Ứng dụng bộ điều khiển khả trình để tự động hoá trạm cân xe ô

1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Việc cân những khối lượng lớn, đảm bảo thời gian nhanh là một nhu cầu
cần thiết cho các bến cảng, nhà máy sản xuất, các đơn vị vận chuyển, các đơn
vị kiểm tra quá tải… Muốn biết khối lượng hàng hoá thông thường thực hiện
phép tính tương đối thông qua việc cân toàn bộ tải trọng xe.
Các hệ thống cân tuy đã được ứng dụng ở một số nơi ở Việt Nam nhưng
hầu hết các hệ thống cân xe đều lắp ráp từ các thiết bị có sẵn từ nước ngoài
như loadcell, bộ hiển thị (đầu cân), các cảm biến... cùng với chương trình điều
khiển quản lý của nước ngoài do vậy sửa chữa, thay thế thiết bị sẽ gặp nhiều
khó khăn, đặc biệt khi thay thế linh kiện của các hãng khác nhau.
Do vậy đề tài Ứng dụng bộ điều khiển khả trình để tự động hoá trạm
cân xe ô tô nhằm mục đích phân tích và tổng hợp nên trạm cân điện tử, từ đó
cho phép xây dựng hệ thống một cách đơn giản nhất để người sử dụng có khả
năng lựa chọn các linh kiện khác nhau để xây dựng được hệ thống phù hợp
với mục đích của mình. Để thực hiện điều này, đề tài cần đưa ra được nguyên
tắc làm việc của hệ thống cân điện tử nói chung, các thiết bị cấu thành để từ
đó đưa ra phương thức kết nối, phương thức biến đổi tín hiệu để làm đầu vào
cho thiết bị khả lập trình PLC, trên cơ sở đó xây dựng thuật toán điều khiển,
quy đổi và hiển thị ra thiết bị đầu cuối.
Việc ứng dụng thiết bị điều khiển khả trình PLC trong vấn đề này có ý
nghĩa thực tế cao không chỉ trong cuộc sống, mà còn có thể là mô hình giảng
dạy trong nhà trường.
2. Mục đích và phạm vi nghiên cứu
2.1. Mục đích của đề tài
- Nghiên cứu tín hiệu hóa và lý thuyết chung về hệ thống cân điện tử khối
lượng lớn.

2

- Xây dựng các sơ đồ thuật toán sử dụng trong bài toán cân tự động.
- Nghiên cứu về thiết bị điều khiển khả trình. Ứng dụng PLC để xây dựng
thuật toán điều khiển hệ thống cân.
- Chạy thực nghiệm trên phần mềm WinCC
2.2. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu xây dựng mô hình dạy học phục vụ công tác giảng dạy,
đào tạo tại trường Cao đẳng Nghề KTCN Việt Nam – Hàn Quốc
3. Phương pháp nghiên cứu
- Tìm hiểu nguyên lý chung trạm cân xe ô tô và các phần mềm công
nghệ sử dụng trong điều khiển quá trình hoạt động, giám sát, quản lý.
- Đặt ra bài toán cụ thể cần giải quyết trong đề tài từ đó xây dựng
chương trình điều khiển ứng dụng bộ điều khiển khả trình .
- Ứng dụng phần mềm WinCC Flexible xây dựng chương trình giám sát
- Thiết kế mô hình ứng dụng vào công tác giảng dạy. Trên cơ sở chức
năng của đề tài có thể tách ra thành nhiều bài tập nhỏ để học viên nghiên cứu,
xây dựng chương trình và kết nối kiểm tra hoạt động. Sau cùng là bài tập tổng
hợp ghép nối từ các bài tập nhỏ.
4. Nội dung nghiên cứu
- Tổng quan về hệ thống cân điện tử, tìm hiểu về hệ thống cân sử dụng
Loadcell, các cảm biến sử dụng trong việc đo khối lượng, các bộ biến đổi A/D
- Xây dựng chương trình điều khiển cho hệ thống cân xe từ đặt yêu cầu
bài toán cần giải quyết để xây dựng lưu đồ thuật toán, thống kê địa chỉ vào ra
cho PLC, viết chương trình điều khiển trong phần mềm Microwin. Kết nối
Microwin với PC.
- Xây dựng chương trình điều khiển giám sát trên WinCC Flexible, chạy
chương trình mô phỏng bằng phần mềm và mô hình thực tế.

