Nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển quá trình cân định lượng

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và đƣợc sự
hƣớng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Văn Hòa. Các nội dung nghiên cứu, kết quả
trong đề tài này là trung thực và chƣa công bố dƣới bất kỳ hình thức nào trƣớc đây.
Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá
đƣợc chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu
tham khảo.
Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về
nội dung luận văn của mình.
Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2016

Tác giả

Bùi Giáp

1


MỤC LỤC
MỤC LỤC ...................................................................................................................2
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT .......................................................4
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ...............................................................................5
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH .................................................................................6
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................8
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƢỢNG..........................10
1.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHUYỂN LIỆU RỜI. .............................10
1.1.1. Cấu tạo hệ thống. ..................................................................................10
1.1.2. Nguyên lý tính lƣu lƣợng:.....................................................................10
1.1.3. Tính lƣu lƣợng bằng phƣơng pháp thực nghiệm: .................................12
1.2. HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƢỢNG. ............................................................13
1.2.1. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống cân định lƣợng......................................13

1.2.2. Sơ đồ khối cấu trúc của hệ thống điều khiển cân định lƣợng. ..............14
Chƣơng 2: XÂY DỰNG CẤU HÌNH HỆ THỐNG .................................................16
2.1. LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ TRONG ĐỐI TƢỢNG ĐIỀU KHIỂN .......16
2.1.1. Băng tải. ................................................................................................16
2.1.2. Động cơ, biến tần. .................................................................................17
2.1.3. Bộ đo tốc độ băng tải Encoder. .............................................................22
2.1.4. Đo mật độ liệu trên băng.......................................................................24
2.1.5. Sơ đồ cấu trúc của đối tƣợng ................................................................25
2.2. BỘ ĐIỀU KHIỂN CÂN BĂNG PLC S7-300. ............................................26
2.2.1. Tổng quan: ............................................................................................26
2.2.2. Module mở rộng. ..................................................................................28
2.2.3. Cấu trúc bộ nhớ của CPU. ....................................................................29
2.2.4. Vòng quét chƣơng trình. .......................................................................31
2.2.5. Đặc tính kỹ thuật PLC CPU313C. ........................................................32
2.3. MÁY TÍNH GIÁM SÁT. ............................................................................34
2.3.1. Tổng quan về WINCC ..........................................................................35
2.3.2. Chức năng của trung tâm điều khiển. ...................................................35
2.4. SƠ ĐỒ KẾT NỐI HỆ THỐNG. .................................................................40
Chƣơng 3: XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN....................................42
3.1. SƠ ĐỒ CẤU TRÚC CÁC KHỐI TRONG PLC .........................................42
2


3.2. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC KHỐI. .............44
3.2.1. Khối FB41 (Khối PID mềm). ...............................................................44
3.2.2. Khối SFB48. .........................................................................................52
3.2.3. Khối FC105...........................................................................................54
3.2.4. Khối SC106...........................................................................................56
3.2.5. Chƣơng trình PLC.................................................................................57
3.3. XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH GIÁM SÁT CÂN ĐỊNH LƢỢNG ........62

Chƣơng 4: KHẢO SÁT HỆ THỐNG .......................................................................69
4.1. XÁC ĐỊNH MÔ TẢ TOÁN HỌC CỦA ĐỐI TƢỢNG ĐIỀU KHIỂN. ....69
4.1.1. Phƣơng pháp xác định mô tả toán học của đối tƣợng...........................69
4.1.2. Sơ đồ cấu trúc chƣơng trình. .................................................................69
4.1.3. Xây dựng chƣơng trình thực nghiệm. ...................................................70
4.1.4. Nhận xét. ...............................................................................................72
4.2. KHẢO SÁT HỆ THỐNG BẰNG MATLAB – SIMULINK. .....................73
4.2.1. Tổng hợp vòng điều khiển tốc độ. ........................................................73
4.2.2. Tổng hợp vòng điều khiển lƣu lƣợng. ..................................................74
4.3. KHẢO SÁT TRÊN HỆ THỐNG THỰC. ...................................................76
4.3.1. Điều khiển tốc độ với bộ điều khiển là khâu tỷ lệ. ...............................76
4.3.2. Điều khiển lƣu lƣợng. ...........................................................................79
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................83
HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI: ...................................................................84

