Nghiên cứu, thiết kế, điều khiển hệ thống cân đóng bao bán tự động trong sản xuất thức ăn thủy sản

LỜI CÁM ƠN
Em xin cảm ơn tới thầy Võ Anh Huy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt
q trình hồn thành luận văn này.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới q thầy cơ khoa Cơ Khí, trường Đại học Bách
Khoa TP. Hồ Chí Minh, đã tận tâm giảng dạy và truyền đạt những kiến thức quý báu
trong suốt thời gian em học tập tại trường.
Sau cùng em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, các bạn chung nhóm luận văn đã ln
động viên và giúp đỡ em trong quá trình làm luận văn.
Một lần nữa, xin chân thành cảm ơn!

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 05 năm 2017

Trần Đức Thắng

i


TĨM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn trình bày nghiên cứu, thiết kế, điều khiển hệ thống cân đóng bao bán tự động
trong sản xuất thức ăn thủy sản. Máy thiết kế với năng suất cân từ 300 - 400 bao/giờ, trọng
lượng cân trong khoảng 10 - 50 Kg với sai số 0,1 Kg.
Nội dung của đề tài được trình bày trong 5 chương:
Chương 1: Tổng quan.
Chương 2: Lựa chọn phương án.
Chương 3: Thiết kế cơ khí.
Chương 4: Thiết kế hệ thống điện và điều khiển.
Chương 5: Tổng kết và hướng phát triển đề tài.

ii

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................................................. 1
1.1

Giới thiệu hệ thống cân định lượng tĩnh ................................................................ 1

1.2

Cân đóng bao trong sản xuất thức ăn chăn nuôi .................................................... 2

1.3

Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi đề tài .................................................................... 4

1.3.1

Mục tiêu........................................................................................................... 4

1.3.2

Nhiệm vụ ......................................................................................................... 4

1.3.3

Phạm vi đề tài .................................................................................................. 4

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN .................................................................................. 5
2.1

Bồn chứa nguyên liệu ............................................................................................ 5

2.1.1

Lựa chọn phương án cửa tháo liệu. ................................................................. 5

2.1.2

Lựa chọn chế độ dòng chảy............................................................................. 6

2.2

Lựa chọn cánh khuấy. ............................................................................................ 9

2.2.1

Cánh khuấy turbin ........................................................................................... 9

2.2.2

Cánh khuấy mái chèo ...................................................................................... 9

2.2.3

Cánh khuấy dạng mỏ neo .............................................................................. 10

2.2.4

Lựa chọn cánh khuấy .................................................................................... 11

2.3

Lựa chọn cảm biến Load cell ............................................................................... 12

2.3.1

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động .................................................................... 12

2.3.2

Các thông số kỹ thuật cơ bản. ....................................................................... 13

2.3.3

Phân loại ........................................................................................................ 14

2.4

Phương án đọc tín hiệu từ loadcell ...................................................................... 16

2.4.1

Đọc tín hiệu Analog trực tiếp từ loadcell ...................................................... 16

2.4.2

Các module chuyển đổi, khuếch đại tín hiệu ................................................ 16

2.4.3

Đầu cân .......................................................................................................... 17

2.5

Phân tích lựa chọn thiết bị điều khiển .................................................................. 17

2.5.1

So sánh thiết bị điều khiển ............................................................................ 17

2.5.2

Nhận xét và lựa chọn thiết bị điều khiển...................................................... 19

2.6

Lựa chọn thiết bị vận hành giữa con người và máy. ............................................ 19
iii


CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ ............................................................................................... 23
3.1

Thiết kế băng tải bao. ........................................................................................... 23

3.1.1

Lựa chọn các thông số cơ bản ....................................................................... 23

3.1.2

Tính tốn lựa chọn động cơ........................................................................... 23

3.2

Tính tốn thiết kế phễu chứa ................................................................................ 26

3.2.1

Tính tốn áp suất ........................................................................................... 26

3.2.2

Tính toán tốc độ xả vật liệu ........................................................................... 28

