Bài tập lớn trang bị điện - điện tử máy công nghiệp dùng chung

Bài tập lớn: Trang bị điện- điện tử máy công nghiệp dùng chung
Chương 1:
TRÌNH BÀY CÔNG NGHỆ
Lịch sử phát triển.

1.1.

Cân đã có lịch sử từ rất lâu. Nó xuất hiện cùng với nền sản xuất hàng hóa, từ
mục đích của con người đó là định lượng hàng hóa. Nó đã trải qua nhiều giai đoạn
phát triển với những hình dạng và tính năng khác nhau, nhưng mục đích quan trọng
nhất vẫn là để biết được khối lượng một cách chính xác.

Hình 1.1. Hình ảnh cân rotor
-

=
-

Kỹ thuật cân đã phát triển với độ
chính xác ngày càng tăng. Tuy
nhiên vẫn chỉ dừng lại ở việc cân
những khối lượng hàng hóa nhỏ,
và đòi hỏi thao tác lặp đi lặp lại
của con người. Mãi về sau này,
khi nền công nghiệp phát triển
cao, nảy sinh ra yêu cần cần phải
định lượng vật liệu với khối
lượng lớn, liên tục. Bắt đầu từ
năm 1963, khái niệm cân định
lượng
công

nghiệp
(weighfeeders) được đề xuất.

Hình 1.2. Hình ảnh cân năm 1963
1


Bài tập lớn: Trang bị điện- điện tử máy công nghiệp dùng chung
- Năm 1969 chiếc cân định lượng đầu tiên được phát minh và đưa vào sử dụng ở
Đức, sáng tạo đó đã là cơ sở cho sự tiến bộ của những thế hệ cân định lượng sau
này.

Hình 1.3. Hình ảnh cân định lượng đầu tiên 1969
- Năm 1984 sự thành công của dòng sản phẩm mới là tiền đề cho sự phát triển của
“DRW” trong việc đo trọng lượng đá, bụi bằng cân định lượng rotor.

Hình 1.4. Hình ảnh cân định lượng năm 1984
- Sự phát triển của cân định lượng roto “FRW” tạo ra những triển vọng phát triển kỹ
thuật mới liên quan đến sự nạp và trao đổi nhiệt. Nhờ đó làm tăng tính ổn định trong hệ
thống. Hơn thế nữa, nhờ thiết kế hoàn chỉnh, hệ thống làm việc sẽ giảm được tối đa bụi
bặm ảnh hưởng đến môi trường.
- Ngày nay hệ thống điều khiển “CSC” dùng để đo lượng nguyên vật liệu với phương
pháp điều khiển rất đặc biệt được gọi là ProsCon đã nhanh chóng hoàn thiện và xuất hiện
trên thị trường.
2


Bài tập lớn: Trang bị điện- điện tử máy công nghiệp dùng chung

Hình 1.5. Hình ảnh cân định lượng năm 1999 và hệ thống điều khiển csc

1.2. Một số loại cân rotor
Trong quá khứ, một vài các kiểu hệ thống máy cấp liệu khác nhau đã được sử
dụng. Về cơ bản, có 3 loại cân đã từng được sử dụng là: cân băng tải động và tĩnh (Belt
Weighfeeder), hệ thống cân tổn hao trọng lượng (Loss in weight feeder) và thiết lập điều
khiển cân đo lường dòng chảy rời rạc (Feed-controlled bulk flow meters).

Hình1.6. Các loại cân rotor
A) Tổn hao trọng lượng -B) Cân băng tải động và tĩnh -C) Prefed flow meters
trong máy tiếp liệu

(Belt weighfeeder)

(Loss in weight feeder)
1.3.