3


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
TT

Viết tắt

Diễn giải

1

ĐC

Động cơ

2

HS

Hộp số

3

Biến tần

4

BT
BC

5

PG

Encoder

6

XILO

7

MT

Máy tính

8

BBĐ

Bộ biến đổi

9

ADC

Analog Digital Convert

10

DAC

Digital Analog Convert

11

HSC

Hight Speed Counter

12

PLC

Programble Logic Control

13

MTGS

Máy tính giám sát

14

TBĐK

Thiết bị điều khiển

15

ĐTĐK

Đối tƣợng điều khiển

Băng tải
Thùng chứa vật liệu

4


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Chƣơng 2: Xây dựng cấu hình hệ thống.
Bảng 2- 1: Chức năng các chân vào ra của biến tần. ................................................18
Bảng 2- 2: Các tham số cài đặt cho biến tần M440 ..................................................20

Chƣơng 3: Xây dựng chƣơng trình điều khiển.
Bảng 3- 1 Biến hình thức đầu vào của khối SFB41 ..................................................49
Bảng 3- 2: Biến hình thức đầu ra khối SFB41. .........................................................51
Bảng 3- 3: Thông số cài đặt cho SFB48 ...................................................................53
Bảng 3- 4: Mã lỗi của khối SFB48 ...........................................................................54

5


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Chƣơng 1: Tổng qua về hệ thống cân định lƣợng.
Hình 1- 1: Cấu tạo hệ cân liên tục .............................................................................10
Hình 1- 2: Bàn cân ....................................................................................................10
Hình 1- 3: Sơ đồ nguyên lý hệ cân băng ...................................................................13
Hình 1- 4 : Sơ đồ khối hệ thống điều khiển cân định lƣợng .....................................15
Chƣơng 2: Xây dựng cấu hình hệ thống.
Hình 2- 1: Sơ đồ khối hệ thống .................................................................................16
Hình 2- 2: Mô hình hệ thống băng tải .......................................................................16
Hình 2- 3: Động cơ kéo băng tải ...............................................................................17
Hình 2- 4: Biến tần M440 .........................................................................................18
Hình 2- 5: Sơ đồ nguyên lý của biến tần M440 ........................................................19
Hình 2- 6: Cấu tạo của encoder. ................................................................................23
Hình 2- 7: Cấu tạo của loadcell .................................................................................24
Hình 2- 8: Bộ khuếch đại loadcell.............................................................................25
Hình 2- 9: Sơ đồ khối của đối tƣợng điều khiển .......................................................25
Hình 2- 10: PLC S7-300 ...........................................................................................27
Hình 2- 11: Vòng quét chƣơng trình .........................................................................31
Hình 2- 12: Sơ đồ nguyên lý kết nối kênh vào ra số. ................................................33
Hình 2- 13: Sơ đồ nguyên lý kết nối kênh vào ra analog ..........................................34
Hình 2- 14: Sơ đồ kết nối hệ thống ...........................................................................40

Chƣơng 3: Xây dựng chƣơng trình điều khiển.
Hình 3- 1: Sơ đồ cấu trúc chƣơng trình.....................................................................42
Hình 3- 2: Cấu trúc của khối FB41 ...........................................................................45
Hình 3- 3: Cấu trúc luật điều khiển ...........................................................................46
Hình 3- 4: Cấu trúc hàm FB41 trong SIMATIC S7 ..................................................48
Hình 3- 5: Cấu trúc của khối hàm SFB48 trong SIMATIC S7 .................................53
Hình 3- 6: Cấu trúc hàm FC105 trong SIMATIC S7 ................................................55
Hình 3- 7: Thiết lập cấu hình cứng cho trạm PLC ....................................................57
Hình 3- 8: Chƣơng trình PLC ...................................................................................62
Hình 3- 9: Cửa sổ làm việc phần mềm WINCC .......................................................63
6


Hình 3- 10: Tạo thiết bị kết nối .................................................................................63
Hình 3- 11: Chọn kết nối MPI...................................................................................64
Hình 3- 12: Chọn tên kết nối .....................................................................................64
Hình 3- 13: Tạo tag nội .............................................................................................65
Hình 3- 14: Tạo một nhóm tag mới ..........................................................................65
Hình 3- 15: Điền tên của nhóm tag ...........................................................................66
Hình 3- 16: Tạo tag liên kết với PLC ........................................................................66
Hình 3- 17: Tag liên kết tới PLC...............................................................................67
Hình 3- 18: Cửa sổ làm việc Graphics Designer ......................................................67
Hình 3- 19: Các công cụ hỗ trợ .................................................................................68
Hình 3- 20: Giao diện Graphics Designer sau khi hoàn thành .................................68
Chƣơng 4: Khảo sát hệ thống.
Hình 4- 1: Sơ đồ cấu trúc chƣơng trình.....................................................................70
Hình 4- 2: Chƣơng trình thực nghiệm .......................................................................71
Hình 4- 3: Đƣờng đặc tính của đối tƣợng .................................................................72
Hình 4- 4: Cấu trúc vòng điều khiển tốc độ ..............................................................73
Hình 4- 5: Đáp ứng đầu ra của vòng điều khiển tốc độ ............................................74

