Cân băng định lượng

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG.............................3
1.1 Đặt vấn đề............................................................................................................. 3
1.2 Cấu tạo cân băng định lượng................................................................................3
a. Hệ thống khung cơ khí........................................................................................3
b. Hệ thống cảm biến, điều khiển............................................................................4
c. Hệ thống điều khiển tự động hóa.........................................................................4
1.3 Nguyên lý hoạt động............................................................................................4
a. Bộ phận cơ khí.....................................................................................................4
b. Bộ phận cảm biến................................................................................................4
c. Bộ phận điều khiển..............................................................................................4
CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÂN BĂNG ĐỊNH
LƯỢNG......................................................................................................................... 6
2.1 Tính lưu lượng của cân băng................................................................................6
2.2 Tính chọn cơng suất động cơ................................................................................6
2.3 Tính chọn biến tần................................................................................................8
2.4 Tính chọn thiết bị đóng cắt...................................................................................8
CHƯƠNG 3: SƠ ĐỒ MẠCH LỰC VÀ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN.........................10
3.1 Cấu trúc hệ điều khiển........................................................................................10
3.2 Tổng hợp các mạch vòng điều chỉnh..................................................................10
3.2.1 Tổng hợp bộ điều khiển................................................................................10
3.2.2 Mạch vòng điều chỉnh tốc độ.......................................................................12
3.2.3 Mạch vịng điều chỉnh lưu lượng.................................................................13
CHƯƠNG 4: MƠ PHỎNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN TRÊN MATLAB................15
4.1 Cấu trúc điều khiển trên Matlab.........................................................................15
4.2 Mô phỏng với các chế độ vận hành khác nhau...................................................15
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................19


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG
1.1 Đặt vấn đề.

Vai trò của băng tải trong các nhà máy công nghiệp là vô cùng quan trọng, điều này
được thể hiện rõ nét trong các nhà máy xi măng, các nhà máy chế biến thức ăn gia
xúc, các nhà máy chế biến thực phẩm,...Các băng tải đóng vai trị vận chuyển nguyên
vật liệu, thành phẩm thay cho sức người và các phương tiện vận chuyển cơ động khác.
Trong khuôn viên nhà máy, phân xưởng, để vận chuyển vật liệu từ nơi khai thác, bến
bãi tập kết hoặc kho chứa nguyên vật liệu để phục vụ cho quá trình sản xuất.
Vấn đề đặt ra là trong quá trình sản xuất địi hỏi tính liên tục, pha trộn ngun liệu
có độ chính xác, phải thấy và cân được khối lượng nguyên vật liệu đã được vận
chuyển theo yêu cầu của thành phẩm. Để giải quyết vấn đề trên ta sử dụng cân băng
định lượng. Hệ thống cân băng định lượng là một trong những khâu quan trọng giúp
cho nhà máy hoạt động một cách liên tục. Cân băng định lượng là một khâu trong dây
chuyền cơng nghệ nhằm cung cấp chính xác lượng nguyên liệu cần thiết cho nhà máy,
lượng nguyên liệu này đã được người lập trình cài đặt một giá trị trước. Khi mà lượng
nguyện liêu trên băng tải ít đi thì địi hỏi phải tăng tốc động cơ lên để băng tải chuyển
động nhanh hơn nhằm cung cấp đủ lượng nguyên liệu cần thiết. Ngược lại khi lượng
nguyên liệu trên băng tải vận chuyển với lưu lượng nhiều thì các thiết bị tự động sẽ tự
động điều khiển cho động cơ quay với tốc độ chậm lại phù hợp với yêu cầu.

1.2 Cấu tạo cân băng định lượng.

Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo cân băng định lượng.

Cân băng định lượng gồm có những thành phần cấu tạo chính sau đây:
a. Hệ thống khung cơ khí
Khung cơ khí phần giá đỡ toàn bộ hệ thống
 Phễu chứa và cấp liệu.
3


 Hệ thống con lăn băng tải.

