Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo trung tâm điều khiển định lượng và cấp phối, chuyên dùng cho hệ thống 4 cân công nghiệp, ứng dụng trong sản xuất vật liệu xây dựng

t

BỘ CÔNG THƯƠNG
VIỆN MÁY VÀ DỤNG CỤ CÔNG NGHIỆP





BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI
MÃ SỐ: 176.09RD/ HĐ-KHCN

Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO
TRUNG TÂM ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH LƯỢNG VÀ CẤP PHỐI,
CHUYÊN DÙNG CHO HỆ THỐNG 4 CÂN CÔNG NGHIỆP ỨNG
DỤNG TRONG SẢN XUẤT VẬT LIỆU XÂY DỰNG


CƠ QUAN CHỦ TRÌ CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI





ThS. PHAN ANH DŨNG



7751
02/3/2010

Hà Nội, tháng 12/2009

2

BÁO CÁO TÓM TẮT TÌNH HÌNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP BỘ NĂM 2009
1. Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo trung tâm điều khiển định lượng và
cấp phối, chuyên dùng cho hệ thống 4 cân công nghiệp ứng dụng trong sản xuất

vật liệu xây dựng.
2. Chủ nhiệm đề tài: ThS. Phan Anh Dũng
3. Thời gian thực hiện đề tài: Từ 01/01/2009 đến 30/11/2009
4. Nội dung và k
ết quả đạt được
Sau thời gian nghiên cứu và triển khai đề tài, nhóm nghiên cứu đã thực
hiện được các công việc sau:
+ Thu thập, tìm tài liệu, nghiên cứu về thiết bị và công nghệ, khảo sát các
thiết bị cùng loại của nước ngoài.
+ Nghiên cứu, lựa chọn xây dựng cấu hình thiết bị phù hợp với điều kiện
sản xuất, ứng dụng tại Việt nam.
+ Nghiên cứu, thiết k
ế tổng thể nguyên lý và công nghệ cho hệ thống
đồng bộ.
+ Thiết kế mạch nguyên lý các mô đun chức năng.
+ Thiết kế phần mềm hệ thống.
+ Thiết kế chế tạo hệ thống phát đa nhiễu công nghiệp và thiết bị mô
phỏng động.
+ Thiết kế mạch in và các giao diện lắp ráp cho hệ thống.
+ Lắp ráp linh kiện, nạp phần mềm cho từng cụm thiế
t bị.
+ Lắp ráp tổng thể thiết bị .
+ Khảo nghiệm đánh giá chất lượng của hệ thống.
+ Hoàn thiện thiết kế nguyên lý, thiết kế mạch in, phần mềm xử lý và quy
trình lắp ráp sản phẩm.
5. Tài chính
Kinh phí của đề tài đã được sử dụng hết phục vụ cho công tác khảo sát
nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và hoàn thiện sản phẩm. Kinh phí sử dụng theo
đ
úng quy định của nhà nước.

3
6. Kiến nghị
Nhóm thực hiện đề tài đã thực hiện đúng các yêu cầu của đề tài đã đăng
ký, các nội dung công việc về khảo sát, thiết kế, chế tạo và hoàn thiện sản phẩm.
Hiện nay các nội dung cơ bản của đề tài đã được hoàn thành. Đề nghị cho
phép báo cáo nghiệm thu đề tài.


Chủ nhiệm đề tài




ThS.Phan Anh Dũng

4

DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN CHÍNH

S
TT Họ và tên Học hàm, học vị, chuyên môn Cơ quan
1 Phan Anh Dũng Thạc sỹ Điện tử - Viễn thông
Chủ nhiệm đề tài
Viện Máy và DCCN
2 Phạm Văn Thanh Kỹ sư Điện tử - Viễn thông Viện Máy và DCCN
3 Lê Hoàng Hải Kỹ sư tự động hoá Viện Máy và DCCN
4 Phạm Văn Bỉnh Kỹ sư Điện tử - Viễn thông Viện Máy và DCCN
5 Trần Như Hiếu Kỹ sư cơ khí Viện Máy và DCCN
6 Nguyễn Hữu Vĩnh Kỹ sư Công nghệ thông tin Viện Máy và DCCN
7 Nguyễn Văn Đông Kỹ sư Điện tử - Viễn thông Viện Máy và DCCN
8 Nguyễn Tuấn Linh Kỹ sư cơ khí Viện Máy và DCCN
9 Ngô Xuân Cường Kỹ sư Điện tử - Viễn thông Viện Máy và DCCN
10 Trịnh Công Dũng Kỹ sư Điện tử - Viễn thông Viện Máy và DCCN

5
MỤC LỤC

Hạng mục Trang
Lời nói đầu 6
Phần 1: Tổng quan công nghệ chế tạo trung tâm điều khiển
định lượng và cấp phối 8
1. Công nghệ điều khiển định lượng và cấp phối 8

2. Tình hình nghiên cứu ở trong nước và ngoài nước 9
3. Một số thiết bị đo lường và điều khiển đang được sử dụng 11
Phần 2: Nội dung nghiên cứ
u của đề tài 14
1. Lựa chọn cấu hình thiết bị phù hợp điều kiện Việt Nam 14
2. Thiết kế tổng thể trung tâm điều khiển 16
3. Thiết kế mạch nguyên lý các mô đun 17
4. Thiết bị mô phỏng và tạo nhiễu 26
5. Phần mềm điều khiển hệ thống 28
6. Ứng dụng trung tâm điều khiển trong điều khiển hoạt động
trạm tr
ộn bê tông 30
7. Quy trình chế tạo thiết bị 30
Phần 3: Kết quả thực tế 34
1. Kết quả nghiên cứu chế tạo 34
2. Kết quả thử nghiệm hiện trường 35
Phần 4: Kết luận và kiến nghị 43