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ ĐIỀU KHIỂN. ................................... 32
4.1

Cấu hình hệ thống điện của hệ thống ................................................................... 32

4.1.1

Thiết bị chấp hành ......................................................................................... 32

4.1.2

Đầu cân .......................................................................................................... 33

4.1.3

Loadcell ......................................................................................................... 35

4.1.4

PLC................................................................................................................ 35

4.1.5

Các thiết bị khác ............................................................................................ 38

4.2

Thiết kế mạch điện cho hệ thống ......................................................................... 39

4.2.1

Sơ đồ mạch động lực cho hệ thống cân. ....................................................... 39

4.2.2

Sơ đồ mạch khí nén cho hệ thống cân ........................................................... 40

4.2.3

Sơ đồ mạch điều khiển cho hệ thống cân. ..................................................... 40

4.3

Lưu đồ giải thuật .................................................................................................. 41

4.4

Lập trình cho hệ thống cân trên TIA PORTAL ................................................... 42

4.4.1

Chương trình chính ....................................................................................... 42

4.4.2

Giao thức MODBUS RTU ............................................................................ 44

4.4.3

Giao tiếp RS485 với đầu cân......................................................................... 45

4.5

Thiết kế giao diện HMI vận hành hệ thống cân trên Tia Portal........................... 49

4.5.1

Chế độ auto.................................................................................................... 51

4.5.2

Chế độ manual. .............................................................................................. 53

CHƯƠNG 5: TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .................................... 55
5.1

Kết luận. ............................................................................................................... 55

5.2

Định hướng phát triển đề tài ................................................................................ 55

PHỤ LỤC TRONG CHƯƠNG TRÌNH CHÍNH TRONG TIA PORTAL ................ 57

iv


TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 70

v


Danh sách hình ảnh
Hình 1.1: Một số hệ thống hệ thống cân thường dùng ........................................................ 2
Hình 1.2: Mơ hình cân đóng bao bán tự động ..................................................................... 3
Hình 1.3: Một số hình ảnh cân thực tế trên thị trường ........................................................ 3
Hình 2.1: Cửa tháo dạng hình nêm và hình nón .................................................................. 5
Hình 2.2: Các dạng dịng chảy vật liệu dạng hạt trong bồn chứa........................................ 6
Hình 2.3: Biểu đồ dự đốn chế độ địng chảy ..................................................................... 8
Hình 2.4: Các dạng cánh khuấy turbin ................................................................................ 9
Hình 2.5: Cánh khuấy dạng mái chèo ............................................................................... 10
Hình 2.6: Cánh khuấy dạng mỏ neo .................................................................................. 11
Hình 2.7: Cánh khuấy cho hệ thống cân............................................................................ 11
Hình 2.8: Cấu tạo của một loadcell dạng thanh................................................................. 12
Hình 2.9: Mạch cầu Wheastone ......................................................................................... 13

Hình 2.10: Mốt số loại loadcell trên thị trường ................................................................. 15
Hình 2.11: Vị trí load cell .................................................................................................. 15
Hình 2.12: LCD va HMI Keypad ...................................................................................... 19
Hình 2.13: HMI proface .................................................................................................... 20
Hình 2.14: HMI monitor .................................................................................................... 21
Hình 3.1: Kích thước của động cơ và hộp số .................................................................... 26
Hình 3.2: Đường đặc tính của áp suất ............................................................................... 28
Hình 3.3: Mơ hình đáy cửa xả ........................................................................................... 30
Hình 3.4: Hệ thống cân hồn thiện .................................................................................... 31
Hình 4.1: Động cơ và hộp số băng tải ............................................................................... 32
vi