3

5. Lý do chọn PLC trong đề tài tự động hoá trạm cân xe ô tô
Việc sử dụng PLC trong tự động hoá có những ưu điểm sau:
- Kích thước nhỏ, gọn, thời gian tác động nhanh
-

Phần mềm: Chương trình mềm dẻo có thể thay đổi

-

Phần cứng: Có thể kết hợp với các moodul mở rộng

- Đáp ứng được những môi trường khắc nghiệt, chống nhiễu tốt
- Giá cả phù hợp, thời gian lắp đặt nhanh, dễ bảo trì
Hiện nay có nhiều loại PLC ở Việt Nam như Siemen, Omron, Hitachi…
nhưng PLC của siemen được sử dụng nhiều vì đây là một dòng sản phẩm rất
nổi tiếng trên thế giới và qua thực tiễn cho thấy chất lượng của PLC có độ bền
cao, đi đầu trong các lĩnh vực điều khiển tự động. Mặt khác, chiến lược của
hãng là đầu tư cho giáo dục và được đưa vào tào tạo trong các trường kỹ thuật
nên được sự đón nhận rất đông đảo của các kỹ sư và công nhân nên họ quen
sử dụng với bộ điều khiển PLC này
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Nghiên cứu về hệ thống tự động cân tải trọng xe ô tô sử dụng bộ điều
khiển khả trình cũng là một hướng để giải quyết vấn đề tự động hoá trong
thực tế. Mặt khác trong trường đào tạo nghề có thể ứng dụng làm mô hình dạy
học cũng rất thiết thực để nội dung bài giảng thêm phong phú và giúp sinh
viên có thể tiếp cận với thực tế.
Vinh, ngày tháng

năm 2013

Học viên thực hiện

Nguyễn Đình Tùy Linh


4

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÂN ĐIỆN TỬ
1.1. Hệ thống cân sử dụng LOADCELL và ứng dụng
Sơ đồ khối của một hệ thống cân điện tử dùng Loadcell như sau :

Hình 1.1. Sơ đồ khối của hệ thống cân điện tử
Tùy theo yêu cầu và mục đích ứng dụng, khối xử lý được dùng là vi xử
lý, máy tính hay PLC … Nếu bộ xử lý sử dụng vi xử lý thì có thể có thêm
khối truyền dữ liệu về máy tính, có thể có khối in ấn hoặc không tùy mục
đích sử dụng. Nếu sử dụng PLC có thể dùng phần mềm dao diện SCADA.
Dưới tác dụng của khối lượng đặt bên trên, loadcell sẽ chuyển thành tín
hiệu điện ở ngõ ra. Tín hiệu điện rất nhỏ này được khuếch đại lên nhiều lần
trước khi đưa vào bộ chuyển đổi A/D để chuyển thành tín hiệu số và được
đưa về bộ xử lý để xử lý theo chương trình có sẵn và hiển thị hoặc có thêm
việc in ấn. Bộ xử lý cần thiết phải có thêm bộ nhớ để lưu trữ số liệu, ví dụ
trong việc chỉnh 0 và trừ bì của cân …
Do tính linh hoạt của bộ xử lý, tùy theo mục đích cụ thể mà chương
trình viết cho bộ xử lý khác nhau. Do đó, hệ thống cân này có thể ứng dụng
trong nhiều lĩnh vực có liên quan đến việc đo khối lượng. Ngoài ứng dụng
trong việc cân xe, có thể kể ra các ví dụ khác mà dùng hệ thống cân điện tử

5

sử dụng loadcell như sau:
• Trong hệ thống bán hàng có sử dụng cân điện tử loại này, việc tính
tiền có thể được tự động hoàn toàn. Hàng ở đây là những loại có thể cân
được, có thể là rau quả, thủy sản … Người sử dụng nhập vào bàn phím giá cả
của một đơn vị cân và giá cả này có thể hiển thị ra màn hình hoặc Led 7
đoạn. Khi người dùng nhấn nút tính tiền trên bàn phím, bộ xử lý PLC sẽ
nhận giá trị cân được với giá của một đơn vị cân này và hiển thị ra giá cả đã
được tính toán cho số hàng ấy. Sau khi để giá này hiển thị một khoảng thời
gian vừa đủ cho người dùng đọc nó, hệ thống cân có thể sẽ hiển thị lại giá trị
cân được. Giá tiền này có thể được lưu lại và nếu được nối đến máy tính của
quầy thu tiền, khách hàng có thể nhận được bảng báo cáo bao gồm trọng
lượng cân được, giá cả của một đơn vị cân và tổng số tiền phải trả cho số
hàng đó …
• Cân cũng là một trong những biện pháp để phát hiện ra sản phẩm
trong hệ thống đếm tự động. Khi phát hiện có khối lượng quy định thì mới
đếm. Điều này sẽ tránh được việc đếm sai nếu cùng một lúc có hai sản phẩm
hoặc vật thể khác không phải là sản phẩm che cảm biến quang.
• Một ứng dụng khác của hệ thống cân này có thể kể ra là dùng trong
bưu điện. Sau khi cân kiện hàng và xác định nơi cần gởi. Ngõ ra của hệ thống
cân này thường được nối đến hệ thống in bưu phí lên nhãn dán vào kiện hàng
gởi đi.
Ngoài ra ứng dụng phổ biến của cân điện tử đã được sử dụng nhiều
trong các nhà máy ở nước ta là dùng trong việc đóng gói sản phẩm. Người
dùng có thể nhập vào khối lượng cho một gói hàng hay xe… khi đạt đến giá
trị quy định này, ngõ ra của bộ xử lý có thể được dùng để điều khiển việc rót
hàng hay dây chuyền để đóng gói sản phẩm, có thể là bằng cách kích các
relay để làm đóng, mở các valve selenoid dùng khí nén....

