Xây dựng chương trình cho chu trình buồng trộn bê tông nhựa nóng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Xây dựng chương trình cho chu trình
Buồng trộn bê tông nhựa nóng

Hà Nội
Tháng 07 năm 2016


MỤC LỤC
Trang
I. BÊ TÔNG NHỰA NÓNG ............................................................................ 2
II. PHÂN TÍCH CÔNG NGHỆ ....................................................................... 4
2.1. Phương pháp điều khiển bằng tay ......................................................... 4
2.2. Phương pháp điều khiển tự động ........................................................... 4
2.3. Quá trình vận hành buồng trộn ............................................................. 5
III. PHÂN TÍCH MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC CHU TRÌNH ......................... 7
3.1. Phân chia chu trình ............................................................................... 7
3.2. Phân tích mối quan hệ giữa các chu trình .............................................. 8
IV. GRAFCET ............................................................................................... 9
4.1. Grafcet chu trình buồng trộn ................................................................ 9
4.2. Địa chỉ hóa các biến trong chu trình buồng trộn: ................................. 10
4.3. Phân tích Grafcet ................................................................................ 11
V. PHÂN TÍCH LIÊN KHÓA GIỮA CÁC CHU TRÌNH.............................. 12
5.1. Nguyên tăc liên khóa ........................................................................... 12
5.2. Liên khóa giữa các chu trình ............................................................... 12
VI. XÂY DỰNG LOGIC LÀM VIỆC, LIÊN KHÓA & BẢO VỆ .................. 15
6.1. Nguyên tắc lập trình cho hệ thống với chu trình nhiều liên khóa .......... 15
6.2. Tổ chức chương trình .......................................................................... 16
VII. VIẾT CHƯƠNG TRÌNH CHO S7-200 .................................................. 18

1. Phương trình logic ................................................................................. 18
2. Lập trình S7-200 ngôn ngữ Ladder ........................................................ 18

1|Page


I. BÊ TÔNG NHỰA NÓNG
- Bê tông nhựa nóng gồm có nhựa đường và cốt liệu được trộn nóng trong trạm trộn
rồi rải nóng.
- Hỗn hợp bê tông nhựa rải nóng thường được sử dụng để làm mặt đường cao tốc,
các quốc lộ, đường thành phố, đường sân bay.
- Tùy theo từng loại mặt đường thì cấp phối sử dụng trong vật liệu sẽ thay đổi thành
phần tỉ lệ hạt cho phù hợp.
- Công nghệ sản xuất bê tông nhựa nóng với trung tâm là quá trình trộn nóng vật
liệu đã được rang nóng với nhựa nóng cộng với các loại phụ gia cần thiết với tỉ lệ đã
được định trước.

Sơ đồ công nghệ trạm trộn bê tông nhựa nóng
8

9

10 11 16

17
15

7
14
2

3

4

5

6
13
12

18

19

20

21

22

23

24

25 26
27

Đến buồng trộn

2|Page


1. Phễu cấp liệu nguội

2. Băng tải ngắn.

3. Động cơ rung

4. Băng tải gầu nguội

5. Tang sấy

6. Đầu đốt.

7. Băng tải gầu nóng.

8. Sàng rung

9. Phễu cấp liệu nóng.

10. Buồng cân cốt liệu

11. Cảm biến cân cốt liệu

12. Phễu bột đá.

13. Vít tải bột đá

14. Băng tải gầu bột đá.

15. Khoang chứa bột đá.

16. Buồng cân bột đá

17. Cảm biến cân bột đá

18. Đầu đốt dầu

19. Két dầu

20. Bơm dầu tuần hoàn

21. Két nhựa đường

22. Bơm nhựa đường

23. Đường ống tuần hoàn

24. Van chữ T

25. Buồng cân nhựa đường.

26. Bơm phun nhựa

27. Buồng trộn

Trong bài này ta chủ yếu nghiên cứu buồng trộn (27) các chu trình ảnh hưởng
đến buồng trộn trong quá trình vận hành trạm trộn
Để tiến hành xây dựng chương trình PLC cho một hệ thống, cần thực hiện các

công việc sau:
- Phân tích công nghệ
- Phân tích mối quan hệ giữa các chu trình
- Xây dựng Grafcet và liên khóa cho các chu trình
- Định nghĩa các biến trạng thái
- Phân chia vùng địa chỉ bộ nhớ và vùng địa chỉ của các thiết bị.
- Định nghĩa các biến vào ra.
- Lập trình ngôn ngữ Ladder theo Grafcet đã được định nghĩa.
Sau đây ta sẽ tiến hành khảo sát và lập trình.