Hình 4.2: Van điện từ SY7120-5LZD-02 .......................................................................... 33
Hình 4.3: Đầu cân W100 ................................................................................................... 34
Hình 4.4: Loadcell CB14-100K ........................................................................................ 35
Hình 4.5: PLC S7-1214-DC/DC/DC ................................................................................ 36
Hình 4.6: Module RS485 CM 1241 .................................................................................. 37
Hình 4.7: Màn hình HMI KTP1000 Basic PN. ................................................................. 37
Hình 4.8: sơ đồ mạch động lực .......................................................................................... 39
Hình 4.9: Sơ đồ mạch khí nén ........................................................................................... 40
Hình 4.10: Sơ đồ mạch điều khiển .................................................................................... 40
Hình 4.11: Sơ đồ giải thuật điều khiển .............................................................................. 41
Hình 4.12: Chương trình chính cho hệ thống cân ............................................................. 43
Hình 4.13: Một khung truyền của giao thức Modbus RTU .............................................. 44
Hình 4.14: Funtion cài đặt các thơng số cho giao tiếp RS485 modbus RTU. ................... 46
Hình 4.15: Đọc tín hiệu khối lượng bằng giao tiếp RS495 modbus RTU. ....................... 46
Hình 4.16: Cài đặt điểm “zero point” cho khối lượng cân qua giao tiếp RS485 modbus
RTU ................................................................................................................................... 47
Hình 4.17: Chương trình điều khiển các thiết bị chấp hành. ............................................. 48

Hình 4.18: Màn hình điều khiển chính .............................................................................. 50
Hình 4.19: Màn hình auto .................................................................................................. 51
Hình 4.20: Màn hình “setting” cho chế độ auto ................................................................ 52
Hình 4.21: Màn hình manual ............................................................................................. 53

vii


Bảng 2.1: Tính chất vật lý của một số vật liệu dạng hạt[3] ................................................. 8
Bảng 2.2: So sánh Vi điều khiển và PLC .......................................................................... 18
Bảng 3.1: Tra thông số động cơ và hộp số trên phần mềm Cat4cad. ................................ 25
Bảng 3.2: Thơng số các cấp mở cửa thốt liệu .................................................................. 30
Bảng 4.1: Thông số động cơ 3AWAR 63-06F-TH-TF ..................................................... 32
Bảng 4.2: Thông số hộp số 2 cấp SUA 506B .................................................................... 32
Bảng 4.3: Thông số van SY7120-5LZD-02 ...................................................................... 33
Bảng 4.4: Thông số kỹ thuật đầu cân ................................................................................ 34
Bảng 4.5: Thông số loadcell CB14-100K ......................................................................... 35
Bảng 4.6: Thông số PLC ................................................................................................... 36
Bảng 4.7: Thơng số màn hình HMI KTP1000 Basic PN .................................................. 37
Bảng 4.8: Địa chỉ thanh ghi của đầu cân[10] .................................................................... 45
Bảng 4.9: Thanh ghi Status register (40007) ..................................................................... 45
Bảng 4.10: Ký hiệu, chức năng cơ bản của các nút trên HMI........................................... 49

viii


Chương 1: Tổng quan
CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN

Chương này trình bày việc ứng dụng cân tĩnh định lượng để xác định khối lượng
sản phẩm đầu ra trong lĩnh vực sản xuất nói chung và sản xuất thức ăn chăn thủy sản
nói riêng. Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của các loại cân tĩnh trên thị trường.
1.1 Giới thiệu hệ thống cân định lượng tĩnh
Việc đo lường, kiểm soát các khối lượng trong các nhà máy, xí nghiệp rất quan
trọng. Trong nhiều quá trình, việc đo lường tốt giúp cho nhà máy hoạt động một cách
liên tục, năng suất cao và tạo ra những sản phẩm tốt. Trước đây để định lượng nguyên
vật liệu trong bồn chứa, phễu chứa trong dây chuyền sản xuất, người ta sử dụng các sử
phương pháp đo lường như đo bằng thể tích, đo mức, đo bằng lưu lượng, đo bằng cân
cơ học... với sự cồng kềnh và độ chính xác khơng cao
Ngày nay, các hệ thống hiện đại địi hỏi các hệ thống phải có độ chính xác cao và
năng suất lớn, được kết nối với các thiết bị khác trong hệ thống sản xuất đã cho ra đời
các hệ thống cân điện tử đo lường sử dụng loadcell. Qua đó tiết kiệm chi phí tiêu hao
ngun liệu, tăng năng suất, quản lý được chi phí sản xuất.
Các hệ thống cân sử dụng loadcell thường dùng như: Cân bồn, cân phễu, cân băng
tải, cân dạng cơ,...