Khái niệm chung và yêu cầu công nghệ.
3


Bài tập lớn: Trang bị điện- điện tử máy công nghiệp dùng chung
Khái niệm chung.
Cân rotor - weight feeder rotor: là một loại cân có cơ cấu quay, là một công
nghệ đã được chứng minh trong đó đặt ra những tiêu chuẩn mới trong quá trình sản
xuất xi măng. Hầu như tất cả các nguyên liệu tinh và thô có thể được xác định khối
lượng với cân rotor nhỏ gọn và trong hộp kín. Kết hợp với hệ thống vận chuyển khí
nén, nhiên liệu nghiền thành bột có thể được đưa trực tiếp vào buồng đốt.
1.3.2. Yêu cầu công nghệ.
- Đo lường đạt độ chính xác cao trong cả làm việc ngắn hạn và làm việc dài hạn.
- Dải điều khiển đầu ra rộng.

- Điều khiển linh hoạt.
- Đo lường trực tiếp khối lượng nguyên vật liệu bằng hệ thống định lượng.
- Thiết kế gọn.
1.3.1.

- Tổn hao ít.

4


Bài tập lớn: Trang bị điện- điện tử máy công nghiệp dùng chung
1.4.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động.
Cấu tạo.

1.4.1.

Hình 1.7. Kết cấu và bố trí của cân rotor.
Các ngăn bánh roto nằm ngang (9) này được bọc kín bởi nắp trên(4) ,nắp dưới(6) và
vỏ(5). Nguyên vật liệu được đưa vào ở đầu vào (2), được vận chuyển đến đầu ra (10) nhờ
chuyển động quay của các ngăn bánh rotor (9), và được chuyển đến gia công. Toàn bộ
thân của ngăn bánh rotor được treo lên khung (1) bởi 2 cái giá cân bằng (7) vì vậy nó có
thể xoay được.

Hình 1.8. a) Đĩa tròn đặc phần đáy có lỗ xả liệu (10)-b) Rotor khi có vành bao quanh
gắn trên đĩa.

Hình 1.9.
5

Bài tập lớn: Trang bị điện- điện tử máy công nghiệp dùng chung
Quan sát thiết kế bên trong Rotor:

Tấm giới hạn trên: Để nguyên liệu được

những cánh tay khuấy và vành đai bao

dàn phẳng trong các ngăn và xác định.

quanh tạo thành những ngăn chứa liệu nhỏ.

Hình 1.10.
Đĩa tròn đặc phía trên hay còn gọi

Khi đã được ghép nối với thân và đáy

là nắp trên, trên có lỗ nạp liệu vào (2)
1.4.2.

Nguyên lý hoạt động của cân rotor.

Khi nguyên vật liệu đi từ đầu vào đến đầu ra, nguyên vật liệu sẽ di chuyển ra khỏi
những trục cân bằng gây ra momen ở đường tâm của trục. Đường cân (A-A) là đường đi
qua khớp nối mềm đến các ống dẫn liệu, được xác định bởi 2 cái giá đỡ cân giữa thân ống
dẫn liệu và khung chính. Momen này có thể đo được với cảm biến tải trọng (Load Cell) ở
điểm treo thứ 3. Giá trị momen này tỉ lệ với khối lượng do đó load ceel đo được khối
lượng trong các ngăn roto, đồng thời kết quả đo của load ceel đưa lên bộ điều khiển để
điều chỉnh sự đóng mở của cửa điều khiển lưu lượng , nhờ đó mà lượng liệu cấp cho các

ngăn roto không bị đầy tràn.

6


Bài tập lớn: Trang bị điện- điện tử máy công nghiệp dùng chung

Hình 1.11. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của cân.
Đường kính ngoài của roto có thể lên đến trên 2200mm, với mức nạp liệu được
nâng đến 1100mm để đáp ứng công suất yêu cầu cho nguyên vật liệu thô từ 50 đến 700
giờ hoặc nhiều hơn thế. Trong khoảng từ 500 đến 1000 kg thì ảnh hưởng của nhiễu ngoài
là nhỏ. Hệ thống truyền động chính lắp ráp roto với một khớp nối, tự điều chỉnh, hệ thống
chỉ dẫn.
Hình dáng đặc biệt của các thanh trục giúp bù trừ sự thay đổi của lực dao động
gây lên bởi khối lượng nguyên liệu, do đó kết quả đo không bị ảnh hưởng.
1.5.

