Thiết kế hệ thống băng tải định lượng, trộn phân tự động dùng plc s7 1200 điều khiển và giám sát bằng wincc
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (8.14 MB, 94 trang )
Họ và tên sinh viên: Nguyễn Văn Tiên TÊN ĐỀ TÀI THIẾT KẾ HỆ THỐNG BĂNG TẢI ĐỊHH LƯỢNG, TRỘN PHÂN TỰ ĐỘNG ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
DÙNG PLC S7- 1200 ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT BẰNG WINCC TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC
NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ
ĐỘNG HÓA
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ HỆ THỐNG BĂNG TẢI ĐỊNH
LƯỢNG, TRỘN PHÂN TỰ ĐỘNG DÙNG PLC
S7- 1200 ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT BẰNG
WINCC
Người hướng dẫn : TS. Nguyễn Đức Quận
Nguyễn Văn Tiên
Sinh viên thực hiện : 1811505520153
18TDH1
MSV :
Lớp :
Đà Nẵng, 2 tháng 4 năm 2023
I
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC
NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ
ĐỘNG HÓA
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ HỆ THỐNG BĂNG TẢI ĐỊNH
LƯỢNG, TRỘN PHÂN TỰ ĐỘNG DÙNG PLC
S7- 1200 ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT BẰNG
WINCC
Người hướng dẫn : TS. Nguyễn Đức Quận
Nguyễn Văn Tiên
Sinh viên thực hiện: 1811505520153
18TDH1
MSV :
Lớp :
Đà Nẵng, 2 tháng 4 năm 2023
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
X
TÓM TẮT
Tên đề tài: “Thiết kế hệ thống băng tải định lượng, trộn phân tự động dùng plc
s7- 1200 điều khiển và giám sát bằng wincc”
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Tiên
Mã sinh viên: 1811505520153 Lớp: 18TDH1
Nội dung:
Trong đề tài này, hệ thống sử dụng PLC S7 1200 CPU 1214C DC/DC/DC kết
nối với module truyền thông kết nối biến tần để điều khiển động cơ 3 pha không đồng
bộ, đọc dữ liệu từ loadcell giúp lượng nguyên liệu trong khâu sản xuất sản phẩm một
cách chính xác.
Đồ án gồm:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống cân băng định lượng trong cơng nghiệp hiện
nay.
Kết quả: khái qt được vai trị và các ứng dụng của hệ thống băng tải định
lượng. Tìm hiểu được cấu tạo, nguyên lý hoạt động, nguyên lý tính lưu lượng, đo
trọng lượng liệu trên băng tải. Từ đó có thể tính chọn và xây dựng hệ thống băng
tải định lượng.
Chương 2. Cơ sở lý thuyết
Kết quả: Đánh giá một số phương pháp điều khiển tốc độ động cơ và chọn ra
phương pháp phù hợp. Tìm hiểu được cấu tạo, nguyên lý hoạt động của biến tần.
Tìm hiểu được giao thức Modbus RTU để kết nối và điều khiển biến tần thơng qua
PLC S7 – 1200.
Chương 3: Tính tốn, phân tích, lựa chọn phương án thiết kế băng tải định lượng
và trộn phân tự động
Kết quả: Tính tốn, lựa chọn được các thành phần chính trong hệ thống băng
tải định lượng và trộn phân tự động cho hệ thống sản xuất phân bón cơng nghiệp
hiện nay.
Chương 4: Thiết kế và chế tạo mơ hình
Kết quả: Thiết kế, chế tạo thành cơng mơ hình băng tải định lượng và trộn phân
tự động bằng PLC S7- 1200. Viết được chương trình điều khiển biến tần, dùng bộ
PID để tính tốn tốc độ băng tải, kết nối PLC với khuếch đại loadcell để nhận tín
hiệu từ loadcell.