Phụ lục 1: Sơ đồ mạch in các mô đun 44
Phụ lục 2: Mã nguồn phần mềm điều khiển hệ thống 51

6


LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời gian qua, cùng với sự phát triển của đất nước, các sản phẩm cơ
điện tử công nghệ cao có mặt ở khắp mọi nơi. Đặc biệt là trong các công trình
xây dựng và giao thông.
Ban đầu, các sản phẩm này được nhập nguyên bộ từ nước ngoài, mà chủ
yếu là từ châu Âu. Sự có mặt của những sản phẩm này đã làm thay đổi cơ bản
phương thức và năng suất củ
a công việc xây dựng, góp phần quan trọng cho
thành công ban đầu của nền công nghiệp hoá, hiện đại hoá mà chúng ta đang
xây dựng.
Sau một thời gian nghiên cứu các sản phẩm của nước ngoài, chúng ta đã
từng bước nội địa hoá sản phẩm và đã có nhiều thành công ban đầu, đó là thiết
kế chế tạo hầu hết các thành phần cơ khí, thiết kế chế tạo toàn bộ các hệ thống
điện, Việ
t hoá các phần mềm đo lường điều khiển và lưu giữ dữ liệu.
Phần điều khiển tự động cũng có nhiều thành tựu tích cực. Trên cơ sở sử
dụng máy tính công nghiệp, PLC, hoặc các bộ điều khiển đơn giản của nước
ngoài, chúng ta đã xây dựng được các hệ thống điều khiển có tính chính xác cao,
ổn định không thua kém các sản phẩm của các nướ
c phát triển.
Tuy nhiên, do nhu cầu nội địa hoá ngày càng tăng cùng với sự phát triển
về trình độ điện tử và tự động hoá trong nước nên chúng ta luôn luôn mong
muốn xây dựng các hệ thống điều khiển được chế tạo hoàn toàn trong nước.
Với mong muốn trên cùng kinh nghiệm trong lĩnh vực điều khiển và cấp

phối, chúng tôi đã quyết định lựa chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế t
ạo
trung tâm điều khiển định lượng và cấp phối, chuyên dùng cho hệ thống 4
cân công nghiệp ứng dụng trong sản xuất vật liệu xây dựng”.
Mục đích của đề tài là sử dụng vi điều khiển và các linh kiện phụ trợ để
xây dựng một hệ thống đo lường điều khiển và cấp phối được sản xuất hoàn toàn
tại Việt Nam như sau:
+ Nghiên cứu, thiết kế hoàn chỉnh 01 trung tâm điều khiển định lượng và
cấp phối, chuyên dùng cho hệ thống 4 cân công nghiệp.
+ Chế tạo hoàn chỉnh 01 hệ thống điều khiển hoạt động cho trạm trộn bê
tông đa thành phần: định lượng 4 cân đồng thời và có thể mở rộng; điều khiển

7
hoạt động tự động của hệ thống cân công nghiệp trong sản xuất vật liệu xây
dựng.
Vì thời gian có hạn nên không thể tránh khỏi những sai sót nhất định,
chúng tôi rất mong nhận được các ý kiến đóng góp chân tình để đề tài ngày càng
hoàn thiện hơn, có tính thực tế cao hơn, góp phần nâng cao khả năng nội địa hoá
các sản phẩm cơ điện tử cũng như góp phần nâng cao trình độ nhóm ngành đ
iện
tử công nghiệp tại Việt nam.
Nhóm đề tài xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ cũng như những ý kiến
đóng góp của Lãnh đạo Viện, lãnh đạo Trung tâm và các đồng nghiệp trong quá
trình thực hiện đề tài.
Hà nội, ngày 02 tháng 12 năm 2009
TM Nhóm đề tài
Chủ nhiệm đề tài

ThS. Phan Anh Dũng


















8
Phần 1
TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO TRUNG TÂM ĐIỀU
KHIỂN ĐỊNH LƯỢNG VÀ CẤP PHỐI

1. Công nghệ điều khiển định lượng và cấp phối
Việc điều khiển định lượng và cấp phối các vật liệu xây dựng đã được
chuyển đổi từ cơ sang điện tử hiển thị số trong một khoảng thời gian dài. Nhờ
đồng hồ hiển thị số và phần mềm điều khiển chuyên dụng, khối lượng vậ
t liệu