3|Page


II. PHÂN TÍCH CÔNG NGHỆ
Từ yêu cầu công nghệ của trạm trộn nói chung và buồng trộn nói riêng, tuỳ theo
thời điểm sản xuất và công nghệ chế tạo, người ta sử dụng các phương pháp điều
khiển như sau:
* Phương pháp điều khiển bằng tay.
* Phương pháp điều khiển tự động.
2.1. Phương pháp điều khiển bằng tay
Phương pháp điều khiển bằng tay là phương pháp điều khiển trực tiếp, áp dụng
cho các trạm trộn thế hệ đầu tiên hoặc khi hệ thống điều khiển có sự cố, cần khắc
phục tạm thời hoặc sửa chữa. Điều khiển trạm trộn chủ yếu thao tác bằng tay với
các nút bấm.Yêu cầu đặt ra cho người điều khiển trạm là phải có tay nghề thành
thạo, am hiểu các tính năng kỹ thuật của trạm. Các quy tắc vận hành phải được tuân
thủ tuyệt đối theo quy trình kỹ thuật. Năng suất trạm và chất lượng phụ thuộc vào
kinh nghiệm của người vận hành điều khiển trạm. Do vậy năng xuất trạm thường
không cao, chất lượng kém. Phương pháp điều khiển này không được áp dụng trong
quá trình trạm làm việc bình thường.
Đối với phương pháp này thì buồng trộn cũng sẽ được vẫn hành theo thứ tự

công nghệ của trạm.
2.2. Phương pháp điều khiển tự động
Việc định lượng vật liệu, tính thời gian trộn, quá trình trộn, quá trình xả từ
buồng trộn đều được thực hiện tự động.
Tự động hoá hoàn toàn trạm trộn làm cho công tác vận hành trở nên đơn giản,
năng suất trạm nâng cao, chất lượng thảm nâng cao, tiết kiệm nguyên vật liệu, năng
lượng.
Ngoài ra hệ thống điều khiển tự động còn có khả năng giám sát và thu thập dữ
liệu hỗ trợ quá trình quản lý sản xuất.
Quá trình sản xuất bê tông nhựa nóng là tổng hợp của 3 hệ thống:
- Hệ thống định lượng: Cấp liệu nguội, vận chuyển bằng các băng tải và băng
gầu, cân, trộn, xả...).
4|Page


- Điều khiển chu trình: Kiểm soát quá trình nạp liệu, trộn, xả.
- Hệ thống gia nhiệt: Tang sấy và nhựa nóng.
2.3. Quá trình vận hành buồng trộn
8

9

10 11 16

17
15

7
14
2

3

4

5

6
13
12

18

19

20

21

22

23

24

25 26
27

Đến buồng trộn

Quá trình được thực hiện như sau:
- Cốt liệu được định lượng sơ bộ ở hệ thống cấp liệu nguội qua phễu cấp liệu xuống
băng tải (2). Hệ thống băng tải sẽ chuyển cốt liệu qua băng tải gầu nguội (4) vào
tang sấy (5).
- Tại tang sấy, cốt liệu được sấy khô ở nhiệt độ cao. Tang sấy được sấy nóng nhờ
đầu đốt (6). Đầu đốt có chức năng gia nhiệt tang sấy để sấy hốn hợp cốt liệu.
- Sau khi được sấy tại tang sấy, cốt liệu được vẫn chuyển qua băng tải gầu nóng (7)
lên cao và đổ vào phễu cấp liệu nóng (9). Tại đây cốt liệu được chứa vào các hộc
khác nhau để phân biệt từng loại cốt liệu riêng biệt. Ở dưới mỗi hộc đều có xi lanh