Hình 4- 6: Cấu trúc đối tƣợng điều khiển mới ..........................................................75
Hình 4- 7: Đáp ứng đầu ra của hệ thống ...................................................................75
Hình 4- 8: Sơ đồ cấu trúc chƣơng trình.....................................................................76
Hình 4- 9: Chƣơng trình điều khiển tốc độ ...............................................................78
Hình 4- 10: Kết quả trên WinC. ................................................................................78
Hình 4- 11: Sơ đồ cấu trúc chƣơng trình...................................................................79
Hình 4- 12: Chƣơng trình điều khiển lƣu lƣợng. ...... Error! Bookmark not defined.
Hình 4- 13: Giao diện giám sát trên WinCC .............................................................80
Hình 4- 14: Kết quả đầu ra bộ điều khiển lƣu lƣợng ................................................81
Hình 4- 15: Bộ điều khiển PLC S7-300 ....................................................................82
Hình 4- 16: Mô hình hệ thống cân băng định lƣợng .................................................82

7


LỜI NÓI ĐẦU
Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, ngày nay các hệ thống
băng tải đƣợc sử dụng rộng rãi trong các dây chuyển sản xuất, các nhà máy khu chế
xuất, nhà máy xi măng, trạm trộn bê tông, các nhà máy chế biến thức ăn gia súc, các
nhà máy chế biến thực phẩm...
Băng tải không chỉ đóng vai trò vận chuyển nguyên vật liệu, thành phẩm mà
còn đóng vai trò là các hệ thống cân, đo, đếm trong các hệ thống điều khiển liên tục.
Hệ thống cân băng định lƣợng là một trong những khâu quan trọng giúp cho nhà
máy hoạt động một cách liên tục. Cân băng định lƣợng là một khâu trong dây
chuyền công nghệ nhằm cung cấp chính xác lƣợng nguyên liệu cần thiết cho nhà
máy, lƣợng nguyên liệu này đã đƣợc ngƣời lập trình cài đặt một giá trị trƣớc. Khi
mà lƣợng nguyện liêu trên băng tải ít đi thì đòi hỏi phải tăng tốc động cơ lên để
băng tải chuyển động nhanh hơn nhằm cung cấp đủ lƣợng nguên liệu cần thiết.
Ngƣợc lại khi lƣợng nguyên liệu trên băng tải vận chuyển với lƣu lƣợng 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.
Với sự hiểu biết của bản thân về công nghệ và những kiến thức đã học đƣợc
với mong muốn giúp đỡ các em học sinh có them cái nhìn tổng quan hơn về hệ
thống điều khiển, cùng với sự khuyến khích của thầy Nguyễn Văn Hòa, tôi đã mạnh
dạn thực hiện đề tài: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển quá trình
cân định lượng.
Phƣơng pháp nghiên cứu: Phương pháp thực nghiệm.
Trọng tâm của đề tài là nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển quá
trình cân định lƣợng sử dụng bộ điều khiển PLC S7-300 của hãng SIEMENS và
ứng dụng hàm điều khiển FB41 tích hợp.
Trong quá trình làm luận văn, đựơc sự giúp đỡ của thầy giáo –TS Nguyễn
Văn Hòa cũng nhƣ một số thầy giáo trong Viện đào tạo sau đại học, Viện điện. Bản
luận văn này đã hoàn thành đƣợc 5 nội dung chính sau:

8


Chương 1. Tổng quan về hệ thống cân định lượng.
-

Tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các hệ thống cân định
lƣợng.

Chương 2. Xây dựng cấu hình hệ thống.
-

Xây dựng cấu hình băng chuyền.

-

Lựa chọn thiết bị điều khiển.

Chương 3. Xây dựng chương trình điều khiển.
-

Phân tích hệ thống, xây dựng chƣơng trình điều khiển trên PLC và giao
diện điều khiển giám sát trên máy tính.

Chương 4. Khảo sát hệ thống.
-

Xây dựng mô hình toán học của đối tƣợng điều khiển.

-

Khảo sát hệ thống bằng Matlab-Simulink.

-

Khảo sát trên hệ thống thực.

Kế luận và kiến nghị.
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn Tiến sĩ Nguyễn Văn Hòa cùng các
thầy giáo trong Viện đào tạo sau đại học, Viện điện – Trƣờng Đại Học Bách Khoa
Hà Nội đã giúp em hoàn thành luận văn này.