 Băng tải vận chuyển nguyên liệu
 Một số linh kiện, phụ kiện hỗ trợ khác
b. Hệ thống cảm biến, điều khiển






Thiết bị cảm biến lực (loadcell cân băng định lượng)
Thiết bị cảm biến tốc độ
Bộ chỉ thị điều khiển
Biến tần
Động cơ không đồng bộ

c. Hệ thống điều khiển tự động hóa
 Hệ thống tủ điện điều khiển trung tâm
 Phần mềm điều khiển cân băng định lượng

1.3 Nguyên lý hoạt động.
Về cơ bản, quá trình hoạt động của cân băng sẽ qua các giai đoạn sau:
Cấp liệu vào phiễu chứa → Cấp liệu lên băng tải → Xác định khối lượng/Xác định tốc
độ chạy → Phân tích thơng số thơ → Xác định được khối lượng chuẩn → Điều khiển
định mức chuẩn → Hệ thống hoạt động vịng lặp.
a. Bộ phận cơ khí: (Phễu chứa, cửa cấp liệu, băng tải, con lăn lớn và con lăn nhỏ)
Nơi cấp liệu đầu vào, bao gồm phễu chứa và cấp liệu. Tại đây, liệu được đổ vào phễu
chứa và bắt đầu quy trình của cân băng. Liệu qua cửa cấp liệu (Vít tải hoặc cửa xả)
chảy xuống băng tải. Toàn bộ băng tải chảy liệu được gá trên khung cân băng, trên
các con lăn trong đó con lăn lớn làm nhiểm vụ tải băng, con lăn nhỏ dùng gá đỡ cho
băng tải chạy. Trong số băng tải nhỏ sẽ có bộ bận được cảm biện trọng lượng

(loadcell) để kiểm tra, đong đếm khối lượng chảy trên băng.
b. Bộ phận cảm biến: (Loadcell cảm biến trọng lượng, encoder cảm biến tốc độ)
Được gá trên những con lăn nhỏ, tại nơi đây sẽ xuất hiện những trọng lực tác dụng
trực tiếp lên con lăn và thơng số đó sẽ được gửi về bộ phận điều khiển. Encoder cảm
biến tốc độ sẽ có nhiệm vụ, kiểm tra tốc tộ chạy của băng tải, từ đó sẽ đưa ra được
thơng số tốc độ của băng tải. Kết hợp 2 thông số này lại sẽ có được thơng số khối
lượng trên giờ để điều chỉnh được chính xác nhất.
c. Bộ phận điều khiển (Đầu cân hiển thị điều khiển, tủ điện điều khiển cân băng,
phần mềm cân băng)
Từ những thông số kỹ thuật truyền về từ cảm biến tốc độ và cảm biến lực, qua đầu cân
điểu khiển xủa lý thông tin sau đó sẽ được gửi về phần mềm điều khiển trên máy tính.
4


Từ đây những thông số thô sẽ được xử lý và phản hồi ngược lại tủ điện. Tại tủ điện
điều khiển trung tâm sẽ có được những quyết định, thơng số thời gian chạy trên băng
và từ đó kiểm sốt được đúng định mức khối lượng/thời gian cần thiết.

5


CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÂN
BĂNG ĐỊNH LƯỢNG
2.1 Tính lưu lượng của cân băng.
Để xác định được lưu lượng tại thời điểm đổ liệu, cần xác định đồng thời vận tốc dài
của cân băng và khối lượng nguyên liệu trên một đơn vị chiều dài của cân băng. Tốc
độ được đo bằng cảm biến tốc độ liên động với trục phụ của băng cân.
Lưu lượng Q (tấn/h) sẽ bằng tích số giữa vận tốc băng và khối lượng nguyên liệu trên
một đơn vị chiều dài của cân băng đo về từ loadcell.
Q= λ ⋅ V

Thông số theo đề bài cho là:
λ=28( kg/m), V = 1,8 (m/s)

Vậy nên: Q=28.1,8=50,4 (kg /s)=1811,44 (tấn/h).

2.2 Tính chọn cơng suất động cơ.
Lực kéo ban đầu:
130 π

T1 = T0. e fφφ = 100. e 0,68 180 = 467,8 (N)
Mô men khởi động của động cơ:
2.M puli

Mkđ =

i

2.T1.d
2. 467,8.0,88
30.2
= i.2 =
= 13,72 (N)

Tốc độ góc tại hai điểm làm việc max-min quy đổi về trục động cơ là:
2.Vmax
.i 2.1,8 .30
ω
d
=

= 0,88
= 122,72 (rad/s)
maxqd
2.Vmin
.i 2.0,45 .30
ω
d
=
= 0,88
= 30,68 (rad/s)
minqd

Mô men quy đổi về trục động cơ tại 2 điểm làm việc max-min là:
R

MVmax = ( T 1−T 0 ) × i =¿
6


2
2

 2.Vmax  d  f 
R
T


 0
 d  4  (e  1) ×
i




=

(

¿ 100−2,8.

(

2.1,8 2 0,882 ( 0,68.130 π / 180 ) 0,44
.
e
−1 .
0,88
4
30

)

)

=4,905(N)
R

MVmin = ( T 1−T 0 ) × i =¿
2
2


 2.Vmin  d  f 
R
 T0   
 (e  1) ×

d
4
i



=

(

¿ 100−2,8.