Các chuyển động chính.
- Chuyển động quay của tay khuấy để đồng nhất liệu.
- Chuyển động quay của đĩa tròn nạp liệu.
- Chuyển động quay của van quay để chuyển nguyên liệu đến đường cấp liệu
khí nén.

7


Bài tập lớn: Trang bị điện- điện tử máy công nghiệp dùng chung

Hình 1.12. Quy trình làm việc cân rotor.

Hình 1.13. Quy trình tổng thể.
8


Bài tập lớn: Trang bị điện- điện tử máy công nghiệp dùng chung
Chương 2:
CÁC THIẾT BỊ ĐÁP ỨNG CÔNG NGHỆ
2.1. Cấu trúc tổng quan.

Hình 2.1. Cấu trúc tổng quan của cân rotor
2.2. Các thiết bị lực.
- Các thiết bị lực là các thiết bị gần với tải nhất bao gồm

9


Bài tập lớn: Trang bị điện- điện tử máy công nghiệp dùng chung

Hình 2.2. Sơ đồ tổng quan của cân rotor
- Các thiết bị mạch lực bao gồm:
+ A41 drive motor
+ A44 encoder

10


Bài tập lớn: Trang bị điện- điện tử máy công nghiệp dùng chung

Hình2.3. Sơ đồ cấu tạo của A41 và A44
2.3. Các thiết bị điều khiển.

2.3.1. Load cell.
- Thiết bị điều khiển quan trọng nhất của cân rotor là cảm biến Load cell. Sau đây em
sẽ tìm hiểu sâu về cảm biến này.
Trong hệ thống cân định lượng rotor, yêu cầu cần phải có cảm biến load cell, để cân
đạt độ chính xác cao. Load cell là cảm biến đo áp lực tối ưu nhất hiện nay, được chế tạo
từ thạch anh (vật liệu áp điện). Khi có lực tác dụng lên bề mặt thạch anh thì nó sinh ra
một điện áp phụ thuộc không tuyến tính nhưng đối với cảm biến thì khi hãng sản xuất chế
tạo ra họ đã chuẩn cảm biến rồi (tuyến tính hóa).

11


Bài tập lớn: Trang bị điện- điện tử máy công nghiệp dùng chung

Hình 2.4. Một số loại load cell thông dụng hiện nay.
Trước đây, hầu hết các thiết bị cân trong công nghiệp sử dụng load cell cảm biến sức
căng, biến đổi thành tín hiệu điện (load cell tương tự). Tín hiệu này được chuyển thành
thông tin hữu ích nhờ các thiết bị đo lường như bộ chỉ thị.
Một hệ thống cân dùng load cell tuơng tự điển hình thông thường bao gồm một hoặc
một vài load cell nối song song với nhau qua một hộp nối (Junction Box) như hình vẽ.

Hình 2.5. Hệ thống cân dùng load cell tương tự.
12


Bài tập lớn: Trang bị điện- điện tử máy công nghiệp dùng chung
- Mỗi load cell tải một đầu ra độc lập, thường 1 đến 3 mV/V. Đầu ra kết hợp được
tổng hợp dựa trên kết quả của đầu ra từng load cell. 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 dựa trên nguyên lý cầu điện trở cân bằng 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 định trước, sẽ có các sản phẩm thiết kế phù hợp cho từng ứng dụng
của người dùng. Ở đó các phần tử cảm ứng có kích thước và hình dạng khác nhau phù
hợp với yêu cầu của ứng dụng. Các dạng phổ biến: dạng kéo (shear), dạng uốn(bending),
dạng nén (compression)…
- 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:
- 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. Trong khi nối song song nhiều load cell với nhau, mỗi load cell tải với
một đầu ra độc lập với các load cell khác trong hệ thống, do đó để đảm bảo giá trị đọc
nhất quán, ổn định và không phụ thuộc vào vị trí, hệ thống yêu cầu chỉnh định đầu ra với
từng load cell riêng biệt. Công việc này đòi hỏi tốn kém về thời gian, đặc biệt với những
hệ thống yêu cầu độ chính xác cao hoặc trong các ứng dụng khó tạo tải kiểm tra như cân
tank, cân xilô…
- Tín hiệu ra chung của một hệ nhiều load cell dựa trên cơ sở đầu các tín hiệu ra trung
bình của từng load cell. Điều đó gây nên dễ xảy ra hiện tượng có load cell bị lỗi mà không
được nhận biết. Một khi đã nhận ra thì cũng khó khăn trong việc xác định load cell nào
lỗi, hoặc khó khăn trong yêu cầu sử dụng tải kiểm tra, hay yêu cầu sử dụng các thiết bị đo