6

Điều quan trọng trong các ứng dụng này là chương trình điều khiển
viết cho bộ PLC và cách giao tiếp với các thiết bị bên ngoài. Phần này thì
khác nhau đối với các ứng dụng cụ thể khác nhau.
Nội dung của luận văn này đề cập đến hệ thống cân xe đã được sử
dụng phổ biến ở nước ta.
1.2. Sơ lược các phương pháp và cảm biến được dùng đo khối lượng.
1.2.1. Các phương pháp đo khối lượng.
Trong vật lý cơ học, mối quan hệ giữa lực và khối lượng được xác định
bằng định luật II Newton, mà theo đó lực tác dụng vào vật thể có khối lượng
m sẽ bằng tích số khối lượng và gia tốc của nó, tức là:
F = m.a

(1-1)

Trọng lực là một trường hợp của công thức này. Dưới tác dụng của sức
hút trái đất, vật có khối lượng sẽ chịu tác dụng của trọng lực P = m.g với g là
gia tốc trọng trường là một số cố định ở từng khu vực. Các phương pháp đo
khối lượng là dựa vào quan hệ này.
Công thức (1-1) không có nghĩa là không có lực trên vật thể nếu không
có gia tốc mà nó chỉ có nghĩa là không có lực cân bằng thực. Hai lực cân
bằng và đối nhau tác động lên một vật thể sẽ cân bằng, không tạo nên gia tốc.
Có hai cách để tạo nên lực cân bằng: phương pháp cân bằng 0 và phương
pháp dịch chuyển.
Cánh tay cân bằng còn được dùng trong việc đo khối lượng và được
chế tạo để ít chịu sự thay đổi nhiệt độ ở hai đầu của tay đòn.
Cân bằng đòn cân là một ứng dụng của cảm biến lực cân bằng 0 vào

việc đo khối lượng. Một khối lượng chưa biết được đặt trên đĩa cân. Các
quảcân được hiệu chỉnh chính xác có kích thước khác nhau được đặt trên
đĩa bên kia cho đến khi cân bằng. Khối lượng chưa biết bằng tổng khối lượng
các quả cân đặt lên.


7

Hình 1.2. Phương pháp cân bằng không
Cánh tay cân bằng còn được dùng trong việc đo khối lượng và được
chế tạo để ít chịu sự thay đổi nhiệt độ ở hai đầu của tay đòn.
Thay đổi chiều dài l1 đến khi hệ thống cân bằng. Theo định luật
moment hệ thống sẽ cân bằng khi : P1.l1 = P2.l2

(1-2)

Suy ra m1gl1 = m2gl2 với g không đổi thì m1l1 = m2l2. Theo biểu thức
trên, nếu các khoảng cách chiều dài và một khối lượng chuẩn đã biết sẽ suy ra
khối lượng cần tìm.

Hình 1.3. Phương pháp cân bằng dịch chuyển
Cân đồng hồ lò xo thực tế là một ứng dụng đo khối lượng thông qua sự
dịch chuyển dưới tác dụng của trọng lực do vật khối lượng m gây ra. Khối
lượng chưa biết đặt trên giá cân treo trên lò xo đã được hiệu chỉnh. Lò xo di
động cho đến khi lực đàn hồi của lò xo cân bằng với trọng trường tác động
lên khối lượng chưa biết. Lượng di động của lò xo được dùng để đo khối


