cắt của các thiết bị chuyển mạch công suất lớn

- Sự thay đổi điện trở dây cáp dẫn tín hiệu: Do thay đổi thất thường của nhiệt

độ môi trường tác động lên dây cáp truyền dẫn

Do đó, để hệ thống chính xác thì càng rút ngắn khoảng cách giữa load cell với thiết bị đo lường càng tốt Cách giải quyết thông thường vẫn dùng là giảm thiểu dung sai đầu ra của load cell Tuy nhiên giới hạn của công nghệ không cho phép vượt quá con số mong muốn quá nhỏ

Với khả năng có thể kết hợp giữa công nghệ điện tử hiện đại với các thành phần đo cơ bản, từ đó chế tạo nên

loại load cell số Mỗi load cell số

đơn giản cũng mang trong nó một

cấu trúc khá phức tạp Thứ nhất,

phải có một load cell cơ bản với

độ chính xác, độ ổn định và khả

năng lặp lại rất cao trong mọi điều

kiện làm việc Thứ hai, phải có

một bộ chuyển đổi tương tự-số

(ADC) 16 đến 20 bit tốc độ cao

để chuyển đổi tín hiệu điện tương

tự sang dạng số Thứ ba, phải có

hệ vi mạch xử lý để thực hiện

điều khiển toàn bộ quá trình

chuyển đổi từ tín hiệu lực đo được thành dữ liệu số thể hiện chính xác nhất và giao tiếp với các thiết bị khác để trao đổi thông tin Tín hiệu điện áp từ cầu điện trở của load cell chính xác cao được đưa đến đầu vào của mạch tích hợp sẵn, bao gồm cả phần khuyếch đại, bộ giải điều chế, một ADC tốc độ cao 20 bit và bộ lọc số Một cảm biến nhiệt độ tích hợp sẵn được sử dụng để đo nhiệt độ thực của load cell phục

vụ cho việc bù sai số do nhiệt độ Dữ liệu từ ADC, cảm biến nhiệt độ cùng với các thuật toán trong phần mềm và một số phần cứng bổ sung tích hợp sẵn có chức năng tối ưu hóa xử lý các sai số do không tuyến tính, bù sai đường đặc tính, khả năng phục hồi trạng thái và ảnh hưởng của nhiệt độ được vi xử lý tốc độ cao xử lý Dữ liệu kết quả đầu ra được truyền đi xa qua cổng giao tiếp theo một giao thức nhất định Các module điện tử này có thể được đặt ngay trong load cell, load cell cable hoặc trong hộp junction box Các đặc tính tới hạn của từng load cell được đặt trong EEPROM nằm trong module của load cell đó, điều đó cũng có nghĩa là mọi vấn đề

xử lý sai số được thực hiện ngay tại load cell, với chính load cell đó, cũng có nghĩa

là phép bù các sai số được thực hiện khá triệt để

Một số loại Load cell đang được sử dụng trong hệ thống quấn băng vật liệu giới thiệu ở bảng 1-1:

Bảng 1-1: Một số loại Loadcell điển hình dùng cho hệ thống đo lực căng

băng vật liệu

Đầu đo kiểu đầu gá:

Dùng cho các loại có khổ băng

rộng

Đầu đo kiểu hộp gá mỏng:

Dùng cho loại trục quay hoặc

trục cố định

Đầu đo kiểu ống trụ gá:

Dùng cho môi trường bẩn và

băng vật liệu có trọng lượng

lớn

Đầu đo kiểu gắn trục:

Dùng cho các loại trục quay

trung gian

Đầu đo kiểu gắn trục ròng

rọc:

Dùng cho các trục cố định

1.4 Mô hình phi tuyến của hệ thống tháo và quấn băng vật liệu:

Khảo sát hệ thống quấn băng vật liệu giấy có sơ đồ truyền động như hình 1.19

Để thuận lợi trong mô tả toán học và tính toán thì ta có một số giả định sau: giả sử toàn bộ dải băng vật liệu giấy là dạng vật liệu có sự đàn hồi lý tưởng Theo định luật Hook, sự biến dạng của dải băng được mô tả bằng lực căng và tuân theo định luật bảo toàn khối lượng; đồng thời dải băng cũng được mô tả qua mối quan hệ giữa lực căng và tốc độ Trong hệ thống tháo và quấn băng vật liệu, đường kính của các khâu tháo và quấn lại thay đổi liên tục, do đó giá trị của quán tính của trục quay cũng thay đổi theo đường kính Đường kính có thể được tính toán thông qua vận tốc góc; và nó được xác định theo định luật bảo toàn momen động lượng Có rất nhiều vấn đề ảnh hưởng đến hệ thống tháo quấn vật liệu này, do đó để đơn giản hóa cho