5|Page


khí nén đóng mở cửa xả vào buồng cân (10). Cốt liệu sau khi đã được cân theo yêu
cầu tại buồng cân thì sẽ được đổ vào buồng trộn (27)
- Ngoài cốt liệu thì bột đá cũng sẽ được định lượng và nhựa đường được đốt nóng
cũng sẽ được đổ vào buồng trộn theo đúng tỉ lệ đã quy định
Buồng trộn (27) có chức năng trộn cưỡng bức có chu kì chia làm 2 giai đoạn:
Trộn khô (Trộn hỗn hợp cốt liệu nóng với phụ gia) và trộn ướt (Sau khi trộn khô
xong thì thực hiện bơm phun nhựa nóng vào buồng trộn) hỗn hợp cốt liệu nóng với
phụ gia và nhựa nóng để tạo ra bê tông nhựa nóng asphalt hay còn gọi là thảm. Việc
trộn được thực hiện nhờ các cánh trộn được dẫn động bởi động cơ không đồng bộ
rôto lồng sóc qua hộp giảm tốc, thường chế tạo thùng trộn có 2 trục quay gắn các
cánh trộn và kích thước với công suất tuỳ thuộc vào công suất trạm trộn. Dưới đáy
thùng trộn có cửa xả đóng - mở bằng xi lanh khí để xả bê tông nhựa nóng xuống ô
tô chở ra đường đổ vào máy rải thảm.
Ngoài các hệ thống chính trên còn có các hệ thống phụ trợ khác như hệ thống xử lí
bụi , cabin điều khiển, hệ thống khí nén,…

6|Page

III. PHÂN TÍCH MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC CHU TRÌNH
3.1. Phân chia chu trình
Trong trạm BTNN, chia thành 4 chu trình độc lập:
-

Chu trình cân cốt liệu: Đảm bảo việc cân và xả các loại cốt liệu

-

Chu trình cân phụ gia
Chu trình cân nhựa
Chu trình buồng trộn.

Mỗi chu trình cân sẽ kiểm soát các cửa nạp liệu vào buồng cân và cửa xả liệu từ
buồng cân vào buồng trộn. Các chu trình hoạt động độc lập và liên khoá với các chu
trình khác bởi 2 điều kiện cho phép cân và cho phép xả.
Chu trình buồng trộn thực hiện việc trộn và xả sản phẩm. Trước khi trộn sản phẩm,
buồng trộn phải được nạp liệu. Trong trạng thái này, các buồng cân sẽ được phép
nạp cốt liệu vào buồng trộn. Sau khi trộn xong, buồng trộn sẽ xả sản phẩm xuống xe
chở sản phẩm .

Chu trình bột
đá

Chu trình cốt
liệu

Chu trình

buồng trộn

Chu trình
asphalt

Các chu trình của trạm trộn BTNN và liên khóa giữa các chu trình

7|Page


3.2. Phân tích mối quan hệ giữa các chu trình
Chu trình buồng trộn là chu trình trung tâm, có mối quan hệ mật thiết với các
chu trình cốt liệu, bột đá, nhựa đường
Các chu trình này hoạt động độc lập với nhau, ví dụ trong lúc chu trình buồng
trộn thực hiện thì các chu trình như cốt liệu, bột đá, nhựa đường cũng đang làm
nhiệm vụ riêng của từng chu trình. Nhưng các chu trình lại liên quan tới nhau như
nếu thiếu 1 trong 3 chu trình cốt liệu, bột đá hay nhựa đường thì chu trình buồng
trộn sẽ không làm việc.
=> Do các chu trình hoạt động độc lập với nhau, mỗi chu trình thực hiện 1 công
việc độc lập nhưng lại liên quan tới nhau, các công việc này được thực hiện tuần tự
từ bước này sang bước kia nên phương án lập trình ở đây được chọn là lập trình
theo bước.