8

lượng chưa biết. Ở các cân đồng hồ chỉ thị kim, lượng di động của lò xo sẽ
làm kim quay thông qua một cơ cấu bánh răng với tỷ lệ hợp lý và góc quay
của kim sẽ xác định khối lượng của vật cần cân.
Một cách khác có thể cân được vật là cấp nguồn DC cho biến trở
xoay.Khi có khối lượng đè lên bàn cân, thông qua cơ cấu di chuyển thích hợp
sẽ làm xoay biến trở và do đó điện áp lấy ra cũng thay đổi. Điện áp này được
đưa về bộ chuyển đổi AD và xử lý. Tuy nhiên khó khăn lớn nhất của phương
pháp này là rất khó tìm biến trở tuyến tính. Ngoài ra còn có thể sử dụng một
Encoder và bộ đếm để đếm số xung phát ra của encoder khi xoay bởi sự di
chuyển này. Sơ đồ hai hệ thống cân loại này được vẽ như trong hình sau:

Hình 1.4.a. Cân trọng lượng bằng encoder

Hình 1.4.b. Cân trọng lượng bằng Varitor
Cảm biến lực dùng trong việc đo khối lượng được sử dụng phổ
biến là loadcell. Đây là một kiểu cảm biến lực biến dạng. Lực chưa biết tác


9

động vào một bộ phận đàn hồi, lượng di động của bộ phận đàn hồi biến đổi
thành tín hiệu điện tỷ lệ với lực chưa biết. Sau đây là giới thiệu về loại cảm
biến này.
1.2.2 Giới thiệu về loadcell.
Bộ phận chính của loadcell là những tấm điện trở mỏng loại dán. Tấm
điện trở là một phương tiện để biến đổi một biến dạng bé thành sự thay đổi
tương ứng trong điện trở. Có hai loại điện trở dán dùng làm cảm biến lực dịch
chuyển: loại liên kết và loại không liên kết.
Tấm điện trở liên kết dùng để đo độ biến dạng ở một vị trí xác định
trên bề mặt của bộ phận đàn hồi. Điện trở này được dán trực tiếp vào điểm

cần đo biến dạng của vật đàn hồi. Biến dạng này được truyền trực tiếp vào
tấm điện trở và nó làm thay đổi giá trị điện trở tương ứng.
Cảm biến dùng điện trở loại không liên kết sử dụng để đo lượng di
động nhỏ. Một lượng di động do mối liên kết bằng cơ khí tạo nên sẽ làm thay
đổi điện trở làm cảm biến. Lượng di động cũng thường được tạo nên bằng lực
tác động vào một bộ phận đàn hồi.
Vì thế tấm điện trở không liên kết sẽ đo toàn bộ lượng dịch chuyển của
bộ phận đàn hồi còn tấm điện trở liên kết đó biến dạng tại một điểm xác định
trên bề mặt của bộ phận đàn hồi.
Trong các cách lấy tín hiệu ra từ cảm biến mang đặc tính tổng trở,
mạch lấy tín hiệu ra tối ưu nhất là mạch cầu. Đây là một phương pháp để đo
sự thay đổi nhỏ trong điện trở của một phần tử mà giá trị điện áp ra tỷ lệ với
sự thay đổi của điện trở khi có khối lượng (hay lực) đặt vào cảm biến.
Hoạt động của mạch cầu có hai trường hợp: mạch cầu cân bằng và
mạch cầu không cân bằng. Ở mạch cầu cân bằng điện trở của cảm biến được
xác định từ giá trị ba điện trở đã biết trước. Ở cách đo không cân bằng, sự
thay đổi điện trở cảm biến từ một giá trị cơ sở tạo nên một sự sai lệch nhỏ


10

giữa hai điện áp của ngõ ra mạch cầu. Sử dụng bộ khuếch đại để khuếch đại
sai lệch này lên để dễ dàng xử lý.
Điện trở cảm biến có thể được gắn vào một nhánh của mạch cầu
Wheatstone không cân bằng như sau:

Hình 1.5. Cầu Wheatstone không cân bằng
Các trị số điện trở R2, R3, R4 là cố định nên cầu sẽ cân bằng khi điện
trở làm cảm biến là Rs ở một trị số cơ sở xác định, ta gọi giá trị này là Rbal
(balance). Liên hệ giữa giá trị R2, R3, R4 và Rbal khi cầu cân bằng là:

Rbal 

R2 R3
R4

(1-3)

Mục đích của cầu không cân bằng là tạo ra một điện áp tỷ lệ với sự sai
lệch giữa RS và Rbal. Để đơn giản hóa phương trình của cầu không cân bằng
ta sử dụng hai hệ số ε và α như sau :
Hệ số ε là một phân số biểu thị sự sai lệch giữa RS và Rbal được định
nghĩa là:


RS  Rbal
Rbal

(1-4)