xây dựng được xác định một cách khá chính xác khi định lượng.
Khi một hệ thống cần sử dụng nhiều vật liệu xây dựng hoặc một hệ thống
cần điều khiển định lượng và cấp phối nhiều thành phần, hệ thống đó phải có
một trung tâm điều khiển chung. Các hãng sản xuất thiết bị ở các nước khác
nhau đã nghiên cứu chế
tạo các trung tâm điều khiển khác nhau.
Về mặt công nghệ, một hệ thống đo lường điều khiển định lượng thường
có các chức năng sau:
+ Nhận tín hiệu tương tự từ các cảm biến cân, chuyển thành tín hiệu số để
xác định giá trị cân.
+ Nhận tín hiệu từ các cảm biến số, chuyển đổi tín hiệu về dạng tín hiệu
số phù hợp cho vi
ệc xử lý.
+ Điều khiển các tín hiệu đầu ra ở mức điện áp phù hợp cho việc định
lượng cân chính xác.
+ Nhận dữ liệu nhập theo yêu cầu của người dùng.
+ Hiển thị thông tin trạng thái.
+ Truyền tín hiệu về máy tính cho việc thu thập và xử lý dữ liệu.
Ngoài ra, một hệ thống phối hợp điều khiển nhiều thành phần còn có bộ
điều khiển logic chung, phố
i hợp sự hoạt động nhịp nhàng của hệ thống, việc
thiết kế phần cứng cũng như phần mềm của các mô đun tạo nên sự linh hoạt
trong việc đáp ứng các nhu cầu khác nhau của các hệ thống điều khiển định
lượng.
Các trung tâm điều khiển có thể ở một trong các dạng sau:
+ Sử dụng máy tính kết hợp các mô đun thu thập xử
lý dữ liệu cho việc
điều khiển chung.
+ Sử dụng PLC kết hợp với các mô đun I/O và ADC, DAC cho việc quản
lý dữ liệu và điều khiển.

9
+ Sử dụng vi điều khiển chế tạo các trung tâm điều khiển định lượng và
cấp phối chuyên dụng.
+ Sử dụng kết hợp máy tính và các mô đun vi điều khiển cho việc quản lý
điều khiển hệ thống.
Trong đó, việc sử dụng vi điều khiển chế tạo các trung tâm điều khiển
định lượng và cấp phối có tính kinh tế cao, độ ổ
n định tốt và khả năng mở rộng
dễ dàng được nhiều hãng lựa chọn như là một giải pháp tối ưu.
2. Tình hình nghiên cứu ở trong nước và ngoài nước
Tại các nước công nghiệp phát triển đã chế tạo các trung tâm điều khiển
định lượng và cấp phối. Các hãng này đã chế tạo ra các trung tâm điều khiển
định lượng và cấp phối có tính năng tốt và độ linh hoạt cao. Tuy nhiên, giá thành
các b
ộ thiết bị này khá cao, khi đưa về sử dụng trong điều kiện khí hậu khắc
nghiệt của Việt Nam thì vẫn có một số sai hỏng mà nhà sản xuất không lường
đến.
Việc nhập khẩu một loạt các trạm trộn bê tông tươi và trạm trộn bê tông
nhựa những năm giữa thập kỷ 90 đã đem lại sự thay đổi lớn trong việc định
lượng và cấ
p phối, cho phép nâng cao năng lực sản xuất, năng suất và độ chính
xác lên rất nhiều lần. Cùng với đó, các công trình xây dựng, giao thông đòi hỏi
khối lượng vật liệu lớn được tiến hành nhanh hơn, tốt hơn.
Ngoài các trạm trộn bê tông tươi và trạm trộn bê tông nhựa thì các hệ
thống điều khiển cân đóng bao xi măng, đóng bao đạm, cũng rất cần được
điều khiển t
ự động. Tuy nhiên, do các hệ thống đó có số lượng nhỏ so với các hệ
thống trạm trộn bê tông tươi và trạm trộn bê tông nhựa nên ít được phát triển.
Cho đến đầu thế kỷ 21, một số nhà máy đóng bao còn sử dụng phương pháp

đóng thủ công, các công nhân cho vật liệu vào bì rồi cho lên cân để kiểm tra lại
trước khi đóng bao.
Để thực hiện tự động quá trình định lượng, trộn lẫn vậ
t liệu hay đóng gói
bao bì, ngoài hệ thống cơ khí phù hợp, cần thiết phải có hệ thống điều khiển
định lượng và cấp phối chuyên dùng.
Ban đầu, khi bán các hệ thống định lượng, các hãng nước ngoài bán kèm
các thiết bị điều khiển định lượng chuyên dùng của họ. Ví dụ: BUCODAT2,
BUCODAT3, WLC2, EM321, . Trong giai đoạn đầu chế tạo phần cơ khí của
các hệ thống định lượng, chúng ta vẫn phả
i nhập ngoại các thiết bị điều khiển
định lượng chuyên dùng đó.

10
Sau giai đoạn làm quen với các thiết bị điều khiển định lượng chuyên
dùng của các nước tiên tiến, cùng với sự phát triển của công nghệ trong nước,
chúng ta đã tiến hành nghiên cứu chế tạo thiết bị điều khiển định lượng chuyên
dùng. Kết quả là một số thiết bị điều khiển định lượng chuyên dùng sử dụng cho
các trạm trộn bê tông tươi, các trạm tr
ộn bê tông nhựa nóng, các hệ thống cân
đóng bao, đã được nghiên cứu chế tạo. Một số đơn vị nghiên cứu sử dụng
máy tính công nghiệp kết hợp các mô đun thu thập xử lý dữ liệu cho việc điều
khiển định lượng và cấp phối hay sử dụng PLC để lập trình điều khiển hệ thống.
Ngoài ra, cũng có những đơn vị mua bộ điều khi
ển định lượng rời của nước
ngoài rồi xây dựng các hệ thống kết nối các thiết bị lại với nhau, cùng với các
mô đun thu nhận dữ liệu để thực hiện việc điều khiển định lượng và cấp phối.
Sự chủ động về mặt công nghệ đo lường điều khiển trong các thiết bị này giúp
chúng ta không bị phụ thuộc vào phầ
n mềm nước ngoài quá nhiều, thuận tiện