9


Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƢỢNG

1.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHUYỂN LIỆU RỜI.
1.1.1. Cấu tạo hệ thống.
Cân định lƣợng là hệ thống cân liên tục, lƣu lƣợng liệu đƣợc tính toán dựa trên
tốc độ băng tải và mật độ vật liệu trên băng tải. Sơ đồ hệ thống cân định lƣợng đƣợc
mô tả nhƣ trên hình 1-1.

Hình 1- 1: Cấu tạo hệ cân liên tục
Trong đó:
1: Phễu cấp liệu.
2: Băng tải.
3. Load cell (đo mật độ liệu trên băng tải).
4. Encoder (đo tốc độ băng tải).
5. Hộp giảm tốc.
6. Động cơ điện.

Hình 1- 2: Bàn cân
1.1.2. Nguyên lý tính lƣu lƣợng:
Lƣu lƣợng liệu vận chuyển trên băng tải đƣợc xác định theo công thức sau:
q = v.ql

(1-1)

10


Trong đó:

v là vận tốc chuyển động của băng tải (m/s);
ql là mật độ liệu trên băng tải (kg/m);
q là lƣu lƣợng liệu (kg/s).

Để xác định đƣợc lƣu lƣợng liệu vận chuyển trên băng tải ta phải đo đƣợc 2
thông số là mật độ liệu trên băng và tốc độ chuyển động của băng.
Cân băng đƣợc thiết kế để cân liên tục lƣợng vật liệu vận chuyển trên băng tải.
Vật liệu trên băng đƣợc dẫn lên một bàn cân đƣợc bố trí dƣới băng tải và đƣợc giới
hạn bởi 2 con lăn. Lƣợng vật liệu này cùng băng tải và bàn cân tác dụng một lực lên
loadcell. Tín hiệu điện áp ra của loadcell tỷ lệ với lực tác động lên nó, tín hiệu này
đƣợc khuếch đại và đƣa đến bộ vi xử lý thông qua bộ chuyển đổi tƣơng tự/số
(ADC). Chỉ một nữa tải trọng của vật liệu giữa 2 con lăn giới hạn tác động lên cân.
Chiều dài của lớp liệu cân đƣợc là:
Lhd = Lg/2

(1-2)

Lhd là chiều dài hiệu dụng của lớp liệu (m).
Lg là tổng chiều dài lớp lớp liệu giữa 2 con lăn giới hạn (m).
Mật độ liệu trên băng đƣợc tính toán nhƣ sau:
ql = QB/Lhd

(1-3)

ql là mật độ liệu trên băng (kg/m).
QB là khối lƣợng liệu trên băng đo đƣợc bằng loadcell (kg).
Lƣu lƣợng vận chuyển đƣợc tính theo công thức sau:
q= ql .v = QB.v/Ldh

(1-4)

q là tốc độ cấp liệu (lƣu lựơng).
v: Tốc độ băng tải (m/s).

Trọng lƣợng đo nhờ tín hiệu của LoadCell bao gồm trọng lƣợng của băng tải
của bàn cân và trọng lƣợng vật liệu trên băng. Vì vậy để đo đƣợc trọng lƣợng của
liệu thì ta phải tiến hành trừ bì (tức là trừ đi trọng lƣợng của băng tải và bàn cân).
Bộ điều khiển xác định trọng lƣợng của liệu nhờ trừ bì tự động các phân đoạn
băng tải.

11


 Nguyên lý của quá trình trừ bì như sau: Băng tải phải đƣợc chia thành các
phân đoạn và xác định, trọng lƣợng của các phân đoạn này khi không có liệu
trên băng. Trọng lƣợng của mỗi đoạn băng đƣợc ghi vào bộ nhớ. Khi vận
hành bình thƣờng cân băng tải, trọng lƣợng của vật liệu trên mỗi phân đoạn
đƣợc xác định bằng cách lấy trọng lƣợng đo đƣợc trên đoạn đó trừ đi trọng
lƣợng băng tải tƣơng ứng đã ghi trong bộ nhớ. Điều này đảm bảo cân chính
xác trọng lƣợng liệu ngay cả khi dùng băng tải có độ dày không đều trên
chiều dài của nó.
1.1.3. Tính lƣu lƣợng bằng phƣơng pháp thực nghiệm:
Phƣơng pháp thực nghiệm đƣợc thực hiện trên hệ thống bằng cách nhƣ sau:
Gọi Qđ là lƣu lƣợng trên băng đo đƣợc bằng loadcell và encoder.
q là lƣu lƣợng thực tế vận chuyển trên băng.
Rõ ràng ta thấy q = k.Qd (kg/s) (1-5)
t2

t2

t1

t1

Hay  ql .dt   Qd.dt .
Xác định hệ số K bằng phƣơng pháp tích phân.
Cho băng tải chạy với một vận tốc không đổi v = const trong một khoảng thời
gian t = t2 – t1 không đổi. Xác định khối lƣợng liệu M vận chuyển qua qua băng tải
trong khoảng thời gian t(s) bằng phƣơng pháp cân tĩnh.
t2