Tang (lô) tháo quấn

Hình 1.19: Khảo sát hệ thống tháo-quấn băng vật liệu điển hình

việc tính toán thì cần có các điều kiện giả định Giải sử đặc điểm của băng vật liệu trong hệ máy đang xét có đặc điểm sau:

- Vận tốc chuyển động của băng vật liệu là không đổi

- Dải vật liệu chuyển động là đồng chất và đồng nhất về tính vật lý

- Không có hiện tượng trượt giữa con lăn và băng vật liệu

- Loại biến dạng của băng vật liệu là biến dạng đàn hồi

- Bề dày của dải băng vật liệu không thay đổi

- Lực căng siết chặc từ cuộn tháo quấn ảnh hưởng không đáng kể

- Mômen cản do ma sát của khâu tháo quấn cũng không đáng kể

Ký hiệu các đại lượng vật lý của băng vật liệu như sau:

L độ dài đoạn băng vật liệu (m)

W bề rộng của đoạn băng vật liệu (m)

 khối lượng riêng của vật liệu (Kg/m3)

A tiết diện ngang của băng vật liệu (m2)

E hằng số co giản của vật liệu

 ứng suất kéo căng (N/m2)

Dựa vào các định luật vật lý để xác định mô hình truyền động hệ thống tháo và quấn băng vật liệu nhƣ sau:

- Theo định luật bảo toàn khối lƣợng, ta xét đoạn băng vật liệu từ tang tháo quấn đến tang quấn lại là:

Trong đó: T 0 là lực căng siết chặc ban đầu của cuộn tháo

Hệ số đàn hồi của dải băng:

EA K L

Trong quá trình hoạt động, sự thay đổi bán kính của tang quấn lại là hằng số và quán tính quay thay đổi theo bán kính này Mỗi lần quay thì độ dày của tang quấn tăng lên làm bán kính tăng Rút ra được:

- Phương trình trạng thái bán kính cuộn tháo là:

2

u u

u

hV d

R

Trong đó: Ru bán kính cuộn tháo, h là độ dày của băng vật liệu

- Phương trình trạng thái bán kính cuộn quấn lại là:

2

r r

r

hV d

R

Tang tháo quấn được điều khiển bằng momen, chuyển động quay của tang quấn lại được điều khiển bằng momen của động cơ Momen tổng của tang quấn lại

là bằng sự biến đổi của momen động lượng Rút ra được:

- Phương trình trạng thái của tốc độ là:

J u là quán tính của tang tháo quấn

H u là momen động lượng của tang tháo quấn,

K u là hằng số tỷ lệ tốc độ của động cơ tháo quấn

U u là tín hiệu đầu vào điều khiển khâu tháo quấn

D u là hệ số giảm sốc của dải băng

Vì hệ thống tháo quấn băng vật liệu có bán kính thay đổi liên tục cho nên momen quán tính phải được chỉnh định phù hợp, biểu thức quán tính của tang quay là:

212

Biểu thức xác định khối lƣợng m của băng vật liệu là:

2 w

Trong đó: h w là bề rộng của dải băng

Từ (1.4.11) và (1.4.12) ta có:

4 w

12

J 0 là quán tính của lõi tang quay (hằng số)

R 0 là bán kính của lõi tang quay (hằng số)

u u

u

w u u

( ) ( ) 4 2

r r

r

w r r

Vận tốc dài tang tháo (m/s):

2 2

r

hV R

V R

bề mặt phẳng tránh nhăn hay chùn trước khi đưa vào khâu xử lý; trong khâu xử lý tùy theo công nghệ thì có nhiều tiêu chí công nghệ phúc tạp như các loại máy in, máy cắt giấy, máy chia cuộn, máy xéo giấy…; sau khi qua khâu xử lý băng giấy được quấn trở lại thành các cuộn có kích thước và trọng lượng theo quy định, ở khâu quấn lại này tiêu chí quan trọng là vận tốc chuyển động của dãi băng được giữ

ổn định để năng suất máy ổn định

Với các tiêu chí kỹ thuật, khi xây dựng hệ truyền động và điều khiển cho hệ thống cần có mối liên hệ giữa các khâu trong hệ thống; từ đó khảo sát tìm ra mối quan hệ giữa sức căng, mômen, tốc độ quay, và đường kính của các tang cuộn; các đại lượng này có quan hệ phi tuyến phức tạp làm cho hệ thống điều khiển phức tạp