cho quá trình làm việc cũng như bảo hành bảo dưỡng.
Các thiết bị phần cứng đã nhập về để thiết kế chế tạo các thiết bị điều
khiển định lượng gồm: Máy tính công nghiệp, PLC S7-200, S7-300, K3MA,
K3HB, Các hệ thống chúng ta sản xuất trên cơ sở các phần cứng đó phần nào
đã đáp ứng nhu cầu kỹ thuật v
ề các hệ thống định lượng hiện nay tại Việt Nam.
Dù vậy, các thiết bị này vẫn còn một hạn chế cơ bản, là dựa quá nhiều vào phần
cứng nhập khẩu từ nước ngoài, ảnh hưởng đến giá thành cũng như khả năng bảo
hành bảo dưỡng cho người sử dụng.
Các đơn vị đã có nhiều thời gian nghiên cứu theo các hướng trên là Công
ty Cổ phần xây dựng và thi
ết bị công nghiệp CIE, Công ty 1-5, Viện Điện tử -
tin học, Viện Khoa học Giao thông vận tải Đặc biệt là Viện máy và Dụng cụ
công nghiệp là một trong những đơn vị đi đầu trong cả nước trong lĩnh vực cơ
điện tử, đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng phối hợp giữa các ngành cơ khí, tự
động hóa, tin học và điện tử, đã tiến hành nghiên cứ
u rất nhiều trong lĩnh vực
này.
Xuất phát từ tính kinh tế, ổn định và khả năng tùy biến linh hoạt của các
trung tâm điều khiển định lượng và cấp phối sử dụng vi điều khiển, Viện IMI
tiến hành nghiên cứu chế tạo các Trung tâm điều khiển định lượng và cấp phối,
chuyên dùng cho hệ thống 4 cân công nghiệp ứng dụng trong sản xuất vật liệu
xây dự
ng nhằm thay thế các hệ thống nhập ngoại, đảm bảo tính linh hoạt khi sử
dụng sản phẩm, thuận tiện cho việc bảo hành bảo trì và tiết kiệm ngoại tệ cho
đất nước.

11
3. Một số thiết bị đo lường và điều khiển đang được sử dụng
3.1. Bộ điều khiển định lượng BUCODAT 2

Nước sản xuất: Đức
Đây là thiết bị được sử dụng rộng rãi ở Việt nam hiện nay.
Các tính năng cơ bản:
+ Sử dụng vi điều khiển EF6809
+ Tần số thạch anh 3,6864MHz
+ Điều khiể
n định lượng 2 cân.
+ Độ chính xác ADC: 12 bit
+ Tín hiệu đầu vào: tín hiệu khởi động cân 1, cân 2.
+ Các trạng thái đầu ra cho mỗi cân: EMPTY, COARSE, FINE, PAUSE,
PE, TOL+, STOP. Tổng số đầu vào ra là 20.
+ Hiển thị dữ liệu bằng 02 màn hình LCD 2 x 20.
+ Giao tiếp máy tính cho thu thập và quản lý dữ liệu
Đây là bộ điều khiển định lượng dùng vi điều khiển, có tốc độ làm việc
khá cao, điều khiển định lượng nhanh và chính xác. Có khả năng điều khiể
n
định lượng 02 cân, nhưng nó chỉ điều khiển được độc lập, không có khả năng
phối hợp điều khiển hai cân. Ngoài ra, việc khởi động hệ thống cân cũng phải
nhờ hệ thống ngoài mà không tự khởi động khi đã có đủ các điều kiện khởi
động.
Về mặt kỹ thuật, thiết bị này sử dụng một vài linh kiện dán nên trong điề
u
kiện ẩm, bụi, rung khi sử dụng tại Việt Nam, linh kiện này nhanh chóng hỏng và
khiến cho việc kết nối máy tính bị gián đoạn.
Khi sử dụng BUCODAT2, có thể kết hợp thêm 01 PLC để điều khiển
logic của trạm. Với sự kết hợp này, trạm hoạt động rất ổn định và tin cậy. Tuy
nhiên, chi phí để mua thiết bị phần cứng khá cao, tăng chi phí đầu vào của hệ
th
ống.
3.2. Thiết bị điều khiển mẻ BC-52P

Nước sản xuất: Mỹ
Các tính năng cơ bản:
+ Điều khiển định lượng 1 cân.
+ Hiển thị dữ liệu bằng 01 màn hình LED.
+ Giao tiếp máy tính cho thu thập và quản lý dữ liệu
+ Số đầu vào ra: 7

12
Thiết bị này chỉ điều khiển mẻ cho 01 cân nên để mở rộng số lượng cân,
phải cần nhiều bộ hiển thị và kết hợp PLC hoặc các hệ thống logic khác đảm bảo
sự hoạt động đồng bộ của cả hệ thống.
3.3. Hệ thống điều khiển dùng PLC
Nước sản xuất: Việt Nam
Các tính năng cơ bản:
+ Đi
ều khiển định lượng 3 cân.
+ Độ chính xác ADC: 32000 vạch
+ Tín hiệu đầu vào: các tín hiệu trạng thái.
+ Các trạng thái đầu ra cho mỗi cân: Điều khiển các đầu ra hệ thống trạm
trộn.
+ Tổng số đầu vào ra: 48. Vào ra dạng rơ le On/Off.
+ Hiển thị dữ liệu bằng 01 màn hình LCD 4 hàng.
+ Giao tiếp máy tính cho thu thập và quản lý dữ liệu.
Đây là một hệ thống khá ổn định và có giá cả vừa phải. Các mô đun đượ
c
tách rời thuận tiện cho việc mở rộng hệ thống. Tuy vậy, khả năng xử lý dữ liệu
tương tự chậm khiến cho độ chính xác khi định lượng của hệ thống không cao.
Ngoài ra, việc phụ thuộc hoàn toàn vào phần cứng và thậm chí cả phần mềm lập
trình nhập ngoại cũng ảnh hưởng đến khả năng sửa chữa, bảo hành bảo dưỡng
và tố