Ta có: M   ql .dt

(1-6)

t1
t2

Qd là đo đƣợc, ta xác định Q   qd .dt
t1

Nhƣ vậy k 

M
(1-7)
Q

Hệ số k phải đƣợc xác định lại sau mỗi lần căng lại mặt băng, hoặc có thể
phải kiểm tra định kỳ, để đảm bảo độ chính xác.

12


1.2. HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƢỢNG.

1.2.1. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống cân định lƣợng.

Hệ thống cân định lƣợng bảo đảm giá trị lƣu lƣợng liệu cần thiết vận chuyển
trên băng tải.
Để đo đƣợc chính xác khối lƣợng vật liệu trên băng tải phải đo đƣợc 2 thông
số: mật độ liệu trên băng ql và tốc độ chuyển động của băng tải v. Để điều chỉnh lƣu
lƣợng liệu trên băng có thể điều chỉnh ql hoặc v. Trong thực thế thƣờng điều chỉnh
vận tốc v của băng tải.
Sơ đồ hệ thống cân băng tải đƣợc mô tả nhƣ trên hình 1-3.

Hình 1- 3: Sơ đồ nguyên lý hệ cân băng
Vật liệu rắn đƣợc tháo ra từ thùng chứa XILO xuống băng tải BC. Bề dày của
vật liệu trên băng tải thƣờng đƣợc trải đều bằng cách điều chỉnh cửa ra của liệu ở
đáy XILO để đảm bảo mức chịu tải của băng tải là không thay đổi. Lƣu lƣợng vật
liệu có thể đạt đƣợc thông qua việc điều chỉnh tốc độ quay của động cơ.
Giá trị lƣu lƣợng vật liệu vận chuyển trên băng tải đƣợc xác định dựa trên tín
hiệu đo độ dày lớp liệu trên băng tải đƣợc phát ra từ hệ thống đo bao gồm loadcell L

13


và bộ biến đổi BBD và tín hiệu đo tốc độ chuyển động của băng tải đƣợc phát ra từ
encoder PG.
Bộ điều khiển khả trình PLC đƣợc sử dụng để điều khiển quá trình cân định
lƣợng bảo đảm lƣu lƣợng liệu cần thiết bằng cách thay đổi tốc độ quay băng tải của
động cơ thông qua bộ biến tần BT.
PLC thực hiện các nhiệm vụ sau:
-

Đọc tín hiệu trọng lƣợng từ BBĐ hay còn gọi là bộ chuẩn hóa tín hiệu từ

cảm biến trọng lƣợng qua bộ ADC vào vùng nhớ đệm;

-

Đọc tín tốc độ của băng tải từ Encoder PG bằng bộ đếm tốc độ cao tích
hợp trên PLC;

-

Xác định lƣu lƣợng thực vận chuyển trên băng tải;

-

Giao tiếp với máy tính MT để trao đổi thông tin, nhận các giá trị mong
muốn từ máy tính, gửi các giá trị vận hành lên máy tính;

-

Thực hiện thuật toán điều khiển;

-

Gửi tín hiệu điều khiển tốc độ đến biến tần BT.

Máy tính MT đƣợc cài đặt chƣơng trình giám sát điều khiển và đƣợc đặt tại
phòng điều khiển, đây là nơi đề ngƣời vận hành thực hiện các thao tác điều khiển
lên hệ thống cân băng định lƣợng. Thiết bị đƣợc dùng có thể là máy tính hoặc các
màn hình cảm ứng (HMI). Các thống số của quá trình sản xuất nhƣ tốc độ băng tải,
lƣu lƣợng vật liệu, các giá trị hiện thời và các giá trị đặt. Máy tính MT đƣợc kết nối
thẳng đến PLC, qua cáp truyền PC/MPI.