13


Bài tập lớn: Trang bị điện- điện tử máy công nghiệp dùng chung
lường như đồng hồ volt-ampe với độ chính xác cao, đặc biệt trong điều kiện nhà máy
đang hoạt động liên tục.
- Thực tế còn rất nhiều yếu tố khác liên quan đến độ chính xác của hệ thống cân như:
•

Quá trình chỉnh định hệ thống.

•

Nhiễu rung và ồn.

•

Do tác dụng chuyển hướng lực trong các cơ cầu hình ống.

•

Quá trình phân tích dò tìm lỗi.

•

Thay thế các thành phần trong hệ thống cân hoặc các hệ thống liên quan.

•

Đi dây cáp tín hiệu dài.

•

Môi trường hoạt động quá kín.

- Không thể tính toán được trước các yếu tố ảnh hưởng này để có thể mô hình hóa
trong quá trình phân tích và thiết kế. Trong khi đó điều kiện làm việc ở mỗi nơi rất khác
nhau, thiết bị đo ở các xa cảm biến, tín hiệu truyền dẫn yếu dễ bị tiêu hao và nhiều loại
nhiễu tác động, đặc biệt với môi trường làm việc khắc nghiệt trong nhà máy và xí nghiệp.
Tín hiệu đưa về đến thiết bị đo lường khó phản ảnh trung thực giá trị thực tế.
- Trong khi đó, các bộ hiển thị hiện nay thường dùng hệ vi xử lý tốc độ thấp, năng lực
tính toán không cao, ít thiết bị tích hợp các thuật toán xử lý chỉnh định các số liệu thu thập
về, hoặc nếu có còn ở mức độ đơn giản. Do các bộ hiển thị sử dụng với nhiều loại load
cell khác nhau nên các thuật toán chỉnh định chỉ mang tính tương đối, không triệt để, đặc
biệt là chưa có thiết bị nào tích hợp tính năng bù sai lệch do nhiệt độ. Chức năng lọc
nhiễu điện từ trường cho tín hiệu đo của các thiết bị này còn rất kém. Một yếu điểm nữa
là tần số lấy mẫu thấp, do đó không thể áp dụng trong các ứng dụng mà lực tác dụng biến
đổi nhanh (cân động) như các hệ thống cân băng liên tục,….
- Tuy nhiên, từ cuối những năm 1970, các nhà chế tạo load cell đã khám phá khả năng
có thể kết hợp giữa công nghệ điện tử hiện đại với các thành phần đo cơ bản, và khái
niệm load cell số ra đời. Ban đầu, khi khái niệm load cell số mới ra đời, nhiều người hiểu
lầm là các load cell số có các phần tử điện tiêu hao thấp có thể được sử dụng để chuyển
đổi một load cell chất lượng thấp lên một load cell chất lượng cao.
- Thực tế thì ngược lại, 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 dịnh 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
14

Bài tập lớn: Trang bị điện- điện tử máy công nghiệp dùng chung
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 trung thực nhất và giao tiếp
với các thiết bị khác để trao đổi thông tin. Tham khảo cấu trúc một load cell số trên hình
bên dưới.

Hình 2.6.Cấu trúc load cell số.
- 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 EPROM 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.