n khá nhiều ngoại tệ để mua thiết bị.
3.4. Máy tính công nghiệp kết hợp các mô đun thu thập xử lý dữ liệu
Nước sản xuất: Việt Nam
Các tính năng cơ bản:
+ Điều khiển định lượng 3-4 cân.
+ Độ chính xác ADC: 12 bít.
+ Tín hiệu đầu vào: các tín hiệu trạng thái.
+ Các trạng thái đầu ra cho mỗi cân: Điều khiển các đầu ra hệ thống trạm
trộn.
+ Tổng số đầu vào ra: 64. Vào ra dạ
ng rơ le On/Off.
+ Hiển thị dữ liệu bằng 01 màn hình máy tính.
+ Sử dụng máy tính công nghiệp cho thu thập và quản lý dữ liệu.
Hệ thống này đảm bảo khả năng linh hoạt rất cao, tốc độ xử lý nhanh, dễ
dàng mở rộng cấu trúc hệ thống bởi phần mềm trên máy tính. Các đầu vào ra
được chia thành các mô đun và được chế tạo đồng loạt.

13
Việc sử dụng máy tính vừa có chức năng đo lường điều khiển vừa có chức
năng thu thập xử lý dữ liệu giúp hệ thống điều khiển được ở tốc độ cao, khả
năng lưu giữ dữ liệu tốt, không xảy ra hiện tượng nhiễu đường truyền. Do đó,
đảm bảo dữ liệu luôn đầy đủ khi tiến hành đi
ều khiển tự động.
Tuy nhiên, hệ thống này cũng có hai nhược điểm chính sau:
+ Giá thành: giá của 01 bộ máy tính công nghiệp rất cao và hoàn toàn phụ
thuộc của nước ngoài. Khi sửa chữa khá tốn kém, ảnh hưởng đến khách hàng.
+ Công nghệ: việc chế tạo các rãnh giao tiếp giữa máy tính và các mô đun
được thực hiện trong nước, chất lượng không đảm bảo. Do đó, trong quá trình
hoạt động, hệ thống có thể mất ổn định do các l
ỗi tiếp xúc.

Tổng kết:

Qua tìm hiểu một vài thiết bị nếu trên, có thể rút ra một số đặc điểm cần
phải có đối với một hệ thống đo lường điều khiển và cấp phối để đảm bảo khả
năng kỹ thuật và kinh tế. Đó là:
+ Có khả năng định lượng 3- 4 thành phần.
+ Có khả năng kết nối máy tính.
+ Độ ổn định cao: khả n
ăng chống nhiễu điện và nhiễu rung tốt.
+ Tính chủ động trong sửa chữa, lắp đặt tốt.
+ Chia thành các mô đun thuận tiện cho việc mở rộng hệ thống.
+ Giá thành phù hợp.














14

PHẦN 2
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

1. Lựa chọn cấu hình thiết bị phù hợp điều kiện Việt Nam
Để chế tạo một hệ thống phù hợp điều kiện Việt Nam, cần nghiên cứu
một số đặc trưng về môi trường và công nghệ tại nước ta.
1.1. Môi trường sử dụng thiết bị
Khác với thiết bị được sử dụng tại các nước phát triển, thiết bị
được sử
dụng tại Việt Nam phải chịu đựng môi trường làm việc khá khắc nghiệt. Đó là:
+ Độ ẩm lớn
+ Hoá chất ăn mòn nhiều (ví dụ: hơi mặn từ biển).
+ Độ rung lớn: do kết cấu cơ khí không hoàn toàn vững chắc.
+ Điện cấp không ổn định
+ Nhiễu lớn: nhiều thiết bị cùng được sử dụng ở một nơi, trong khi m
ỗi
thiết bị đều gây ra nhiễu rung, nhiễu điện khá cao.
1.2. Đặc điểm công nghệ
+ Công nghệ thiết kế phần mềm điều khiển: nhờ việc ứng dụng các hệ
thống điều khiển trong một khoảng thời gian khá dài nên chúng ta đã nắm được
các nguyên lý thiết kế cơ bản cho các hệ thống điều khiển định lượng.
+ Công nghệ chế
tạo mạch in: một số công ty đã nhập về các máy móc
chế tạo mạch in hiện đại, có thể chế tạo mạch in nhiều lớp.
+ Công nghệ hàn: hiện nay trình độ hàn linh kiện khá cao với sự trợ giúp
đắc lực của các mỏ hàn mũi nhỏ nhưng nhiệt độ cao.
+ Công nghệ đo kiểm: với sự trợ giúp của các thiết bị đo kiểm có độ chính
xác cao như ô xy lô, đồng h
ồ vạn năng, việc kiểm tra độ chính xác các thiết bị
được thực hiện khá dễ dàng.
1.3. Cấu hình thiết bị phù hợp tại Việt Nam
Hiện nay, một trong các sản phẩm định lượng và cấp phối được sử dụng
nhiều nhất là các trạm trộn bê tông tươi với 3 cân vật liệu cần định lượng là cốt

liệu, xi măng, nước, mỗi cân có thể có 2 hoặc 4 thành phần; các trạ
m trộn bê
tông nhựa nóng với 4 cân vật liệu; các cân đóng bao với 4 hay 8 cửa. Ngoài ra,
một số trạm trộn bê tông tươi sử dụng thêm cân phụ gia. Tất cả các hệ thống