8|Page


IV. GRAFCET
4.1. Grafcet chu trình buồng trộn

S1

Bắt đầu
Start

S2

Chuẩn bị trộn
Sẵn sàng

S3

S5

Nạp cốt liệu

Trộn khô
T1

Nạp cốt liệu xong
S4

S7

Nạp xong

S6

Trộn ướt

S9

Tưới nhựa
Tưới nhựa xong

T2
S8

Trộn xong

Trộn xong

S10

S11

Xả bê tông

Tưới xong

Mở cửa xả buồng trộn

T3
S12

Nghỉ
T4

S13

Kết thúc

9|Page


4.2. Địa chỉ hóa các biến trong chu trình buồng trộn:
Địa chỉ

Ghi chú

S2

M0.0

Chuẩn bị trộn

S3

M0.1

Nạp cốt liệu

S5

M0.2

Trộn khô

S4

M0.3

Nạp xong

S6

M0.4

Trộn xong

S7

M0.5

Trộn ướt

S9

M0.7

Tưới nhựa vào buồng trộn

S8

M0.6

Trộn ướt xong

S10

M1.0

Tưới nhựa xong

S11

M1.1

Xả bê tông nhựa

S12

M1.2

Nghỉ trộn

S1

M1.3

Bắt đầu

S13

M1.4

Kết thúc

S23

Liên khoá: Buồng cân

Kí hiệu
Các biến trạng thái

Các biến nội bộ và liên
khóa

nhựa ở trạng thái nghỉ
Các đầu vào
START

I0.0

Nút ấn start

STOP

I0.2

Nút nhấn Stop

10 | P a g e


Các đầu ra và timer
T_KHO

T1

Thời gian trộn khô

T_UOT

T2

Thời gian trộn ướt

Q1.0

Cửa xả buồng trộn

T_XA

T3

Thời gian xả sản phẩm

T_NGHI

T4

Thời gian nghỉ trộn

4.3. Phân tích Grafcet
Dưới đây ta phân tích 1 chu trình làm việc của buồng trộn bê tong nhựa nóng trọng
trạm trộn:
- Buồng trộn ở trạng thái 0 (bắt đầu). Khi nhấn nút Start để cấp điện cho buồng trộn
làm việc thì buồng trộn chuyển sang trạng thái 1 (Chuẩn bị trộn). Lúc này sẽ xảy ra
2 trường hợp:
+) Hệ thống chưa sẵn sàng thì sẽ giữ nguyên trạng thái 1 mà sẽ không được chuyển

trạng thái
+) Hệ thống sẵn sàng thì hệ thống sẽ bắt đầu làm việc với trạng thái 3 và 5 đồng
thời
- Trạng thái 3 (Nạp cốt liệu) và trạng thái 5 (Trộn khô) được trộn bởi động cơ được
kích hoạt cùng lúc. Trong khi trạng thái 3 nạp cốt liệu xong chuyển sang trạng thái
4 (Nạp liệu xong) thì trạng thái 5 sẽ chuyển sang trạng thái 6 sau 1 khoảng thời gian
định trước T1.
- Khi 2 trạng thái 4 và trạng thái 6 đều đã có thì hệ thống sẽ chuyển sang trạng thái
7 (Trộn ướt) được thực hiện bởi động cơ trôn và trạng thái 9 (Tưới nhựa). Nếu 1
trong 2 trạng thái 4 và 6 chưa được thực hiện thì hệ thống sẽ đợi đến khi cả 2 trạng
thái này cùng mở.
- Tiếp tục thực hiện quá trình thì trạng thái 7 được chuyển sang trạng thái 8 (Trộn
ướt xong) sau khoảng thời gian T2 được định trước. Thực hiện song song với quá
trình chuyển trạng thái đó là quá trình chuyển từ trạng thái 9 sang trạng thái 10
(Tưới nhựa xong) khi gặp điều kiện tưới nhựa xong
- Khi 2 trạng thái 8 và trạng thái 10 đều được tích cực thì hệ thống tiếp tục chuyển
sang trạng thái 11 (Xả sản phẩm). Quá trình xả bê tong sẽ được ấn định bởi timer
11 | P a g e