1


Chương 1: Tổng quan

a. Hệ thống cân bồn

b. Hệ thống cân phễu

b. Hệ thống cân băng tải
d. Hệ thống cân cơ
Hình 1.1: Một số hệ thống hệ thống cân thường dùng[1]

1.2 Cân đóng bao trong sản xuất thức ăn chăn nuôi
Thức ăn chăn nuôi là một nhân tố quan trọng trong phát triển chăn nuôi. Ở nước ta
hiện nay đã và đang sử dụng thức ăn chăn nuôi hỗn hợp công nghiệp bên cạnh sử dụng
thức ăn chăn nuôi truyền thống. Thức ăn công nghiệp được sản xuất tại các nhà máy
thức ăn nuôi với quy mô lớn với hệ thống tự động hóa.
Một hệ thống cân đóng bao bán tự động gồm các thành phần như hình dưới:

2


Chương 1: Tổng quan

Hình 1.2: Mơ hình cân đóng bao bán tự động
Nguyên liệu (cám thành phẩm, gạo,...) được cho vào bồn chứa nguyên liệu. Bồn
chứa có cơ cấu đóng mở đáy bồn được điều khiển để xả nguyên liệu cần cân vào cụm
cân. Bao được kẹp sẵn dưới nhờ xilanh khí nén. Khi cân đủ bồn chứa sẽ đóng ngưng
cho nguyên liệu xả xuống tiếp. Nguyên liệu đã được cân trong cụm cân được xả vào
bao, bao được thả rơi xuống băng tải và được khâu lại bằng máy khâu bao cầm tay.

Hình 1.3: Một số hình ảnh cân thực tế trên thị trường
3


Chương 1: Tổng quan

1.3 Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi đề tài
1.3.1 Mục tiêu
Nghiên cứu thiết kế, điều khiển hệ thống cân bán tự động trong cân thức ăn thủy
sản.
1.3.2 Nhiệm vụ

 Tìm hiểu tổng quát về hệ thống cân định lượng.
 Nghiên cứu thiết kế hệ thống cân đóng bao bán tự động trong cân thức ăn thủy sản
 Nghiên cứu bộ điều khiển cho hệ thống
 Mô phỏng, thực nghiệm kiểm chứng ( nếu có điều kiện)
1.3.3 Phạm vi đề tài
 Thiết kế hệ thống cân đóng bao bán tự động với công suất 300-400 giờ.
 Khối lượng cân từ 10 - 50Kg
 Sai số cân 0,1 Kg

4


Chương 2: Lựa chọn phương án
CHƯƠNG 2:

LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

Chương này trình bày lựa chọn , chọn loadcell, đầu cân, bộ điều khiển.
2.1 Bồn chứa nguyên liệu
2.1.1 Lựa chọn phương án cửa tháo liệu.
Có hai phương án thường được sử dụng để tháo nguyên liệu từ trong bồn chứa, đó
là cửa tháo dạng hình nón và cửa thảo dạng hình nêm

Hình 2.1: Cửa tháo dạng hình nêm và hình nón
Cửa thảo hình nón
 Ưu điểm:
 Do đa số bồn chứa, silo được làm hình trụ nên cửa tháo hình nón phổ biến.
 Có tính thẩm mĩ.
 Thường được sử dụng kết hợp với van bướm, và vít tải để vận chuyển ngun
liệu đi.