15
định lượng trên đều yêu cầu phải làm việc đồng bộ với độ phân giải ADC của
các cân là 10-12 bit.
Cấu hình lựa chọn cho trung tâm điều khiển định lượng và cấp phối
như sau:
+ Dùng vi xử lý cho việc đo lường điều khiển hệ thống.
+ Hệ thống được chia thành nhiều mô đun nhỏ có các tính năng khác
nhau. Thuận tiện cho việc mở rộng, kiểm tra, thay thế các mô đun.
+
Điều khiển toàn bộ hệ thống bao gồm cả điều khiển định lượng và điều
khiển logic hệ thống.
+ Có khả năng định lượng tối thiểu 4 thành phần. Tín hiệu cân đưa về có
thể ở dạng áp, hoặc dạng xung. Độ phân giải ADC là 12 bit, hoặc có thể là 10 bit
(của VĐK PIC) với những thành phần không cần độ chính xác quá cao.
ICL7109 là một IC chuyển đổi ADC theo phương pháp tích phân 2 s
ườn
dốc, hạn chế nhiều xung khá tốt nên được lựa chọn làm linh kiện ADC cho mô
đun điều khiển cân.
+ Các mô đun xử lý tín hiệu tương tự được chia thành các nhóm xử lý 02
thành phần. Do vậy có thể mở rộng trong trường hợp yêu cầu 06 thành phần, 08
thành phần, hoặc cao hơn nữa.
+ Số đầu vào ra là 32 hoặc hơn, đảm bảo khả năng linh hoạt khi mở rộng
các thành phần của hệ
thống.
+ Có khả năng phối hợp điều khiển hệ thống định lượng nhằm cung cấp

một quá trình đo lường điều khiển kín cho hệ thống định lượng cấp phối.
+ Có khả năng kết nối máy tính, đảm bảo cho việc thu thập dữ liệu và
quản lý dữ liệu.
1.4. Lựa chọn công nghệ và thiết bị cho đề tài
- Lựa chọn vi
điều khiển: Hiện nay có nhiều dòng vi điều khiển khác nhau
như họ 8051, AVR, PIC, PSOC, Lựa chọn dòng PIC vì các lý do sau:
+ Độ ổn định cao, khả năng chống nhiễu tốt.
+ Có nhiều tính năng tiên tiến như ADC 10 bit, 3 timer, ngắt
+ Có khả năng kết nối USB với máy tính.
+ Phần mềm hỗ trợ lập trình, mô phỏng đầy đủ, dễ sử dụng.
+ Mạch nạp dễ chế tạo, nhỏ gọ
n, dễ mang đi thử nghiệm.

16
- Lựa chọn loại linh kiện: các linh kiện được chọn là linh kiện chân cắm,
có khoảng cách chân khá rộng, đảm bảo không bị chập cháy khi muốn cho dây
dẫn chạy ở giữa.
- Lựa chọn phương pháp thiết kế mạch in: mạch in thiết kế có đường
mạch không nhỏ hơn 0,3 mm, đảm bảo mạch không bị đứt khi thuê gia công.
- Lựa chọn phương pháp kết nối: dùng chuẩn giao tiếp RS-485 giữa các
mô đun nh
ằm đảm bảo việc mở rộng các mô đun được dễ dàng, từ đó dễ dàng
nâng cấp hệ thống lên nhiều thành phần.
Dữ liệu được kết nối giữa trung tâm điều khiển với máy tính qua cổng
COM thông qua bộ chuyển đổi RS-232/RS-485.
- Lựa chọn tốc độ truyền và khung truyền dữ liệu: dữ liệu được truyền qua
cổng COM tại tốc độ 9600 kb/s và định d
ạng của khung truyền là 9600, N, 8, 1.
Định dạng này được dùng cho cả truyền thông tin giữa các mô đun với nhau

cũng như giữ các mô đun với PC. Trong trường hợp cần mở rộng hệ thống lên
nhiều mô đun tương tự, ta có thể thay đổi tốc độ đường truyền lên 19.200 kb/s
để đảm bảo tốc độ truyền.
2. Thiết kế tổng thể trung tâm điều khiển
Sơ đồ khố
i của hệ thống được mô tả trong Hình 1:

















Trong đó:


Mô đun
điều khiển
trung tâm
Mô đun

hiển thị
Mô đun
Bàn phím


Mô đun điều
khiển cân


Mô đun điều
khiển logic
Mô đun
truyền thông
Mô đun
Nguồn
H
ình 1: Sơ đồ khối trung tâm điều khiển định lượng

17
+ Mô đun điều khiển: là mô đun có chức năng điều khiển chung, phối hợp
logic sự hoạt động của các mô đun khác như mô đun điều khiển logic, mô đun
cân, mô đun hiển thị, bàn phím,
+ Mô đun cân: là mô đun có các tín hiệu đầu vào tương tự, đầu vào khởi
động cân, các đầu ra là các tín hiệu số điều khiển cân. Để thực hiện chức năng
đó thì mô đun này cầ
n có các bộ khuyếch đại và các bộ chuyển đổi ADC với độ
ổn định cao, đồng thời cần vi điều khiển và các bộ dồn kênh, phân kênh cho việc
thu nhận dữ liệu.
Trung tâm điều khiển có từ 02 đến 04 mô đun này, mỗi mô đun điều
khiển định lượng của 02 cân.