T3. Sau khi xả bê tong xong hệ thống sẽ chuyển về trạng thái 12 (Nghỉ) và sẽ kết
thúc 1 chu trình sau khoảng thời gian nghỉ T4
V. PHÂN TÍCH LIÊN KHÓA GIỮA CÁC CHU TRÌNH
5.1. Nguyên tăc liên khóa
Trạng thái của chu trình này là điều kiện chuyển trạng thái của chu trình khác
và ngược lại.
5.2. Liên khóa giữa các chu trình
Chu trình cân cốt liệu:

Bắt đầu

Start
Cân đá 1

Mở van cân đá 1

Cân đá 1 xong (Mcân>Mđặt 1)
Trễ
T0

Cân đá 2

Mở van cân đá 2

Cân đá 2 xong (Mcân>Mđặt2)
Trễ
T1
Cân đá 3

Mở van cân đá 3
Cân đá 3 xong (Mcân>Mđặt3)

Trễ
T2
Mở van cân cát

Cân cát

Cân cát xong (Mcân>Mđặt3)
Chờ xả cốt
liệu

Cho phép xả
Xả CL

Mở cửa xả buồng cân cốt liệu
Xả cốt liệu xong (Mcân
Nghỉ
T3
12 | P a g e
Kết thúc


Chu trình buồng trộn:

S1

Bắt đầu
Start

S2

Chuẩn bị trộn
Sẵn sàng

S3

S5

Nạp cốt liệu

Trộn khô
T1

Nạp cốt liệu xong
S4

S7

Nạp xong

S6

Trộn ướt

S9

Tưới nhựa
Tưới nhựa xong

T2
S8

Trộn xong

Trộn xong

S10

S11

Xả bê tông

Tưới xong

Mở cửa xả buồng trộn

T3
S12

Nghỉ
T4

S13

Kết thúc

13 | P a g e


Chu trình cân phụ gia:

Bắt đầu
Start
Mở cửa xả phụ gia vào buồng cân

Cân phụ
đá 1gia

Cân phụ gia xong
Chờ xả

Cho phép xả phụ gia
Mở cửa xả buồng phụ gia

Xả phụ gia

Xả phụ gia xong
Nghỉ
T4
Kết thúc

Chu trình cân nhựa:

Bắt đầu
Start
Cân nhựa
đá 1

Bơm nhựa nóng vào bình cân nhựa
Cân nhựa xong

Chờ xả nhựa

Cho phép xả nhựa
Xả nhựa

Bơm phun nhựa nóng vào buồng trộn
Xả nhựa xong

Nghỉ
T5

Kết thúc

14 | P a g e


- Liên khóa giữa chu trình buồng trộn và chu trình cân cốt liệu: Trạng thái S3 (Nạp
cốt liệu) sẽ là điều kiện để cho phép xả cốt liệu (Mở cửa buồng cân cốt liệu). Ngược
lại xả cốt liệu là điều kiện để cho động cơ trộn làm việc (Trộn khô).
- Liên khóa giữa chu trình buồng trộn và chu trình cân phụ gia: Trạng thái S3 (Nạp
cốt liệu) sẽ là điều kiện để cho phép xả phụ gia (Mở cửa buồng phụ gia). Ngược lại
xả phụ gia là điều kiện để cho động cơ trộn làm việc (Trộn khô).
- Liên khóa giữa chu trình buồng trộn và chu trình cân nhựa: Trạng thái S9 (Tưới
nhựa) sẽ là điều kiện để cho phép xả nhựa (Bơm phun nhựa nóng vào buồng trộn).
Ngược lại xả nhựa là điều kiện để cho động cơ trộn làm việc (Trộn khô).