 Nhược điểm
 Các van xả khơng thích hợp đóng mở nhiều lần.
 Điều khiển lưu lượng đáp ứng chậm.
Cửa tháo hình nêm
 Ưu điểm

5


Chương 2: Lựa chọn phương án
 Thường được sử dụng các cơ cấu cân.
 Điều khiển mở khí nén, đáp ứng nhanh.
 Nhược điểm
 Ít được hỗ trợ thiết bị sẵn trên thị trường.
Kết luận: Lựa chọn cửa xả dạng hình nêm, kết hợp với cơ cấu đóng mở điều khiển
bằng xilanh khí nén. Độ mở của cơ cấu xả được chia làm 3 cấp, độ mở giảm dần để tăng
tốc độ cân lẫn độ chính xác.
2.1.2 Lựa chọn chế độ dòng chảy
Các hạt chất rắn do sự tác động của nội ma sát giữa các hạt sẽ tạo ra các chế độ
dịng chảy khác nhau khi thốt ra khỏi bồn chứa. Có hai loại dịng chảy phổ biến là mass
flow và funnel flow. Ngồi ra cịn một trường hợp đặc biệt kêt hợp từ hai loại trên được
gọi là expanded flow.
Tên của các dạng dòng này đặc trưng cho cách mà chất rắn di chuyển trong bồn
chứa qua cửa thoát liệu. Với chế độ mass flow tất cả vật liệu sẽ cùng chuyển động trong
bồn chứa mặc dù có thể khơng cùng vận tốc. Funnel flow thì chỉ phần vật liệu giữa bồn
chứa nằm phía trên cửa thốt liệu di chuyển. Còn funnel flow là sự kết hợp của hai dạng
trên.

Hình 2.2: Các dạng dịng chảy vật liệu dạng hạt trong bồn chứa
6

Chương 2: Lựa chọn phương án
Mass flow
 Ưu điểm:
 Dòng lưu lượng ổn định hơn
 Có thể dự đốn được trạng thái ứng suất tại thành bồn chứa
 Có sức chứa tốt hơn do tận dụng tối da thể tích
 Vật liệu vào trước sẽ cho ra trước
 Nhược điểm
 Gây mòn vách bồn đối với vật liệu mài mòn
 Ứng suất cao trên thành bồn
 Chiều cao lớn
Funnel flow
 Ưu điểm
 Yêu cầu chiều cao thấp
 Nhược điểm
 Tạo rung lắc cho bồn khi vật liệu rơi
 Vật liệu được cho vào trước ra sau cùng
 Không tận dụng hết dung lượng lưu trữ
 Gây mất cân bằng bồn chứa
Vì vậy trong thiết kế bồn chứa người ta thường sử dụng thiết kế sao cho ln tạo
dịng mass flow. Có thể tham khảo biểu đồ của Jenike[2] để dự đoán lựa chọn chế độ
lưu lượng trong thiết kế ở sơ đồ hình 2.3. Biểu đồ dự đốn lưu lượng dạng mass flow
hay funnel flow phụ thuộc vào các giá trị dốc của cửa thốt và góc vật liệu với tường do
tạo bởi ma sát  ' .

7

Chương 2: Lựa chọn phương án

Hình 2.3: Biểu đồ dự đốn chế độ địng chảy
Giá trị  ' được đo bằng thực nghiệm hoặc bằng 2  /3 giá trị trong bảng ....
Bảng 2.1: Tính chất vật lý của một số vật liệu dạng hạt[3]

Lựa chọn giá trị trong cột Gains(small) ta được giá trị góc  '  2.30 / 3  20 o
Tra với biểu đồ trong hình 2.3 ta lựa chọn giá trị đáy cửa xả bằng 16o
8