15


Bài tập lớn: Trang bị điện- điện tử máy công nghiệp dùng chung
- Một hệ thống số điển hình bao gồm một số các load cell số nối với máy tính, PLC
hoặc thiết bị đo như bộ hiển thị. Bên trong hệ thống, mỗi load cell độc lập có thể được
nhận dạng bằng địa chỉ làm việc của nó. Địa chỉ làm việc đó có thể được cài đặt do người
lập trình thông qua một hoặc nhiều địa chỉ cung cấp bởi nhà máy. Thông thường địa chỉ
“0” được sử dụng như là một địa chỉ làm cho tất cả các load cell trả lời, trong khi các số

nối tiếp của load cell có thể được sử dụng để yêu cầu một địa chỉ xác định.
- Các load cell số hoạt động trên một chương trình điều khiển kiểu Master/Slave, ở đó
định nghĩa một thiết bị (thường là PC hoặc indicator) là master trên mạng. Có hai chế độ
hoạt động chính: Master giám sát tất cả các quá trình truyền phát bằng cách giao tiếp với
từng slave một cách tuần tự, hoặc master gửi dữ liệu yêu cầu các slave trả lời theo địa chỉ
tuần tự. Chế độ thứ nhất có ưu điểm trong sự mềm dẻo và nắm bắt lỗi, trong khi chế độ
hai hướng đến tốc độ giao tiếp. Hầu hết các load cell số kết nối theo chuẩn RS485 hoặc
RS422. Cả hai kiểu giao thức đều có các đặc tính tương tự nhau và cung cấp một môi
trường multi-drop. Việc giao tiếp giữa các thiết bị nối trên mạng dựa trên giao thức quy
định bởi nhà sản xuất.
- Có lẽ điểm khác biệt quan trọng nhất giữa hệ thống load cell tương tự và số là mặc
dù nối với nhau nhưng mỗi load cell số hoạt động như là một thiết bị độc lập.
- Load cell số cho phép với trong nhiều ứng dụng khác nhau. Dưới đây là 4 mô hình
ứng dụng điển hình.
 Mô hình 1.

Các load cell số cung cấp đầu ra theo giao diện RS422 hoặc RS 485. Các load cell nối
với nhau thành cấu trúc hình sao. Junction Box hỗ trợ nối song song 8 load cell số. Card
RS422/RS485 cho phép kết nối trực tiếp đến máy tính PC hoặc PLC.

16


Bài tập lớn: Trang bị điện- điện tử máy công nghiệp dùng chung

Hình 2.7. Mô hình 1.
 Mô hình 2.

Mô hình này chỉ khác với mô hình 1 là có thêm các thiết bị bảo vệ SPD cho hệ thống
load cell và máy tính chủ, chống lại các ảnh hưởng có hại như xung điện hoặc quá áp.

Hình 2.8. Mô hình 2.
 Mô hình 3.

Với hệ thống load cell số, các load cell có thể hoạt động như các thiết bị độc lập,
nhận dạng trong hệ thống bằng địa chỉ của nó. Vì vậy, nhiều hệ thống có thể cùng dùng
17


Bài tập lớn: Trang bị điện- điện tử máy công nghiệp dùng chung
chung một thiết bị điều khiển, đơn giản chỉ cần đi đường dây mạng liên kết chúng về một
trạm điều khiển. Thông thường một trạm chủ này có thể quản lý được đến 32 load cell số.

Hình 2.9. Mô hình 3.
 Mô hình 4.

Trong mô hình này, bộ hiển thị đóng vai trò là trạm chủ giao tiếp trực tiếp với các
load cell hoặc với Junction Box. Ngoài chức năng hiển thị, bộ hiển thị này có thể thực
hiện một số chức năng điều khiển khác thông qua các đầu vào ra.

Hình 2.10. Mô hình 4.

18


Bài tập lớn: Trang bị điện- điện tử máy công nghiệp dùng chung
Khái quát lại, hệ thống cân dùng load cell số có một số ưu điểm nổi bật sau:
- Với đầu ra số, hệ thống có được:
•

Tín hiệu ra số “khỏe”, rất ít bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ hoặc thay đổi nhiệt độ
thất thường trên đường dây cable dẫn.

•

Khoảng cách dây cáp dẫn có thể kéo dài đến 1200m.

•

Dễ dàng thay thế load cell.