+ Mô đun điều khiển logic: là mô đun kết hợp các đầu ra của các mô đun
cân và các tín hiệu đầ
u vào trạng thái khác để điều khiển quá trình hoạt động
logic bên ngoài hệ thống.
+ Mô đun truyền thông: có nhiệm vụ tạo đường truyền vật lý cho việc kết
nối giữa các mô đun khác. Mô đun này dùng chuẩn truyền thông RS-485 và bộ
bộ chuyển đổi RS-232/RS-485 để đồng bộ thông tin truyền trên bus.
Đây là một mô đun phân tán, các thành phần con của mô đun này có thể
được ghép vào các mô đun khác và coi như là một thành phần của các mô đun
khác.
+ Mô đun bàn phím: các dữ liệu, thông số hệ thống và các thông số định
mức của người dùng được nhập qua mô đun này.
+ Mô đun hiển thị: hiển thị trạng thái, giá trị các cân, trạng thái thiết bị,
công thức, số mẻ,
+ Mô đun nguồn: cung cấp nguồn đầy đủ cho các mô đun khác. Từ nguồn
đầu vào 220 Vac, qua mô đun này chuyển thành các nguồn 24Vdc, ±12Vdc,
±5Vdc có độ ổn định cao và dòng lớn.
Ngoài các mô đun trên, hệ thống c
ần các mạch nạp dữ liệu, các mô đun
mô phỏng hệ thống ngoài, mô đun tạo nhiễu kiểm tra hệ thống,
3. Thiết kế mạch nguyên lý các mô đun
Các mô đun cần thiết kế bao gồm:
+ Mô đun điều khiển trung tâm.
+ Mô đun điều khiển cân.
+ Mô đun điều khiển logic.
+ Mô đun truyền thông.
+ Mô đun bàn phím.
+ Mô đun nguồn.

18

Sơ đồ mạch nguyên lý các mô đun được mô tả trong các Hình 2 đến Hình
7. Trong một vài trường hợp, các mô đun con của mô đun truyền thông được
ghép nối các mô đun khác và được vẽ chung trong một hình.
3.1. Mô đun điều khiển trung tâm
Sơ đồ nguyên lý được mô tả trong Hình 2:
Hoạt động:
Khi bật nguồn, mô đun điều khiển trung tâm điều khiển hiển thị các giá trị
trạng thái các cân, khối lượng cân, trạng thái s
ố mẻ định mức, thực tế, Giao
tiếp giữa trung tâm điều khiển với mô đun hiển thị được thực hiện qua 02 jắc
cắm 14 chân LCD1 và LCD2.
Mô đun điều khiển trung tâm giám sát sự ấn phím được gửi về từ mô đun
bàn phím và thực hiện các chức năng xử lý dữ liệu tương ứng. Trên mô đun điều
khiển có mạch chống rung chống nẩy phím. Giao ti
ếp giữa trung tâm điều khiển
với mô đun bàn phím được thực hiện qua jắc cắm 5 chân BPHIM.
Cụm mạch truyền thông với linh kiện chủ yếu là Max485 có nhiệm vụ
truyền các dữ liệu cân, các thông số làm việc và quá trình cài đặt từ mô đun điều
khiển về các mô đun con. Trong quá trình làm việc, dữ liệu cân được cập nhật
thường xuyên từ các mô đun cân về mô đun điều khiển trung tâm
để hiển thị lên
màn hình theo dõi.
Mô đun điều khiển trung tâm với thành phần chính là vi điều khiển
PIC18F4550 có các tính năng sau:
+ Gồm 5 cổng vào ra với tối đa 35 chân I/O

+ Có 4 timer, cho phép xây dựng 4 luồng điều khiển độc lập.
+ Hỗ trợ 3 ngắt ngoài
+ Tần số làm việc: lên tới 48MHZ
+ Bộ nhớ flash: 32K

+ Bộ nhớ Ram: 2048 Byte
+ Cổng giao tiếp USB V2.0
+ Bộ nhớ flash ghi/xoá 100.000 lần
+ Dữ liệu lưu được 40 năm.
Mô đun điều khiển trung tâm kết nối dữ liệu từ các mô đun khác thông
qua mạch truyền thông Max485 và truyền dữ liệu về máy tính qua mạch giao
ti
ếp 232/485.
Khi kết nối với mô đun điều khiển cân, các dữ liệu được truyền xuống
gồm có các thông tin sau:
+ Yêu cầu chuyển trạng thái của mô đun cân khi bấm bàn phím.