Video mơ hình hệ thống: />
XI
LỜI NÓI ĐẦU
XII
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến giảng viên TS. Nguyễn Đức Quận vì
những hướng dẫn em trong những thủ tục, triển khai ý tưởng trong quá trình thực hiện
đồ án và những kiến thức quý báu mà thầy đã truyền đạt cho em trong suốt thời gian
qua.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trường Đại học Sư phạm Kỹ
thuật nói chung, các thầy cơ trong khoa Điện – Điện tử nói riêng đã truyền đạt cho em
kiến thức về các môn học liên quan đến mơn học, giúp cho em có được cơ sở lý thuyết
vững vàng và tạo điều kiện cho em hoàn thành đồ án một cách tốt nhất
Vì thế, em xin chân thành cảm ơn thầy, cơ vì đã giúp đỡ, hướng dẫn và động viên
em trong suốt thời gian làm đồ án. Em sẽ luôn ghi nhớ những điều thầy,cô đã dạy và
cố gắng học tập, bổ sung kiến thức và nâng cao ý thức để phục vụ tốt công tác trong
tương lai.
XIII
CAM ĐOAN
Em xin cam đoan đây là kết quả nghiên cứu và làm việc của em dưới sự hướng
dẫn, giúp đỡ của TS. Nguyễn Đức Quận. Các kết quả, tính tốn và nội dung trong đề
tài này chưa được cơng bố dưới bất kỳ hình thức nào. Các tài liệu tham khảo được nêu
trong mục tài liệu tham khảo, đảm bảo về liêm chính học thuật
Em xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Văn Tiên
XIV
MỤC LỤC
NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN
NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN
TÓM TẮT
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN
LỜI NÓI ĐẦU xiv
CAM ĐOAN xv
MỤC LỤC xvi
DANH SÁCH BẢNG, HÌNH VẼ xx
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1
1.1. Tổng quan ngành sản xuất phân bón cho cây trồng [9] 1
1.1.1. Tổng quan ngành sản xuất phân bón............................................................1
1.1.2. Tổng quan các cơng đoạn dây truyền sản xuất phân bón.............................1
1.2. Giới thiệu hệ thống băng tải định lượng [6] 2
1.2.1. Giới thiệu chung...........................................................................................2
1.2.2. Cấu tạo của băng tải định lượng...................................................................2
1.2.3. Quy trình hoạt động của băng tải định lượng...............................................3
1.3. Nghiên cứu một hệ thống băng tải định lượng và trộn phân tự động cụ thể
4
1.4. Mục tiêu, phạm vi nghiên cứu của đề tài 5
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6
2.1. Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ [13] 6
2.1.1. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ...............................................6
2.1.2. Điều chỉnh động cơ bằng cách thay đổi tần số nguồn..................................6
2.1.3. Phương pháp điều chỉnh U/f = const............................................................7
2.2. Giới thiệu chung về biến tần [14] 10
XV
2.2.1. Khái quát chung..........................................................................................10
2.2.2. Phân loại biến tần.......................................................................................10
2.2.3. Nguyên lý hoạt động...................................................................................10
2.3. Chuẩn truyền thông công nghiệp Modbus – Giao thức RTU [15] 12
2.3.1. Khái niệm...................................................................................................12
2.3.2. Phân loại.....................................................................................................12
2.3.3. Giao thức RTU...........................................................................................13
2.3.4. Cấu trúc của Modbus RTU.........................................................................13
2.3.5. Ưu điểm của Modbus RTU........................................................................14
2.3.6. Cách giao tiếp Modbus RTU......................................................................14
CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN, PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT
KẾ BĂNG TẢI ĐỊNH LƯỢNG VÀ TRỘN PHÂN TỰ ĐỘNG 15
3.1. Thiết kế hệ thống băng tải định lượng và trộn phân tự động 15
3.2. Lựa chọn thiết kế băng tải 15
3.3. Tính chọn cơng suất động cơ cho cân băng định lượng 15
3.4. Lựa chọn biến tần: 17
3.3.1. Vai trò của biến tần trong hệ thống băng tải định lượng............................17
3.3.2. Tính tốn cơng xuất biến tần......................................................................18
3.5. Lựa chọn aptomat 21
3.4.1. Vai trò của aptomat trong hệ thống băng tải định lượng............................21
3.4.2. Tính chọn aptomat......................................................................................21
3.4.3. Thiết kế mạch động lực cho hệ thống.........................................................23
3.6. Cảm biến đo khối lượng 23
3.5.1. Tính chọn tải trọng của cảm biến đo khối lượng........................................24