•

Dữ liệu số có thể xử lý trực tiếp bằng máy tính, PLC hoặc trên bộ hiển thị khi cần.
- Mỗi load cell là một thiết bị hoạt động độc lập trong hệ thống, do đó:

•

Có thể mở rộng cấu trúc dễ dàng.

•

Có thể thực hiện tối ưu hóa hệ thống dễ dàng qua phân tích từng thành phần tích
hợp.

•

Cân bằng các góc cân có thể thực hiện bằng thiết bị. Thay đổi, sửa lỗi một load cell
không ảnh hưởng đến các load cell khác. Công việc thực hiện dễ dàng và đơn giản,
tiết kiệm thời gian.

- Một số ưu điểm khác :

•

Với hệ thống yêu cầu độ chính xác vừa và thấp có thể tự động chỉnh định mà
không cần tải chết.

•

Load cell có thể thay thế mà không cần chỉnh định lại.

•

Các thiết bị theo chuẩn RS485/422 đều có thể tham gia vào hệ thống.

•

Nhiều hệ thống có thể kết nối và điều khiển bởi một trạm. Chỉ đơn giản là mở rộng
đường dây cable. Tiết kiệm phần cứng.

•

Phần mềm dễ dàng phát triển.

•

…

Những ưu điểm của hệ load cell số cho phép trong các ứng dụng độ chính xác cao và
chống chịu nhiễu tốt, đặc biệt ở những ứng dụng yêu cầu các điểm đo nằm phân tán trên

phạm vi rộng.
2.3.2. PLC.
PLC là bộ điều khiển logic được viết tắt của từ tiếng Anh Programmable logic
controller , đó là một thành viên họ hàng của máy tính dùng các vi mạch tích hợp thay
cho các thiết bị cơ điện để thực hiện các chức năng điều khiển . PLC có khả năng lưu giữ
19


Bài tập lớn: Trang bị điện- điện tử máy công nghiệp dùng chung
dữ liệu , thực hiện bộ đếm và thời gian , các thuật toán điều khiển , truyền thông để điều
khiển các thiết bị và dây chuyền công nghiệp .Có thể hiểu PLC là máy tính công nghiệp
với thiết kế chuyên dụng cả phần khối trung tâm và phần phối ghép với thiết bị hiện
trường .
–

Phần cứng :

+ Sử dụng các VXL hiện đại để có thời gian quét nhanh .
+ Giá thành hạ, kích thước nhỏ , đầu ra thay thế trực tiếp đến 10 rơle .
+ Mật độ vào/ra cao .
+ Phối ghép vào/ra dựa vào VXL nên thông minh cao , ghép nối được với mạng
như CAN bus , fieldbus , v.v... .
+ ... .
–

Phần mềm :

+ Tích hợp trong PLC phần mềm hướng đối tượng và ngôn ngữ đa năng .
+ Tập lệnh mạnh nên mở rộng miền ứng dụng cho các bộ điều khiển nhỏ .
+ Cài đặt các ngôn ngữ lập trình cấp cao như BASIC , C .

+ Các lệnh khối chức năng được cài đặt cho cho tập lệnh kiểu LADDER .
+ Cài đặt các thuật toán chẩn đoán và phát hiện lỗi .
+ Xử lý tính toán dấu phẩy động nên tính toán được các phép toán phức tạp .
- Về cấu hình : PLC gồm 2 bộ phận chính :Khối xữ lý trung tâm và hệ ghép nối vào/ra.
Khối CPU có 3 phần chính : khối xữ lý , khối nhớ , khối nguồn cấp .
- Về hoạt động : CPU thực hiện theo chu kỳ quét với 3 giai đoạn : Đọc dữ liệu (dữ liệu
đầu vào từ thiết bị hiện trường qua các ghép nối đầu vào ) , Xữ lý dữ liệu (theo thuật toán
điều khiển được cất giữ trong khối nhớ ) , Viết dữ liệu ra ngoài (gửi dữ liệu đến thiết bị
đầu ra thông qua mạch ghép nối đầu ra ) .Quá trình xữ lý này cứ lặp lại theo trình tự Đọc
đầu vào, Thực hiện chương trình ghi trong bộ nhớ , Gửi số liệu ra được gọi tên : quét