Hệ số thứ hai là α biểu thị tỷ lệ phân áp trên điện trở R3 được định
nghĩa bởi:


R3
R3  R4

(1-5)


11

Theo sơ đồ trên, điện áp tại hai điểm a, b là:
 R2 
a  
  Vdc
 R S  R2 

 R



;  b   4   Vdc
 R 4  R3 

(1-6)

Do đó điện áp ngõ ra của mạch cầu:
 R4
R2
 ab   b   a  

 R 4  R3 R2  R S


  Vdc


(1-7)

Hay:

 ab 

RS R4  R2 R4  R2 R3  R2 R 4
V dc
R3  R4 RS  R2 

(1-8)

thay R2R3 = Rbal x R4 (từ (1) và đơn giản biểu thức (2) ta được :

 ab




R4  RS  Rbal 
 b  a  
  R  R  R  Rbal  R4
4  S
 3
R3






  Vdc (1-9)






Để sử dụng các hệ số và α ta ε nhân tử và mẫu của phân số này cho
cùng một biểu thức sau :
R3  R3  R4 
Rbal

(1-10)

khi đó (1-9) trở thành :

 ab


 R 3  R3  R4 




R4 RS  Rbal 
Rbal
 b  a  
  R ( R  R )  Vdc
3
3
4
 R  R  R  Rbal  R4  
4  S


 3

R
R3
bal




(1-11)

Để biểu thị biểu thức  ab theo tỷ lệ với RS - Rbal mà không còn RS, ta
cộng và trừ ở mẫu số của phân số cuối cho Rbal.R3 (ở cùng tử số)
RS R3  Rbal R4 Rs R3  Rbal R4  Rbal R3  Rbal R4

R3  R4 Rbal
R3  R4 Rbal

R  R4 Rbal  RS  Rbal R3
 3
R3  R4 Rbal

 1  

(1-12)


12

Do  

R3
R4

 1
R3  R4
R3  R4

và

 ab 

RS  Rbal
Rbal

Thay tất cả vào (1-12), ta được :
 ab   1   

Vì sai lệch  

Hay  ab 


1  

(1-13)

RS  Rbal
khá nhỏ nên (1-13) có thể viết lại là :
Rbal

 ab   1     Vdc

R3
R4
R


Vdc
R3  R4 R3  R4 Rbal

với R  RS  Rbal (1-14)

Và như vậy điện áp ngõ ra  ab thay đổi theo sai lệch điện trở của cảm
biến gây ra bởi khối lượng (hay lực) tác dụng lên.
Ngoài ra nếu nguồn Vdc cung cấp có nhiễu một lượng  thì theo
nguyên lý xếp chồng và cách tính tương tự như trên, ta được biểu thức:

R 4 R S  Rbal 
 
 
 ab  Vdc 1 
 Vdc   RS  R2  R3  R4 

(1-15)

Trong đó có phụ thuộc vào tích .( RS  Rbal )  .R là thành phần rất
nhỏ so với R . Do đó có thể bỏ qua được nhiễu 
Có các cách kết nối điện trở cảm biến trên các nhánh cầu khác như sau
(Rs là điện trở cảm biến):

Hình 1.6. Các cách nối điện trở cảm biến trên nhánh cầu
Cách dùng bốn cảm biến bố trí trên 4 nhánh cầu được ứng dụng rộng
rãi trong các loadcell thực tế. Thông thường 4 cảm biến này được bố trí trên
hai mặt của loadcell, và như vậy sẽ có hai cảm biến điện trở bị dãn ra và 2


13

cảm biến điện trở sẽ co lại khi có lực tác dụng. Do đó ta có quan hệ sau:
RS1 RS 3
R
R

  S2   S4
RS 1
RS 3
RS 2
RS 4

(1-16)

Sự thay đổi của điện áp ra theo biến dạng của các điện trở này có thể
được tính như sau:

Hình 1.7.a. Sơ đồ cầu cộng tín hiệu từ các loadcell
Hai điện trở R1 và R2 thường được dùng trong mục đích cộng các tín
hiệu từ các loadcell lại với nhau, R1 là tải.
Sơ đồ tương đương Thevenin cho mạch trên được vẽ như sau:

Hình 1.7.b. Sơ đồ Thevenin tương đương

Ở đây R0 là tổng trở ra của loadcell
I

V
R1  R2  R

(1-17)


14

Theo hình (1.7.a) ta có :
Va  IR2  R  R 
Vb  IR2  R  R 

I
2

I
2

(1-18)
(1-19)

Điện áp ra sẽ là :
V0  Va  Vb  RI

(1-20)

RI

R1  R2  R

(1-21)