VI. XÂY DỰNG LOGIC LÀM VIỆC, LIÊN KHÓA & BẢO VỆ
6.1. Nguyên tắc lập trình cho hệ thống với chu trình nhiều liên khóa
- Nguyên tắc cơ bản: Chia bài toán thành các chu trình nhỏ, độc lập với nhau, liên
khoá bằng các cấu trúc liên khoá.
- Nguyên tắc liên khóa: Trạng thái của chu trình này là điều kiện chuyển trạng thái
của chu trình khác và ngược lại
Nguyên tắc lập trình theo bước
Sn
ĐK.n-1

Sn

Trạng thái n

Trạng thái n+1

S0.n
(R) 1
S0.n+1
(S) 1

Qx

Network chuyển trạng thái

ĐK.n

Sn+1

ĐK.n

Qy

Sn

Qx
( )

Sm
ĐK.n+1

Network điều khiển đầu ra

15 | P a g e

6.2. Tổ chức chương trình
- Các logic được chia làm 3 loại:
+ Logic làm việc: Bao gồm Logic chuyển trạng thái logic điều khiển đầu ra. Logic
làm việc đảm bảo cho hệ thống làm việc đúng tính năng thiết kế.
Để đảm bảo tính chính xác cho chương trình, cần đảm bảo các quy tắc sau:
Mỗi trạng thái chỉ có duy nhất 1 network chuyển trạng thái bao gồm: bắt đầu
bằng logic xác định trạng thái, logic chuyển trạng thái. Khi đảm bảo điều kiện
chuyển trạng thái thì đặt trạng thái mới và reset trạng thái cũ.
Mỗi đầu ra chỉ có duy nhất 1 network điều khiển đầu ra: Đầu ra sẽ được tích
cực khi và chỉ khi chu trình đang ở một trong số các trạng thái tương ứng.
Các network khởi động/dừng: khi khởi động hệ thống, cần phải đưa các thiết bị vào
trạng thái làm việc. Do vậy, cần có những logic khởi tạo trạng thái ban đầu cho tất
cả các thiết bị. Trong cấu trúc lập trình cũng cần có những thiết lập ban đầu cho các
biến.
Ngược lại, khi hệ thống chuyển sang trạng thái dừng (bất thường, người sử dụng
yêu cầu hoặc theo chu trình), cần nhanh chóng chuyển hệ thống về trạng thái dừng
an toàn.
+ Logic liên khóa đầu ra: Logic liên khóa đảm bảo tính chắc chắn của hệ thống. Nó
giữ cho hệ thống luôn làm việc bình thường, không có những trạng thái lạ, những
điều khiển sai (do lỗi lập trình hoặc trong quá trình gỡ rối).
+ Logic sự cố: Trong quá trình hoạt động, không tránh khỏi những sự cố, logic sự
cố nhằm phát hiện những hư hỏng xuất phát từ bên trong hoặc ngoài hệ thống và
hạn chế tối đa các hỏng hóc phát sinh. Thông thường, khi hệ thống đã ở trạng thái
sự cố, khó có thể kiểm soát được thiết bị nào còn hoạt động bình thường, do vậy, vì
lý do an toàn, khi đó, càng nhanh chóng đưa hệ thống về trạng thái dừng càng tốt.
Đối với buồng trộn BTNN ta có liên khóa:
Các cửa nạp liệu và cửa xả liệu của cùng một buồng cân/ buồng trộn là các đầu
ra trái ngược cần được liên khóa lẫn nhau

16 | P a g e


Trong network điều khiển của mỗi đầu ra bố trí các tiếp điểm liên khóa (thường
đóng) của đầu ra ngược lại, nhằm đảm bảo các đầu ra không cùng mở đồng thời.
Bảo vệ: Các trạng thái không bình thường hoặc mất an toàn phải được kiểm tra
và loại trừ.

17 | P a g e


VII. VIẾT CHƯƠNG TRÌNH CHO S7-200

1. Phương trình logic
S2 = S1*Start
S3 = S2*Sẵn sàng
S4 = S3*Nạp cốt liệu xong
S5 = S2*Sẵn sàng
S6 = S5*T1
S7 = S4*S6
S8 = S7*T2
S9 = S4*S6
S10 = S9*Tưới nhựa
S11 = S8*S10
S12 = S11*T3
S13 = S12*T4
2. Lập trình S7-200 ngôn ngữ Ladder

18 | P a g e

19 | P a g e


20 | P a g e


21 | P a g e


22 | P a g e


23 | P a g e