3.6.1. Khuếch đại loadcell [8].........................................................................25
3.7. Cảm biến đo tốc độ Encoder 26
3.6.1. Giới thiệu chung.........................................................................................26
3.6.2. Tính chọn cảm biến đo tốc độ....................................................................27
3.8. Bể trộn nguyên liệu 27
XVI
3.9. PLC Siemens S7 -1200[2] 30
3.10. Module truyền thông 34
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH 35
4.1. Lựa chọn thiết bị mạch động lực và thiết kế mạch động lực 35
4.1.1. Cấu tạo mơ hình băng tải định lượng....................................................35
4.1.2. Lựa chọn động cơ truyền động cho băng tải.........................................35
4.1.3. Lựa chọn biến tần..................................................................................37
4.1.4. Lựa chọn aptomat.................................................................................38
4.1.5. Thiết kế mạch động lực cho mô hình....................................................40
4.2. Lựa chọn thiết bị cảm biến và thiết kế mạch điều khiển 40
4.2.1. Bộ điều khiển........................................................................................40
4.2.2. Module truyền thông.............................................................................41
4.2.3. Cảm biến đo khối lượng........................................................................41
4.2.4. Thiết bị khuếch đại tín hiệu loadcell.....................................................43
4.2.5. Cảm biến đo tốc độ...............................................................................43
4.3. Thiết kế thuật toán điều khiển 45
4.3.1. Lưu đồ thuật toán điều khiển................................................................45
4.3.2. Lưu đồ thuật tốn chương trình tính tốc độ băng tải.............................46
4.4. Mơ hình thực nghiệm 47
4.5. Hiệu chỉnh bộ khuếch đại tín hiệu loadcell 49
4.6. Xây dựng chương trình điều khiển[5] 50
4.6.1. Tổng quan về TIA Portal......................................................................50
4.6.2. Lập trình giao thức truyền thơng Modbus RTU...................................51
4.6.3. Lập trình PID........................................................................................54
4.6.4. Lập trình xử lý tín hiệu xung tốc độ cao từ Encoder............................59
4.6.5. Lập trình xử lý tín hiệu analog..............................................................61
4.7. Chạy thực nghiệm 62
KẾT LUẬN 64
XVII
TÀI LIỆU THAM KHẢO 66
PHỤ LỤC 68
XVIII
DANH SÁCH BẢNG, HÌNH VẼ
Danh mục hình ảnh
Hình 1. 1: Sơ đồ quá trình sản xuất phân bón................................................................1
Hình 1. 2: Cấu tạo của băng tải định lượng....................................................................3
Hình 1. 3: Hệ thống băng tải định lượng của nhà máy Ngựa Vàng...............................5
Hình 1. 4: Bồn trộn phân bón trong nhà máy Ngựa Vàng......................................................................5
Hình 2. 1: Đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa momen và điện áp theo tần số theo luật
điều khiển U/f=const......................................................................................................9
Hình 2. 2: Cấu trúc cơ bản của biến tần.......................................................................11
Hình 2. 3: Giao thức truyền thơng Modbus.................................................................12
Hình 2. 4: Cấu trúc của Modbus RTU...................................................................................................13
Hình 3. 1: Bản vẽ băng tải............................................................................................15
Hình 3. 2: Động cơ ZOZHI 160M2-4..........................................................................17
Hình 3. 3: Biến tần LS SV220IG5A-4 22kW...............................................................18
Hình 3. 4: Sơ đồ chân đấu động lực.............................................................................19
Hình 3. 5: Sơ đồ chân điều khiển.................................................................................19
Hình 3. 6: Giao diện bàn phím biến tần LS IG5A.......................................................20
Hình 3. 7: Giải thích ký hiệu trên bàn phím biến tần LS IG5A....................................21
Hình 3. 8: LS ABN103c 50A.......................................................................................22
Hình 3. 9: Thơng số kỹ thuật aptomat..........................................................................22
Hình 3. 10: Mạch động lực của hệ thống......................................................................23
Hình 3. 11: Loadcell UDA Keli 200Kg........................................................................25