Hay
V0 

Vì thế điện áp ngõ ra sẽ thay đổi theo sự thay đổi giá trị của các điện
trở này. Để tính tổng trở ra của loadcell ta ngắn mạch nguồn áp cung cấp V,
khi đó mạch trở thành:

Hình 1.8. Sơ đồ cầu của Loadcell khi ngắn mạch nguồn áp cung cấp


15

Áp dụng định luật Kirhoff cho ba vòng kín như hình vẽ, ta có:

R  R I 1  R  R I 1  I 2   V0

(1-22)

R  R I 1  R1  R2 I 2  R  R I 0  I1   0
R  R I 0  I 1   R  R I 0  I1  I 2   V0

(1-23)

(1-24)

Từ (1-23 ) + ( 1-24 )  R1  R2  R  R I 2  R  R I 0  V0 (1-25)

(1-22) + (1-23 )  R  R I 2  R  R I 2  2 RI 0  2V0
(1-26)

  RI 2  RI 0  V0

RI 0  V0
thay vào (1-25) ta suy ra
R
RI  V
R1  R2  R  R   0 0  R  R) I 0  V0 
R

 I2 

 R1  R2  R  R RI 0  V0   RR  R I 0  RV 0







 I 0 R1  R2  R  R  R R  R R  R 
 V0 R  R1  R2  R  R 





 I 0 R1  R2  R R  R 2  V0 R1  R 2  R 

Suy ra : R0 

V0 R1  R2  R R  R 2
R 2

 R
I0
R1  R2  R
R1  R2  R

(1-27)

Đây chính là tổng trở ra của loadcell. Như vậy điện áp rơi trên tải RL
là:
RR1V
V R
R  R2  R
VL  0 L  1
R L  R0
R 2
R1  R2  R

(1-28)

Từ biểu thức trên ta có thể nhận thấy là điện áp ra VL không thay đổi
tuyến tính theo sự thay đổi của điện trở cảm biến. Hệ thống làm tuyến tính
hoá sự thay đổi này thì do nhà sản xuất thiết kế.

16

1.2.3. Một số Loadcell thực tế.
Có nhiều loại loadcell do các hãng sản xuất khác nhau như KUBOTA
(Nhật), Global Weighing (Hàn Quốc), Transducer Techniques.Inc, TedeaHuntleigh ... Mỗi loại loadcell được chế tạo cho một yêu cầu riêng biệt theo
tải trọng chịu đựng, chịu lực kéo hay nén. Tùy hãng sản xuất mà các đầu dây
ra của loadcell có màu sắc khác nhau. Có thể kể ra như sau:

Hình 1.9. Sơ đồ chân tín hiệu từ Loadcell
Một số màu thông dụng của các đầu dây của Loadcell.

Các màu sắc này đều được cho trong bảng thông số kỹ thuật khi mua
từng loại loadcell .
Có nhiều kiểu hình dạng loadcell cho những ứng dụng khác nhau. Do
đó cách kết nối loadcell vào hệ thống cũng khác nhau trong từng trường hợp.
Thông số kỹ thuật của từng loại loadcell được cho trong catalogue của
mỗi loadcell và thường có các thông số như: tải trọng danh định, điện áp ra
danh định (giá trị này có thể là từ 2 miliVolt / Volt đến 3 miliVolt/Volt hoặc
hơn tuỳ loại loadcell), tầm nhiệt độ hoạt động, điện áp cung cấp, điện trở
ngõ ra, mức độ chịu được quá tải... (Với giá trị điện áp ra danh định là 2 mili


17

Volt / Volt thì với nguồn cung cấp là 10 Volt thì điện áp ra sẽ là 20 mili Volt
ứng với khối lượng tối đa.)
Tuỳ ứng dụng cụ thể mà cách chọn loại loadcell có thông số và hình
dạng khác nhau. Hình dạng loadcell có thể đặt cho nhà sản xuất theo yêu cầu
ứng dụng riêng. Sau đây là hình dạng của một số loại loadcell có trong thực
tế.