1.2.2. Sơ đồ khối cấu trúc của hệ thống điều khiển cân định lƣợng.
Hệ thống điều khiển cân định lƣợng là một hệ thống điều khiển tầng gồm 2
mạch vòng :
Mạch vòng trong là mạch vòng điều khiển tốc độ của băng tải và mạch vòng
ngoài là mạch vòng điều khiển lƣu lƣợng vận chuyển trên băng tải.
Sơ đồ khối của hệ thống đƣợc mô tả nhƣ trên hình 1-4.
14


Hình 1- 4 : Sơ đồ khối hệ thống điều khiển cân định lượng
Trong đó:
- q0 là tín hiệu lƣu lƣợng cần thiết vận chuyển bằng băng tải;
- Rq là thiết bị điều khiển lƣu lƣợng liệu;
- Rv là thiết bị điều khiển tốc độ băng tải;
- ĐT là đối tƣợng điều khiển bao gồm biến tần BT, động cơ ĐC, băng
tải BC và encoder PG đo tốc độ băng tải.
- ql là tín hiệu mật độ liệu trên bằng tỷ lệ với tín hiệu của loadcell L .
Bộ nhân để xác định tín hiệu lƣu lƣợng vận chuyển q = v.ql.

15


Chƣơng 2: XÂY DỰNG CẤU HÌNH HỆ THỐNG
Sơ đồ khối của hệ thống cân định lƣợng đƣợc mô tả nhƣ trên hình 2-1.

Hình 2- 1: Sơ đồ khối hệ thống
Trong đó: ĐTĐK là đối tƣợng điều khiển, TBĐK là thiết bị điều khiển, MTGS là
máy tính giám sát. Trƣớc hết là phải lựa chọn, chế tạo các thiết bị trong hệ thống.

2.1. LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ TRONG ĐỐI TƢỢNG ĐIỀU KHIỂN

2.1.1. Băng tải.
Băng tải vận chuyển liệu chế tạo bằng PVC, hệ thống khung chế tạo bằng
nhôm định hình. Hệ thống băng tải đƣợc mô tả nhƣ trên hình 2-2

Hình 2- 2: Mô hình hệ thống băng tải
16


- Chiều dài L = 2m, bền rộng mặt băng tải 30cm.
- Chiều dài bàn cân 1m.
- Con lăn băng tải có đƣờng kính D = 60mm.
Để quay băng tải sử dụng động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha rô to
lồng sóc và biến tần thay đổi tốc độ quay của động cơ. Để đo mật độ liệu trên băng
tải sử dụng bàn cân đặt lên loadcell. Tốc động chuyển động của băng tải đƣợc đo
bằng encoder.
2.1.2. Động cơ, biến tần.
- Động cơ tích hợp hộp số: Nhiệm vụ quay băng tải.
Điện áp 3 pha 380V.
Công suất P = 0,4kW.
Tốc độ n = 1420 (v/p)
Hộp số có tỷ số truyề n

5:1

Hộp số liền với động cơ và đƣợc nối với con lăn băng tải bằng xích.

Hình 2- 3: Động cơ kéo băng tải
-

Biến tần: Dùng biến tần M440 hãng SIMENS.

Nhận tín hiệu điều khiển 0~ 10V từ bộ điều khiển đến và điều khiển động cơ
quay với tốc độ có thể thay đổi đƣợc.
Điện áp vào 3 pha 400V- 50Hz.
Điện áp ra lớn nhất 3 pha 380V.
Công suất P = 0,75kW.
17


Tín hiệu điều khiển 0 ~ 10V ứng với tần số ra 0 đến tần số max đƣợc
đặt ở P1000 = 2 (tham khảo bảng các tham số cài đặt cho biến tần).
Vị trí các đầu nối điện vào ra của biến tần M440 đƣợc mô tả nhƣ trên hình 2-4.

Hình 2- 4: Biến tần M440
Bảng 2- 1: Chức năng các chân vào ra của biến tần.
Thứ tự Ký hiệu

Chức năng

1

Đầu nguồn ra 10V

2

Đầu nguồn ra 0V

3

ADC1+

Đầu vào tƣơng tự số 1(+)

4

ADC1-

Đầu vào tƣơng tự số 1(-)

5

DIN1

Đầu vào số 1

6

DIN2

Đầu vào số 2

7

DIN3

Đầu vào số 3

8

DIN4

Đầu vào số 4

10

ADC2+

Đầu vào tƣơng tự số 2(+)

11

ADC2-

Đầu vào tƣơng tự số 2(-)

12

DAC1+

Đầu ra tƣơng tự số 1(+)

13

DAC1-

Đầu ra tƣơng tự số 1(-)

18

Sơ đồ cấu trúc các khối bên trong của biến tần M440 đƣợc mô tả nhƣ hình 2-5

Hình 2- 5: Sơ đồ nguyên lý của biến tần M440

19


Bảng 2- 2: Các tham số cài đặt cho biến tần M440
Thông số

Chức năng
Mức truy nhập của ngƣời sử dụng.