Hình 3. 12: Bộ khuếch đại loadcell KM02A................................................................26
Hình 3. 13: Thơng số kỹ thuật khuếch đại KM02A.....................................................26
Hình 3. 14: Encoder Koyo TRD - GK4000..................................................................27
Hình 3. 15: Bồn trộn cơ khí..........................................................................................28
Hình 3. 16: Bể trộn ngang............................................................................................28
Hình 3. 17: Bể trộn thủy lực.........................................................................................29
Hình 3. 18: Bồn trộn ngang và trục xoắn ốc.................................................................30
Hình 3. 19: PLC S7 1200..............................................................................................30
Hình 3. 20: Các cổng kết nối PLC S7 1200..................................................................31
Hình 3. 21: Cấu trúc phần cứng PLC S7 1200.............................................................31
XIX
Hình 3. 22: Cáp lập trình PLC S7- 1200......................................................................32
Hình 3. 23: Sơ đồ đấu dây đầu vào của PLC S7- 1200................................................32
Hình 3.24: Đấu nối ngõ ra PLC S7- 1200...................................................................33
Hình 3. 25: PLC S7 – 1200 1214C DC/DC/DC...........................................................33
Hình 3. 26: CM 1241 RS422/RS485......................................................................................................34
Hình 4. 1: Kích thước của mơ hình băng tải định lượng..............................................35
Hình 4. 2: Động cơ Gear Motor GTR GFMN–15–5–T90C.........................................37
Hình 4. 3: Biến tần LS 004 IG5A-2 0.4kw...................................................................38
Hình 4. 4: MCB 2P 6A Mitsubishi BH-D6..................................................................39
Hình 4. 5: Thơng số kĩ thuật của MCB 2P 6A Mitsubishi BH-D6...............................39
Hình 4. 6: Sơ đồ mạch động lực...................................................................................40
Hình 4. 7 PLC S7-1200 1214C DC/DC/DC.................................................................40
Hình 4. 8: CM 1241 RS422/RS485..............................................................................41
Hình 4. 9: Loadcell YZC-133.......................................................................................42
Hình 4. 10: Bợ kh́ch đại tín hiệu loadcell RW-ST01A.............................................43
Hình 4. 11: Encoder Omron E6C2-CWZ6C 2000P/R.................................................44
Hình 4. 12: Sơ đồ đấu dây Encoder Omron E6C2-CWZ6C 2000P/R..........................44
Hình 4. 13: Lưu đồ tính lưu lượng nguyên liệu hiện tại...............................................45
Hình 4. 14: Lưu đồ thuật tốn chương trình tính tốc độ băng tải.................................46
Hình 4. 15: Mơ hình hệ thống cân băng định lượng.....................................................47
Hình 4. 16: Hệ thống điều khiển...................................................................................48
Hình 4. 17: Cơ cấu cân và Loadcell.............................................................................48
Hình 4. 18: Chuẩn bị vật cân mẫu 3kg.........................................................................49
Hình 4. 19: Đặt vật cân mẫu lên...................................................................................49
Hình 4. 20: Mối quan hệ giữa khối lượng với tín hiệu analog.....................................50
Hình 4. 21: Ứng dụng của TIA Portal trong quản lý hệ thống.....................................51
Hình 4. 22: Thêm bit FirstScan....................................................................................52
Hình 4. 23: Chọn cổng PORT......................................................................................52
Hình 4. 24: Khối MB_MASTER_DB.........................................................................52
Hình 4. 25: Thêm khối MB_MASTER_DB vào MB_DB..........................................53
Hình 4. 26: Khai báo bit truyền dữ liệu cho biến tần thực hiện chương trình..............53
Hình 4. 27 Cài đặt khối MB_MASTER_DB................................................................54
Hình 4. 28 Lựa chọn khối PID_Compact.....................................................................55
Hình 4. 29 Tạo khối Cyclic interrupt............................................................................55
Hình 4. 30 Thiết lập Basic settings...............................................................................57
XX