Hình 1.10. Một số hình ảnh về Loadcell trong thực tế


18

1.3. Hệ thống cân xe
Mặc dù hệ thống này đã được sử dụng khá phổ biến trong các trạm cân
xe, nhưng việc lấy và xử lý số liệu từ Loadcell do một bộ phận thực hiện
thường gọi là đầu cân, mà bộ phận này hầu hết là được mua từ nước ngoài.
Và như vậy sơ đồ khối của một hệ thống cân xe gồm những thành phần như
sau:

Hình 1.11. Sơ đồ khối của hệ thống cân xe tự động dùng PLC
Tùy theo yêu cầu của từng trạm cân mà có thêm bộ hiển thị từ xa hay
không. Sau đây là mô tả chi tiết các khối trong hệ thống trên.
1.3.1. Cầu cân.
Cầu cân bao gồm một bộ phận thường làm bằng sắt hay những loại
chịu lực tốt, còn gọi là bàn cân. Bên dưới bàn cân này được bố trí thường là 4
loadcell. Số lượng loadcell bố trí này tuỳ thuộc vào tải trọng xe, chiều dài xe,
có thể là 6, 8 loadcell ... Một đầu của loadcell được gắn chặt vào phần đế cố
định dưới đất, đầu còn lại của loadcell được gắn vào bàn cân. Loadcell sử
dụng ở đây là loại chịu lực nén. Khi xe tải chạy lên bàn cân, dưới tác dụng
của trọng lực xe, mỗi loadcell bị nén và sinh ra một điện áp sai lệch, điện áp


19

này được dẫn về hộp nối để cộng các tín hiệu từ các loadcell này lại trước khi
đưa về đầu cân xử lý. Ngoài ra còn có hai bệ để xe chạy lên và chạy xuống,

phần này không dính đến bàn cân.
Tùy theo yêu cầu và vị trí cụ thể mà có các dạng cầu cân như sau:

Hình 1.12.a Loại bàn cân được

Hình 1.12.b. Loại bàn cân

được
bố trí nằm nằm ngang mặt đất

bố trí nhô lên trên mặt đất

Hình 1.13.a. Loại cân nổi trên mặt đất


20

Hình 1.13.b. Loại cân chìm, nằm ngang mặt đất.
Ngoài ra còn có hệ thống nối đất bảo vệ cho trạm cân xe.
1.3.2. Cách bố trí Loadcell và trạm nối dây.
Trong hệ thống cân xe, số lượng loadcell sử dụng phụ thuộc vào tải
trọng chịu đựng, chiều dài xe....Thường là 4, 6 hoặc 8 loadcell. Loadcell có
thể được lắp như hình sau:

Hình 1.14. Cách gá lắp Loadcell
Do sử dụng nhiều loadcell trong hệ thống cân nên cần phải cộng các tín
hiệu ra trước khi đưa về đầu cân để xử lý. Nếu đầu cân không có chức năng
này ta hải dùng thêm hộp nối (Junction box) để kết nối hệ các loadcell trên.

21

Vì mỗi Loadcell có một độ nhạy khác nhau cho dù dùng cùng loại, nên
Junction box có bốn biến trở điều chỉnh để các loadcell cùng ra một sai lệch
điện áp đối với cùng một tải trọng. Các biến trở này được mắc vào nguồn
cung cấp cho loadcell vì thay đổi áp nguồn cung cấp sẽ làm thay đổi tín hiệu
điện áp ra. Ngòai ra để có thể cộng các tín hiệu lại với nhau, người ta dùng
thêm một điện trở mắc ở ngõ ra của các loadcell. Sơ đồ nguyên lý kết nối như
sau:

Hình 1.15. Sơ đồ đấu dây của các Loadcell
Với cách kết nối như vậy thì mạch tương đương của bộ cộng tín hiệu
cho 4 loadcell có thể được vẽ như sau:

Hình 1.16. Sơ đồ tương đương của bộ cộng tín hiệu
Ri >> ri, I = 1,2,3,4 với ri là điện trở nguồn tín hiệu.
E sig  S sig ( )  S sig ()

(1-29)


22

Zin : là tổng trở nhập của bộ khuếch đại.
Gọi U là điện áp ngõ vào bộ khuếch đại. Ta có :
U  E sig 1 U  E sig 2 U  E sig 3 U  E sig 4
U





Z in
R1  r1
R2  r2
R3  r3
R4  r4

(1-30)

Thông thường R1 = R2 = R3 = R4 = R và có giá trị rất lớn với ri nên:
1
1
1
1
1  Esig1 Esig 2 Esig 3 Esig 4
U 
 





R
R
R
R
Z
R
R
R

R4
1
2
3
4
in
1
2
3


4

1 

1

Hay U     E sig 1 E sig 2  E sig 3  E sig 4 
 R Z in  R
U

Z in
( E sig1  E sig 2  E sig 3  E sig 4 )
4 Z in  R

(1-31)

Và như vậy tín hiệu ra của 4 loadcell đã được cộng trước khi vào đầu
cân.
Sau đây là hình dạng một số loại loadcell có tải trọng lớn thường được

sử dụng trong các trạm cân xe:


23

Hình 1.17. Hình dạng một số loại loadcell có tải trọng lớn
Ngoài bộ phận chính là những tấm điện trở dán, một số loại loadcell
còn có thêm thiết bị bảo vệ quá tải có thể là các lò xo như những hình ở trên.
1.3.3. Thiết bị chỉ thị khối lượng (Weighing Indicator).
Cũng như loadcell, thiết bị chỉ thị khối lượng (đầu cân) có nhiều loại,
do nhiều hãng sản xuất khác nhau. Tùy mỗi loại và yêu cầu cho từng công
việc mà đầu cân có nhiều chức năng khác nhau. Tuy nhiên các chức năng cơ
bản của một đầu cân là lấy tín hiệu điện áp từ loadcell, biến đổi A/D, xử lý và
hiển thị khối lượng cân được ra đèn Led 7 đoạn hoặc màn hình tinh thể lỏng,
có thể truyền dữ liệu về máy tính hoặc ra máy in. Ngoài ra còn có các chức


24

năng như “Auto Zero”, “Tare”, “Clear”, … Để thực hiện các chức năng như
trên với độ chính xác cao, đầu cân phải có một bộ nguồn chuẩn ổn định cấp
cho loadcell và A/D.

Hình 1.18. Hình ảnh một số bộ hiển thị Led 7 đoạn
Thông thường AD sử dụng là loại 16 bit hoặc cao hơn sẽ cho độ phân
giải là một phần 65536 và như vậy độ chính xác sẽ rất cao. Ngoài bộ PLC đủ
mạnh, đầu cân nhất thiết phải có bộ nhớ để lưu trữ số liệu sau khi cân chỉnh.
1.3.4. Quản lý trạm cân dùng máy tính.
Mặc dù một số đầu cân có chức năng in ấn, nhưng để in những bảng
báo cáo như phiếu xuất kho, tính giá tiền cho khối lượng hàng cân được một

cách tự động, cũng như chức năng lưu trữ dữ liệu thành file … thì trang bị
một máy tính cho trạm cân là một yêu cầu cần thiết.
Số liệu cân được từ đầu cân được truyền về máy tính thường là mã
ASCII theo chuẩn RS232 hoặc RS485. Dữ liệu truyền theo kiểu bất đồng bộ
và tốc độ baud thay đổi được thường là 1200, 2400, 4800, 9600 bit/giây.
Chương trình viết cho máy tính thường để hiện giá trị này ra màn hình. Tùy
theo yêu cầu cụ thể của nhà máy hoặc trạm cân mà chương trình được viết
cho in ra những bảng báo cáo khác nhau theo mẫu được quy định sẵn của nhà
máy. Các bảng báo cáo này có thể được lưu lại thành file trong máy tính để
khi cần thiết có thể gọi ra được. Ngoài ra chương trình máy tính có thể cho
biết được số xe đã được cân trong ngày cùng với tên khách hàng hoặc biển số
xe cũng như tổng lượng hàng đã xuất hay nhập trong ngày, tháng, ăm… thậm


25

chí có thể phát hiện xe nào chở hàng quá tải .. Hơn thế nữa những dữ liệu này
có thể truyền về trung tâm xử lý nếu máy tính đó được nối mạng. Tất cả các
công việc này tùy theo yêu cầu của trạm cân mà viết chương trình cho máy
tính phù hợp.
Một trạm cân thường có các thiết bị như hình sau:

Hình 1.19. Hình ảnh máy tính quản lý trạm cân
1.3.5. Giới thiệu một bộ hiển thị khối lượng và cách cân chỉnh
đầu cân thực tế.
Phần này giới thiệu sơ lược một bộ hiển thị khối lượng (Weighing
Indicator) cụ thể là AD–4323 được sản xuất bởi A&D Company, Limited của
Nhật và cách cân chỉnh cho một đầu cân thực tế. Cùng họ với bộ hiển thị
(hay còn gọi là đầu cân) này là AD–4321 đã được sử dụng tại nhà máy
MOBIL UNIQUE VIETNAM do Công ty Encorp Co, LTD của Thái Lan lắp

đặt. Tuy không phải là loại được sử dụng phổ biến nhưng ở đây chỉ muốn
giới thiệu một đầu cân điển hình và cách cân chỉnh khi lắp đặt cũng như sửa
chữa.
Đầu cân này có các đặc điểm như sau :
Sử dụng bộ biến đổi A/D tốc độ nhanh đến 70 lần trong một giây. Vì
vậy AD – 4323 thích hợp cho việc tĩnh và cả việc cân động. Bộ biến đổi A/D
có độ phân giải cao và chính xác. Dễ dàng cân chỉnh bằng chức năng FDC