Chương 2: Lựa chọn phương án
2.2 Lựa chọn cánh khuấy[4].
Cánh khuấy thường được sử dụng trong các bồn trộn công nghiệp, về công dụng
chung cánh khuấy được sử dụng để khuấy, trộn, đảo hỗn hợp chất rắn, chất lỏng, dung
dịch hịa tan,... Ngồi ra đối với cánh khuấy được sử dụng cho hệ thống cân có tác dụng
đánh tan nguyên liệu vón cục, làm ổn định q trình xả đáy trong khi cân. Có nhiều loại
cánh khuấy như: Khuấy turbin, khuấy mái chèo, khuấy mỏ neo,...
2.2.1 Cánh khuấy turbin
Cánh tua-bin được sử dụng chủ yếu khuấy ở tốc độ trung bình và cao, để khuấy
trộn các loại dung dịch (chất lỏng) có độ nhớt cao, hồ tan các chất rắn nhanh, khuấy
động các hạt rắn đã lắng cặn. Tùy vào mục đích khuấy trộn mà cánh turbin có thể thẳng,
nghiêng hay cong.

Hình 2.4: Các dạng cánh khuấy turbin
 Ưu điểm:
 Cánh khuấy tạo ra lực ly tâm lớn nên làm tăng khả năng va đập giữa nguyên
liệu và máy khuấy nên các thành phần của hỗn hợp di chuyển vào nhau dễ hơn
 Trộn được chất lỏng có độ nhớt lớn
 Nhược điểm:

 Dùng động cơ công suất lớn
2.2.2 Cánh khuấy mái chèo
Cánh khuấy dạng máy chèo có 2 cánh. Do mái chèo phát sinh ra dịng phản xạ nên
có thể khuấy ở cả thể lỏng và thể rắn ở tốc độ khuấy thấp.
9


Chương 2: Lựa chọn phương án
Thích hợp với những chất lỏng (dung dịch ) có độ nhớt,, hay độ đậm đặc cao.

Hình 2.5: Cánh khuấy dạng mái chèo
 Ưu điểm:
 Thiết kế đơn giản
 Có thể khuấy chất rắn ở tốc độ thấp
 Ít rung lắc
 Nhược điểm:
 Năng suất thấp
2.2.3 Cánh khuấy dạng mỏ neo
Cánh khuấy dạng mỏ neo có cánh có hình dạng phù hợp với hình dạng của thùng
chứa, thường là thùng chứa hình cầu. Thơng thường được đúc cánh bằng gang

10


Chương 2: Lựa chọn phương án

Hình 2.6: Cánh khuấy dạng mỏ neo
Ưu điểm: Có thể khuấy được nhiều dạng chất lỏng có tính chất và đặc điểm khác
nhau, độ bền cơ học cao
Nhược điểm: có giá thành cao vì địi hỏi phải sử dụng vật liệu có khả năng chịu

đựng tác động cơ học.
2.2.4 Lựa chọn cánh khuấy
Chọn dạng thiết kế cánh khuấy dạng mái chèo để có thể khuấy được chất rắn. Hai
đầu là cánh khuấy mái chèo, kết hợp thêm cánh khuấy hình chữ thập ở giữa. Cánh khuấy
được thiết kế như hình 2.7.

Hình 2.7: Cánh khuấy cho hệ thống cân

11


Chương 2: Lựa chọn phương án
2.3

Lựa chọn cảm biến Load cell
Load cell là thiết bị cảm biến dùng để chuyển đổi lực hoặc trọng lượng thành tín

hiệu điện
2.3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Load cell kiểu điện trở: Load cell điện trở làm việc dựa vào nguyên lý áp lực - trở
kháng. Khi một tải trọng, lực, lực căng tác động lên cảm biến, trở kháng của nó thay đổi.
Sự thay đổi trở kháng này sẽ đẫn đến sự thay đổi điện áp đầu ra khi một điện áp đầu vào
được cấp.
Load cell kiểu điện dung: Load cell kiểu điện dung làm việc dựa trên sự thay đổi
của dung kháng. Đối với tụ điện phẳng gồm 2 bản cực phẳng song song. điện dung tỉ lệ
thuận với tiết diện bản cực và hằng số điện môi của chất điện môi nằm giữa 2 bản cực
và tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa 2 bản cực.
Trong thực tế phổ biến nhất là các loadcell kiểu điện trở và được sử dụng trong hệ
thống cân này. Vì thế ở đây, ta sẽ nói về loadcell sử dụng điện trở (strain gauge).
Cấu tạo loadcell sử dụng điện trở: Cấu tạo chính của loadcell gồm các điện trở

strain gauges R1, R2, R3, R4 được dán vào bề mặt của thân loadcell. Strain Gauge là
một điện trở đặc biệt có điện trở thay đổi khi bị nén hay kéo dãn và được nuôi bằng một
nguồn điện ổn định, Strain gauge được dán chết lên thân loadcell để chịu tải.