P0003

- Mức cơ bản: Cho phép truy nhập tới thông số thông thƣờng.
- Mở rộng: Ví dụ truy cập tới các chức năng I/O.
- Chuyên gia: Chỉ dành cho chuyên gia.
Cài đặt thông số.

P0010

- Sẵn sàng.
- Cài đặt nhanh.
- Cài đặt nhà máy.
Chọn kiểu động cơ.
- 1. Động cơ không đồng bộ (hay động cơ dị bộ).

P0300

- 2. Động cơ đồng bộ.
- Đối với P0300 = 2 (động cơ không đồng bộ), chỉ đƣợc phép
điều khiển khiểu V/f (P1300 < 20).
- Điện áp định mức ghi trên nhãn động cơ (V).
- Điện áp định mức ghi trên nhãn động cơ phải đƣợc kiểm tra,

P0304

từ đó biết đƣợc cấu hình mạch Y/ để đảm bảo phù hợp với
cách nối mạch trên bảng đầu nối của động cơ.

P0305
P0307
P0308

P0309

P0310

Dòng điện định mức của động cơ (A) – dòng điện ghi trên nhãn
của động cơ.
Công suất định mức của động cơ (kW/hp).
Hệ số công suất (Cos) định mức của động cơ.
- Nếu cài đặt là 0, giá trị đƣợc tự động tính toán.
Hiệu suất định mức của động cơ (%).
- Nếu cài đặt là 0, giá trị đƣợc tự động tính toán.
Tần số định mức động cơ (Hz).
- Số đôi cực đƣợc tự động tính toán lại nếu thông số thay đổi

20

Tốc độ định mức động cơ (v/ph).
P0311

- Nếu cài đặt là 0, giá trị đƣợc tự động tính toán.
- Cần phải nhập thông số trong trƣờng hợp điều khiển vectơ
mạch kín, điều khiển V/f với FCC và để bù độ trƣợt.
Dòng từ hóa động cơ.
Dòng điện từ hóa đọng cơ tính theo % P0305.

P0320

Với P0320 = 0, dòng từ hóa động cơ đƣợc tính toán sử dụng
P0340 = 1 hoặc sử dụng P3900 = 1 - 3 và đƣợc hiển thị trong
thông số r0331.
Chọn chế độ làm mát động cơ .
- Làm mát tự nhiên: Sử dụng trục gá quạt gắn với động cơ.

P0335

- Làm mát cƣỡng bức: Sử dụng quạt làm mát cấp nguồn riêng.
- Làm mát tự nhiên là quạt bên trong.
- Làm mát cƣỡng bức và quạt bên trong.
Chọn nguồn lệnh (nhập nguồn lệnh).
- Cài đặt mặc định.
- BOP (bàn phím).

P0700

- Đầu nối.
- USS trên đƣờng truyền BOP.
- USS trên đƣờng truyền COM (các đầu nối 29 và 30).
- CB trên đƣờng truyền COM (CB = môđun truyền thông).
Lựa chọn điểm đặt tần số.
1. Điểm đặt MOP.
2. Điểm đặt tƣơng tự.

P1000

3. Tần số cố định.
4. USS trên đƣờng truyền BOP.
5. USS trên đƣờng truyền COM.
6. Không dùng.
7. Điểm đặt tƣơng tự 2 + Điểm đặt tƣơng tự 2.

21


Tần số nhỏ nhất cho động cơ (Hz).
P1080

Đặt tần số động cơ nhỏ nhất tại đó động cơ sẽ chạy mà không
tính đến tần số điểm đặt. Giá trị cài đặt ở đây có tác dụng cho cả
quay thuận và ngƣợc.
Tần số lớn nhất cho động cơ (Hz).

P1082

Đặt tần số động cơ lớn nhất tại đó động cơ sẽ chạy mà không

tính đến tần số điểm đặt. Giá trị cài đặt ở đây có tác dụng cho cả
quay thuận và ngƣợc.
Thời gian tăng tốc (s).
Thời gian tăng tốc là thời gian để động cơ tăng tốc từ điểm dừng

P1120

đến điểm có tần số lớn nhất khi không dùng cách tăng tốc có
dạng đƣờng cong. Nếu thời gian tăng tốc đƣợc đặt quá nhỏ, điều
này có thể làm xuất hiện cảnh báo A0501.
Thời gian giảm tốc (s).
Thời gian giảm tốc là thời gian để động cơ giảm tốc từ điểm tần

P1121

số lớn nhất đến điểm dừng khi không dùng cách giảm tốc có
dạng đƣờng cong. Nếu thời gian giảm tốc đƣợc đặt quá nhỏ,
điều này có thể làm xuất hiện cảnh báo A0501.
Mode điều khiển.
V/f khiểu tuyến tính.