(

2.0,45 2 0,882 ( 0,68.130 π / 180 ) 0,44
.
e
−1 .
0,88
4
30

)

)

= 5,364 (N)

Công suất làm việc của động cơ: P = T 1 . v max = 467,8.1,8 = 842,04 (W)
P 842,04
=> Ptt = η = 0,8 = 1052,55 (W)

Để có momen đủ lớn ta phải tăng cơng suất động cơ lên khoảng 1,5 lần
Vậy ta chọn động cơ không đồng bộ 3 pha 1,5kW có các thơng số:
- Điện áp 220 - 380V/50 Hz
- Cơng suất: 1,5kW
- Dịng điện 3A
- Hiệu suất 0.85%
- Hệ số công suất 0,82
- Mô men quán tính: 0.0025kgm2
- Tốc độ cho phép: 1440v/p
7


- Cách cấp điện F, bảo vệ IP54

2.3 Tính chọn biến tần.
Bài toán đặt ra một số yêu cầu về điều khiển nên chọn công suất biến tần cao gấp 1,5
lần công suất động cơ.
Pbt = 1,5.Pdc =1,5.1,5 = 2,25 kW
Do đó ta chọn biến tần Schneider ATV212HU30N4 3kW 3HP 3 pha có các thơng số
sau:
- Điện áp: 3 pha 380V
- Cơng suất: 3kW
- Tần số 50 Hz

- Dịng điện 7,2A

2.4 Tính chọn thiết bị đóng cắt.
Cơng thức tính I đmcủa động cơ:
I đm=

P đm

√3 U đm η cos φ

Từ thơng số động cơ vừa chọn ở trên tính được

I dm 

1,5
3,27 A
3.0,38.0,85.0,82

Tính chọn MCB:
IMCB = 1,2.Iđm = 1,2.3,27 = 3,92 A
Tra Catalog và chọn MCB có dịng điện định mức lớn hơn hoặc bằng 3,92A. Ở đây ta
chọn MCB có dịng định mức là 6A với mã A9F94306.
Tính chọn Contactor:
IContactor = 1,2. Iđm = 1,2.3,27 = 3,92A
Tra Catalog ta chọn Contactor có dịng định mức là 6A với mã LC1E0610
Tính chọn Relay nhiệt:
IOL = 1,4.3,27 = 4,59 A
Tra Catalog chọn Relay nhiệt có dải dịng điện từ 4 – 6A với mã LRD10
8

CHƯƠNG 3: SƠ ĐỒ MẠCH LỰC VÀ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN
3.1 Cấu trúc hệ điều khiển.

Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển.
Mục tiêu cơ bản của hệ truyền động điện là phải đảm bảo giá trị yêu cầu của các đại
lượng điều chỉnh mà không phụ thuộc vào tác động của các đại lượng nhiễu lên hệ
điều chỉnh. Động cơ truyền động được sử dụng là động cơ khơng đồng bộ 3 pha. Bộ
biến đổi có chức năng biến đổi năng lượng điện thích ứng với động cơ truyền động và
mang thông tin điều khiển để điều khiển các tham số đầu ra của bộ biến đổi. Sự biến
thiên của tín hiệu đặt gây ra các sai lệch khơng tránh được trong q trình q độ và
cũng có thể gây sai lệch trong chế độ xác lập. Trên cơ sở phân tích các sai lệch điều
chỉnh, các mạch bù thích hợp để nâng cao độ chính xác của hệ thống.

3.2 Tổng hợp các mạch vòng điều chỉnh.
3.2.1 Tổng hợp bộ điều khiển.

9


Sơ đồ cấu trúc tổng hợp bộ điều khiển
Theo bài ta có mạch vịng kín momen Fkm có thể coi gần đúng là khâu qn tính bậc 1
có:
Hệ số khuếch đại:
km =

2,5. M dm 2,5.4,905
=
= 1,23
10

10

Hằng số thời gian:
Tm=0,02s
=> F km=

km
1,23
= 0,02 s+1
T m s+1

Ta xác định hàm truyền giữa momen và tốc độ góc là khâu tích phân:

kc
1
1
 
sTc Js 0.06s
Ta xác định hàm truyền giữa lưu lượng Q và tốc độ góc  :
Lưu lượng tức thời trên từng phân đoạn của băng sẽ được gửi về bộ điều khiển được
tính dựa trên cơng thức:
T

1
Q  .Vdt
T0
T

1
 (t ).d

 
dt
T0
2i
10


T

.d

 (t )dt
2i.T 
0
Laplace 2 vế ta được:

Q( s ) 

 .d
1
. ( s ).
2i.T
s

Q( s) .d

=>  ( s ) 2iTs
Ta chọn chu kỳ quét xung trên 1m băng tải là T=1.232s
Q(s )

=> ω (s)

=

28.0,88
2.30.1,232 . s

=

1
3s

Vậy hàm truyền giữa lưu lượng Q và tốc độ góc  :

Q ( s ) kQ
1


 ( s ) sTQ 3s

Ở đây ta dùng Feedforword kháng nhiễu để hệ không bị ảnh hưởng bởi nhiễu M c với:





M c M c
1
FF =
F km =

1
≈
1,23
0,813+0,016s
0,02 s +1

3.2.2 Mạch vịng điều chỉnh tốc độ.

Hình 3.3 Sơ đồ mạch vịng điều chỉnh tốc độ

Ta có hàm truyền đối tượng của mạch vòng điều khiển tốc độ là:
11


F s 1= F km .

kc
1,23
1,23
1
= 0,02 s+1 . 0,06 s = 0,06 s (0,02 s +1)
s Tc

Theo bảng tra modul tối ưu hàm chuẩn bậc 2 ta chọn bộ điều khiển P cho mạch vòng
điều khiển tốc độ:
F Rω =

0,06
= 1,219

2.1,23.0,02

3.2.3 Mạch vịng điều chỉnh lưu lượng.

Hình 3.4 Sơ đồ mạch vịng điều chỉnh lưu lượng
Ta có hàm truyền đối tượng của mạch vòng điều khiển lưu lượng là:

Fs Fk .

kQ
sTQ

Trong đó Fk là hàm truyền kín của mạch vòng điều khiển tốc độ:
kc
1,23
1
1,219.
.
sTc
1
0,02 s +1 0,06 s
F kω =
=
=
2
2
1,23
1
k
2.0,02 . s + 2.0,02 s+1

1+ 1,219.
.
1+ F Rω . F km . c
0,02 s+1 0,06 s
sTc
F Rω . F km .

Ta xấp xỉ Fkm thành khâu quán tính bậc nhất:

Fk 

1
1

2.0,02 s  1 0,04 s  1

12


Fs Fk .
=>

kQ
sTQ



1
1
1

. 
0,04s  1 3s 3s(0,04s  1)

Theo bảng tra modul tối ưu hàm chuẩn bậc 2 ta chọn bộ điều khiển P cho mạch vòng
điều khiển lưu lượng:

FRQ 

3
37,5
2.1.0,04

13


CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN TRÊN
MATLAB
4.1 Cấu trúc điều khiển trên Matlab.

4.2 Mô phỏng với các chế độ vận hành khác nhau.
*Khi coi Momen cản là hằng số (Mc=2Nm), thay đổi lưu lượng đặt Q* từ 50 xuống
12,5 (kg/s)

14


Nhật xét: Từ đồ thị trên ta thấy lưu lượng đầu ra Q bám khá sát với lưu lượng đặt Q*

Thời gian xác lập: Txl 0,728( s )
Độ quá điều chỉnh:  7,644%

Sai lệch tĩnh rất nhỏ: e 0,002
=> Như vậy bộ điều khiển mà ta đã thiết kế cho mạch vòng điều chỉnh tốc độ và mạch
vòng điều chỉnh lưu lượng khá tốt. Do ta dùng bộ điều khiển P cho 2 mạch vòng nên
vẫn còn tồn tại sai lệch tĩnh, tuy nhiên sai lệch tĩnh rất nhỏ.
*Khi coi Momen cản Mc biến thiên theo tốc độ góc, thay đổi lưu lượng đặt Q* từ 50
xuống 12,5 (kg/s)

15


Nhật xét: Từ đồ thị trên ta thấy lưu lượng đầu ra Q vẫn bám khá sát với lưu lượng đặt
Q*

16


Thời gian xác lập: Txl 0,788( s )
Độ quá điều chỉnh:  8,94%
Sai lệch tĩnh rất nhỏ: e 0,00008
=> Như vậy khi ta thay đổi Mc thì bộ điều khiển của ta vẫn đáp ứng tốt, lưu lượng đầu
ra vẫn bám sát với lưu lượng đặt. Từ đây ta thấy được sự ưu việt của Feedforword
kháng nhiễu, nó giúp hệ không bị ảnh hưởng bởi nhiễu M c.

17


DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
Bài giảng “Thiết Kế Truyền Động Điện” biên soạn bởi TS. Nguyễn Duy Đỉnh.
/> /> /> />
18