Hình 2.8: Cấu tạo của một loadcell dạng thanh
12


Chương 2: Lựa chọn phương án
Nguyên lý hoạt động: Các điện trở gauge strain được mắc thành mạch cầu
Wheatstone. Tại trạng thái cân bằng (trạng thái không tải), điện áp tín hiệu ra là số khơng
hoặc gần bằng khơng khi bốn điện trở được gắn phù hợp về giá trị. Khi có tải trọng hoặc
lực tác động lên thân loadcell làm cho thân loadcell bị biến dạng (giãn hoặc nén), điều
đó dẫn tới sự thay đổi giá trị của các điện trở strain gauges. Sự thay đổi này dẫn tới sự
thay đổi trong điện áp đầu ra.

Hình 2.9: Mạch cầu Wheastone
2.3.2 Các thơng số kỹ thuật cơ bản[5].
 Độ chính xác: Cho biết phần trăm chính xác trong phép đo. Độ chính xác phụ thuộc
tính chất phi tuyến tính, độ trễ, độ lặp.
 Công suất định mức: Giá trị khối lượng lớn nhất mà Loadcell có thể đo được.
 Dải bù nhiệt độ: Là khoảng nhiệt độ mà đầu ra Loadcell được bù vào, nếu nằm
ngoài khoảng này, đầu ra không được đảm bảo thực hiện theo đúng chi tiết kĩ thuật
được đưa ra.
 Cấp bảo vệ: Được đánh giá theo thang đo IP, (ví dụ: IP65: chống được độ ẩm và
bụi).
 Điện áp: Giá trị điện áp làm việc của Loadcell (thông thường đưa ra giá trị lớn nhất
và giá trị nhỏ nhất 5 – 15 V).

13

Chương 2: Lựa chọn phương án
 Độ trễ: Hiện tượng trễ khi hiển thị kết quả dẫn tới sai số trong kết quả. Thường
được đưa ra dưới dạng % của tải trọng.
 Trở kháng đầu vào: Trở kháng được xác định thông qua S- và S+ khi Loadcell
chưa kết nối vào hệ thống hoặc ở chế độ không tải.
 Điện trở cách điện: thơng thường đo tại dịng DC 50V. Giá trị cách điện giữa lớp
vỏ kim loại của Loadcell và thiết bị kết nối dòng điện.
 Phá hủy cơ học: Giá trị tải trọng mà Loadcell có thể bị phá vỡ hoặc biến dạng.
 Giá trị ra: Kết quả đo được (đơn vị: mV).
 Trở kháng đầu ra: Cho dưới dạng trở kháng được đo giữa Ex+ và EX- trong điều
kiện load cell chưa kết nối hoặc hoạt động ở chế độ khơng tải.
 Q tải an tồn: Là tải trọng mà Loadcell có thể vượt q (ví dụ: 125% tải trọng).
 Hệ số tác động của nhiệt độ: Đại lượng được đo ở chế độ có tải, là sự thay đổi công
suất của Load cell dưới sự thay đổi nhiệt độ, (ví dụ: 0.01%/10°C nghĩa là nếu nhiệt
dộ tăng thêm 10°C thì cơng suất đầy tải của Loadcell tăng thêm 0.01%).
 Hệ số tác động của nhiệt độ tại điểm 0: Giống như trên nhưng đo ở chế độ khơng
tải.
2.3.3 Phân loại
Có thể phân loại loadcells như sau:
 Phân loại theo lực tác động: Chịu kéo (shear loadcell), chịu nén (compression
loadcell), dạng uốn (bending), chịu xoắn (tension loadcell).
 Phân loại theo hình dạng: dạng đĩa, dạng thanh, dạng trụ, dạng cầu,dạng chữ S.
 Phân loại theo kích thước và khả năng chịu tải: loại bé, vừa, lớn.