P1300

V/f FCC.
V/f kiểu đƣờng parabol.
V/f kiểu có thể lập trình đƣợc.

2.1.3. Bộ đo tốc độ băng tải Encoder.
Encoder dùng để đo tốc độ quay của con lăn băng tải. Dùng loại có sẵn trên
thị trƣờng.

Điện áp 24VDC.
Độ phân giải 100 xung/ 1 vòng.
22


Điện áp ra 24Vpp.
Nối đồng trục với con lăn băng tải, tần số phát ra lớn nhất là:
FEmax = (1420:5:60)*100 = 473(Hz) .
Encoder đƣợc mô tả nhƣ trên hình 2-6:

Hình 2- 6: Cấu tạo của encoder.
Ánh sáng đƣợc phát ra từ nguồn phát và chiếu thẳng đến cảm biến quang
qua một đĩa quay có khoan sẵn các lỗ để ánh sáng có thể xuyên qua. Đĩa quay đƣợc
gắn lên trục và nối ra ngoài, số lƣợng lỗ khoan trên đĩa chính là độ phân giải của
encoder. Khi đĩa quay, các lỗ khoan trên đĩa sẽ cắt ngang tia sáng làm xuất hiện ở
đầu ra của cảm biến quang các xung điện ứng với các lỗ khoan trên đĩa quay. Các
xung này đƣợc khuếch đại lên nhiều lần trƣớc khi đƣa ra ngoài.

23


2.1.4. Đo mật độ liệu trên băng.
Loadcell đƣợc sử dụng để đo mật độ liệu trên băng, toàn bộ trọng lƣợng của
liệu, bàn cân tác động lên loadcell, tín hiệu của loadcell đƣợc đƣa đến bộ khuếch đại
BBD khuếch đại tín hiệu lên trong khoảng 0-10v. Tín hiệu điện áp ra tỷ lệ với mật
độ liệu trên băng tải.


Loadcell (L).

Loadcell hoạt động dựa trên nguyên lý cầu điện trở, trong đó giá trị điện trở
của các nhánh cầu thay đổi bởi ngoại lực tác động lên Loadcell. Sơ đồ nguyên lý
của loadcell đƣợc mô tả nhƣ hình 2-7.
Nếu ta cung cấp cho cầu một điện áp Un = const thì ta thu đƣợc một tín hiệu
Ur tỷ lệ với lực tác động lên Loadcell. Khi cầu cân bằng thì Ur - 0, khi có lực tác
động thì giá trị Ur đƣợc tính theo công thức sau:
Ur  Un

R
R

Trong đó:
- Un là điện áp nguồn cấp cho Loadcell.
- Ur là điện áp ra.
- R là giá trị điện trở ban đầu của mỗi nhánh cầu.
- R là điện trở thay đổi khi có lực tác động.

Hình 2- 7: Cấu tạo của loadcell

24


Vì tín hiệu ra của Loadcell là rất bé nên chúng ta cần khuếch đại lên nhiều
lần trƣớc khi đƣa vào bộ chuyển đổi A/D của PLC.
Thông số kỹ thuật: Loadcell Zemic



-

Tải trọng 20kg.

-

Độ nhạy 2mV/V.

-

Điện áp hoạt động 5V.

Bộ khuếch đại loadcell (BBD).
Bộ khuếch đại loadcell có chức năng khuếch đạ tín hiệu điện áp ra của loadcell cỡ

mV thành tín hiệu điện áp lớn hơn nhiều lần, khoảng 0~10V, hoặc dòng điện 4 ~ 20mA.
Hình 2-8 mô tả sơn đồ nguyên lý của một mạch khuếch đại loadcell dùng chíp
khuếch đại chuyên dụng INA122.

Hình 2- 8: Bộ khuếch đại loadcell
Bộ khuếch đại loadcell model RW-ST01A
Nguồn cấp 24VDC.
Output : 0-10V.
2.1.5. Sơ đồ cấu trúc của đối tƣợng
Nhƣ vậy đối tƣợng điều khiển có một tín hiệu vào điều khiển là điện áp 0-10v
và hai tín hiệu ra: Tốc độ chuyển động của băng chuyển là tần số 0-500Hz và mật
độ liệu trên băng chuyền là điện áp 0-10v.
Sơ đồ khối của đối tƣợng đƣợc mô tả nhƣ hình 2-9

Hình 2- 9: Sơ đồ khối của đối tượng điều khiển
25