20
+ Yêu cầu lưu các dữ liệu cân được nhập vào từ bàn phím.
+ Yêu cầu và nhận về các thông tin về số liệu cân và trạng thái ở chế độ
hoạt động bình thường.
Khi kết nối với mô đun điều khiển logic, các dữ liệu được truyền xuống
bao gồm:
+ Các thông số đặt thời gian.
+ Các thông số hệ thống.
Các thông số cân cần xác định là:
+ Khối lượng các cân
+ Trạng thái cân tươ
ng ứng.
3.2. Mô đun điều khiển cân
Mô đun này có chức năng sau:
+ Nhận các thông số làm việc như định mức, thời gian từ mô đun điều
khiển trung tâm để phục vụ cho quá trình xử lý.
+ Chuyển đổi các tín hiệu cân, là các tín hiệu điện áp nhỏ hoặc các tín

hiệu xung, thành dữ liệu số.
+ Quyết định các trạng thái cân tương ứng với dữ liệu được chuyển về
từ
mô đun điều khiển trung tâm và dữ liệu nhận được từ cân.
+ Quyết định các đầu ra tương ứng với các đầu vào khởi động của cân
cũng như giá trị thực tế đang có.
Sơ đồ nguyên lý được mô tả trong Hình 3.
Sử dụng PIC16F877A với những đặc điểm nổi bật như sau:
+ Tốc độ hoạt động : lên tới 20Mhz.
+ Gồm 14,3 kbytes bộ
nhớ flash.
+ 368 x 8 bytes bộ nhớ SRAM
+ 256 x 8 bytes bộ nhớ EEPROM
+ 33 cổng vào ra chia làm 5 port.
+ Gồm 3 timer: 2 timer 8 bit và 1 timer 16bit.
+ Có cổng giao tiếp đồng bộ nối tiếp ( Synchronous Serial Port ) với 2 chế
độ Master (SPI) và Master/ Slave (I2C).
+ Có bộ chuyển đổi tương tự / số 10 bit gồm 8 kênh đầu vào tương tự
+ Bộ nhớ flash có khả năng ghi/đọc 100.000 lần
+ Bộ nhớ EEPROM có khả năng ghi/đọc 1000.000 lần
Các công tắc lựa chọn cho phép xác định là hệ thống sử d
ụng định lượng 3 hay 4
thành phần, linh hoạt trong việc thu thập và xử lý dữ liệu. Việc nhận dữ liệu
được thực hiện thông qua các bộ đệm số SN74LS574 như được thực hiện trong
Hình 3.
ll

23
Trong sơ đồ trên có Jắc PULSE IN cho trường hợp tín hiệu đầu vào không
phải dạng tín hiệu tương tự mà là tín hiệu xung. Khi đó, nhờ có các bộ PMW
của PIC16F877A mà mạch có thể nhận trực tiếp dữ liệu xung, không cần qua
các bộ xử lý đếm truyền thống. Điều này cũng góp phần làm mạch nhỏ gọn hơn,
ổn định hơn. Tín hiệu đầu vào chân PMW là chân ANT (chân 33 của
PIC16F877A).
Các tín hiệu khởi động cân là các tín hiệ
u số đầu vào cho cân được đưa ra
từ mô đun điều khiển logic trên cơ sở các đầu vào thỏa mãn điều kiện khởi động.
Trong qua trình làm việc, mô đun này liên tục gửi giá trị thu thập được về mô
đun vi điều khiển trung tâm cũng như đưa ra các rơ le trạng thái cân tương ứng.
Do PIC16F877A có đến 8 kênh ADC 10 bit nên trong những ứng dụng có
độ sai số yêu cầu nhỏ hơn 10 bit thì không cần sử dụ
ng thêm các bộ ADC khác,
điều này giúp giảm bớt kích thước và tăng độ ổn định của mạch. Sơ đồ thể hiện
mạch không dùng bộ chuyển đổi ADC ICL 7109 được thể hiện trên Hình 4.
3.3. Mô đun điều khiển logic
Mô đun này có nhiệm vụ nhận các tín hiệu trạng thái từ các mô đun cân,
lệnh điều khiển từ mô đun điều khiển chung và các tín hiệu trạng thái ngoài của
h
ệ thống, quyết định các trạng thái điều khiển đầu ra, giúp cho hệ thống hoạt
động đồng bộ.
Sơ đồ nguyên lý được mô tả trên Hình 5.
Mô đun điều khiển logic với sử dụng vi điều khiển PIC16F877A cùng
mạch truyền thông Max485 để truyền dữ liệu về mô đun điều khiển. Tín hiệu
vào ra các mô đun này bao gồm:
+ Các tín hiệu đầu ra trạng thái các mô đun cân.
+ Các tín hiệ
u đầu ra điều khiển hoạt động hệ thống.

+ Các tín hiệu đầu vào khởi động cân.
+ Các tín hiệu đầu vào trạng thái của hệ thống.
Do số lượng đầu vào và đầu ra của mô đun này là khá lớn, do vậy ta dùng
phương pháp dồn kênh và phân kênh để nhận dữ liệu.
Tại đầu vào, các tín hiệu đầu vào ở dạng điện áp 24Vdc được đưa qua
mạch cách ly và đồng thời hạ áp tín hiệu v
ề mức TTL, dữ liệu sau đó được đưa
qua các bộ đệm SN74HC245 và vi điều khiển đọc lần lượt nhóm 8 tín hiệu.
Tại đầu ra, các tín hiệu đầu ra lần lượt được đưa ra 03 bộ đệm chốt dữ liệu
SN74HC574 rồi được đưa qua mạch đệm cách ly 4N35 để nâng mức điện áp
điều khiển lên 24Vdc. Các giá trị điện trở và đèn LED sử dụng được tính toán
để
đảm bảo dòng điều khiển phù hợp là 2,2K.