14


Chương 2: Lựa chọn phương án

Hình 2.10: Mốt số loại loadcell trên thị trường
2.2.4 Lựa chọn loadcell
Loadcell dạng thanh được chọn cho hệ thống cân. Loadcell dạng thanh với kết cấu
đơn giản, giá thành rẻ và được sử dụng phổ biến.
Hệ thống cân được trang bị hai loadcell dạng thanh và được bố trí như hình 2.11.

Hình 2.11: Vị trí load cell

15


Chương 2: Lựa chọn phương án
2.4 Phương án đọc tín hiệu từ loadcell
Tín hiệu của tất cả các loadcell là tín hiệu áp mV/V có giá trị 1mv/V , 2mV/V , 4
mV/V , 8 mV/V , 16 mV/V 32mV/V … tất cả các tín hiệu này đều rất nhỏ . Chỉ cần
truyền đi một khoảng cách rất ngắn là đã bị suy giảm tín hiệu và khả năng bị nhiễu rất
cao. Trên thực tế một số ứng dụng không cần độ chính xác cao, bộ điều khiển vẫn có
thể đọc tín hiệu điện áp loadcell trực tiếp.
2.4.1 Đọc tín hiệu Analog trực tiếp từ loadcell
 Ưu điểm
 Cấu tạo đơn giản, đọc trực tiếp tín hiệu analog về bộ điều khiển.
 Giá thành rẻ.
 Nhược điểm
 Sụt áp, nhiễu làm giảm độ chính xác.
 Chỉ dùng khoảng cách gần.
2.4.2 Các module chuyển đổi, khuếch đại tín hiệu
 Ưu điểm
 Giá thành sản phẩm rẻ.
 Kích thước nhỏ gọn.

 Hỗ trợ chuyển đổi tín hiệu từ loadcell sang các dạng mA, mV, digital.
 Nhược điểm
 Thường được sử dụng trong các hệ thống khơng cần độ chính xác cao, có thể bị
nhiễu bởi mơi trường.
 Tín hiều khơng truyền đi xa .

16


Chương 2: Lựa chọn phương án
2.4.3 Đầu cân
 Ưu điểm
 Thường dùng trong hê ̣ thố ng cân công nghiê ̣p : cân xe tải, cân đóng bao, cân
phể u, hê ̣ thống tự đơ ̣ng….
 Độ chính xác cao, có màn hình hiển thị trực tiếp khối lượng.
 Tích hợp chuyển đổi mA, mV, ADC.
 Hỗ trợ truyền thống: RS232, RS485, mạng internet,...
 Hỗ trợ cân khối lượng tịnh, khối lượng tổng, tự động set “zero point”.
 Các tính năng phụ: In, đếm số lượng, tính tiền,...
 Nhược điểm
 Đầu cân có giá thành cao tùy thuộc vào tính năng của đầu cân.
 Kích thước lớn so với module.
Kết luận: Dựa vào các yêu cầu về độ chính xác và khả năng kết nối với các thành
phần trong hệ thống (PLC, Scada) ta chọn sử dụng đầu cân. Cụ thể là đầu cân Laumass
- W100
2.5 Phân tích lựa chọn thiết bị điều khiển
2.5.1 So sánh thiết bị điều khiển
Vi điều khiển
 Ưu điểm
 Khả năng tính tốn và tốc độ nhận tín hiệu cao.

 Giá thành sản phẩm thấp.
 Kích thước nhỏ gọn và độ thẩm mỹ cao .
 Nhược điểm


Vi điều khiển có dung lượng nhớ hạn chế.
17