20


Bài tập lớn: Trang bị điện- điện tử máy công nghiệp dùng chung
-

S7-300 được sử dụng như là PLC cơ bản trong hệ thống cân Rotor

-

S7-300 hỗ trợ một lượng lớn các đầu vào ra

-

S7-300 được module hóa và có thể mở rộng

-

Hệ thống đầu vào/ra được chia thành các module riêng. Chúng được liên kết tới

CPU theo đường truyền thông Profibus

Hình 2.11. Hình ảnh PLC S7-300 và giao thức truyền thông.

21


Bài tập lớn: Trang bị điện- điện tử máy công nghiệp dùng chung
Chương 3:
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Như đã giải thích, lượng liệu trong buồng chứa được đo trước khi chảy xuống, nghĩa
là trước khi nó được chuyển đến hệ thống như một khối lượng xác định. Ngăn bánh rotor
phân chia tương ứng bên trong các bộ phận trong điều khiển điện tử vì vậy mà sự thay đổi
ở một vài điểm đo trong các ngăn bánh rotor là có thể biết được. Với việc đo liên tục vị trí
của ngăn bánh rotor với 2 máy đo số tốc độ góc, tốc độ của ngăn chứa liệu có thể tính
toán trước và liên hệ với dung tích từng phần của bánh răng. Không giống như hệ thống
điều khiển bám, phương pháp điều khiển tiên đoán (bù nhiễu) sớm phát hiện ra bất kỳ sự
biến thiên nào của nguyên vật liệu, cho phép điều chỉnh tức thời khi vật liệu được chuyển
đến hệ thống.

Hình 3.1. Mô hình điều khiển của phương pháp Proscon
Để đáp ứng yêu cầu định lượng nhiên liệu cố định đầu vào hay hoạt động gây dư
thừa nhiên liệu đầu vào, thì việc lựa chọn 1 hệ thống định lượng là rất cần thiết. Vì thế
rotor weighfeeder với hệ thống định lượng điều khiển tiên đoán thay vì sử dụng người
điều khiển sẽ sử dụng 1 hệ thống kiểm soát trong đó nhiên liệu được truyền tải không bị
đứt đoạn mà cùng với điểm đặt(W) trở thành mẫu đầu vào. PC sử dụng điểm đặt đó (W)
và bộ phận đo nhiên liệu tải hiện tại(B) để tính toán vận tốc chính xác của nhiên liệu cần
thiết tại điểm xả.
Vận tốc nhiên liệu đựơc tính toán theo cách này, trong trường hợp của rotor
weighfeeder, phải được đặt thông qua tốc độ của rotor (n) 1 cách chính xác ngay tức thời

khi nhiên liệu được xả để đảm bảo tốc độ cấp liệu không đổi.
22


Bài tập lớn: Trang bị điện- điện tử máy công nghiệp dùng chung
Để đặt vận tốc nhiên liệu chính xác (tốc độ rotor) tại điểm xả thì không chỉ xác định
việc kiểm soát đầu ra mà phải tính cả quán tính của bộ điều khiển định lượng. ProsCon vì
thế cung cấp việc kiểm soát nhiên liệu đầu ra với vận tốc theo yêu cầu trước khi tới điểm
xả, trong khi đó cũng tính đến điểm dừng trong hệ thống điều khiển.
Kết quả đo sẽ được ghi lại và hiển thị trên màn hình
Rotor weighfeeder với hệ thống kiểm soát dự báo trước đạt chất lượng tốt nhất có thể
của việc cấp liệu khi cung cấp ximăng với bột ximăng thô, than nghiền và nhiên liệu loại
2 cho lò nung.
PC khi vận hành sẽ không có độ lệch nhiên liệu trong tỉ lệ tiêu hao nhiên liệu nếu sự
điều chỉnh và tham số của rotor weighfeeder được thực hiện chính xác và dòng nhiên liệu
đảm bảo.
Điều này được thể hiện rõ ràng trong biểu đồ về hệ thống định lượng than bột cho quá
trình đốt cháy(đồ thị trên). biểu đồ thể hiện lượng than bột truyền tải(B) trong khu vực
chứa rotor đo nhiên liệu, tốc độ thuận nghịch của rotor(n) (vận tốc góc) được đặt bởi bộ
điều khiển rotor, và giá trị thực(X) của tỉ lệ tiêu hao than đá. Tất cả giá trị được thể hiện
liên quan đến điểm xả vào đường ống dẫn đến khu lò đốt.
Cần chú ý ở đây đối với khu vực truyền tải bột than, sẽ tiếp tục giảm từ điểm t. Khi
thông qua chuyển động của rotor, phần nhiên liệu được truyền tải từ điểm đo được đến
điểm kiểm soát trước. Trước khi đến điểm xả liệu thì tốc độ rotor (n) được kiểm soát 1
cách chính xác tại điểm xả, khi đến nơi truyền tải thì ngược lại, dẫn đến vận tốc góc gia
tăng chính xác đại điểm xả.
Giá trị thực của tỉ lệ tiêu hao bột than(X) được thể hiện giữa tốc độ rotor (n) được đặt
tại điểm xả và phần nhiên liệu truyền tải dự trữ(B)
Một đặc tính riêng của cân định lượng rôto là dải điều chỉnh rất lớn. Không giống như
hệ thống đo đạc và đo định lượng khác, lực đo của khối lượng trong các khoang của ngăn

bánh rotor không phụ thuộc tốc độ cấp liệu. Cân định lượng rôto là hệ thống cân đo trọng
lượng trong đó khối lượng liệu được đo trực tiếp và không có lực gián tiếp phát sinh. Hệ
thống điều khiển tiên liệu (bù nhiễu) đã kết hợp với kỹ thuật điều khiển hiện đại làm nó
có thể dễ dàng đạt tới hệ thống xử lý với độ chính xác cao.
So sánh 1 hệ thống tiếp liệu điều khiển PID chuẩn với hệ thống cân định lượng Rôto
được điều khiển PROSCON. Trong ví dụ này, coi lượng tải là ổn định.

23


Bài tập lớn: Trang bị điện- điện tử máy công nghiệp dùng chung
PID
- Đặc trưng cho một hệ thống chuẩn
PID được trình bày: Nếu tỉ lệ cấp liệu thay
đổi thì hệ thống sẽ cố gắng bù độ lệch giữa
giá trị điểm đặt và giá trị cấp liệu ra bằng
đáp ứng điều chỉnh tốc độ bộ cấp liệu.

PROSCON
- Đặc trưng của PROSCON: Momen
của cấp liệu luôn được xác định với cảm
biến trọng lượng (load cell). Tín hiệu của
load cell luôn tỉ lệ với lượng nguyên liệu
trong khoang ngăn chứa.

- Phương pháp này gắn với trễ và có đáp
ứng của cấp liệu là chậm so với giá trị đặt,
dẫn đến việc bộ PID làm việc ở chế độ
“time mode” (điều khiển tuần tự theo thời
gian). Nghĩa là hệ thống sẽ đợi cho đến khi

có sai lệch rồi lúc đó mới tác động.

- Với 2 máy đo số tốc độ góc, việc điều
khiển tiên liệu khiến hệ thống PROSCON
biết trước được quá trình xảy ra trước thời
điểm xả và tính toán được tốc độ cần thiết
của bánh răng rotor.

- Là nguyên nhân khiến hệ điều khiển
- Do được điều khiển bởi bộ điều khiển
PID có xu hướng dao động khi điều khiển tần số tốc độ cao nên hầu như không có
quá nhanh.
thời gian trễ và đáp ứng ngay giá trị đặt.

Hình 3.2. So sánh đặc tính hai phương pháp điều khiển.

24


Bài tập lớn: Trang bị điện- điện tử máy công nghiệp dùng chung
Chương 4:
HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG

Hình 4.1. Sơ đồ truyền thông toàn nhà máy.

25