Đồ án: Ứng dụng PLC S7 – 300 để điều khiển trạm trộn bê tông tươi tự động

Lớp: Tự Động Hóa - K50

MỤC LỤC
Lời nói đầu
Chương 1. Giới thiệu về Công Ty và công nghệ điều khiển trạm trộn bê tông .....3
1.1. Vị trí địa lý và nhiệm vụ của công ty......................................................................3
1.2. Đặc điểm công nghệ của trạm trộn bê tông tươi tự động........................................7
1.3. Giới thiệu một số bộ phận trong trạm trộn bê tông.................................................9
Chương 2. Lựa chọn thiết bị điều khiển cho trạm trộn bê tông tươi.....................12
2.1. Simatic S7-300 ...............................................................................................12
2.2. Loadcell................................................................................................................15
2.3. Van điện từ............................................................................................................23
2.4. Công tắc hành trình...............................................................................................24
2.5. Động cơ điện.........................................................................................................26
Chương 3. Thiết kế hệ thống điều khiển bằng PLC S7-300 cho trạm trộn bê tông.....27
3.1. Xây dựng sơ đồ điện cho hệ thống trạm trộn bê tông............................................27
3.2. Nguyên lý vận hành..............................................................................................38
3.3. Lưu đồ thuật toán..................................................................................................39
3.4. Phân công giá trị đầu vào/Ra.................................................................................42
Chương 4. Mô phỏng hệ thống trạm trộn bê tông bằng giao diện WinCC...........43
4.1 Giới thiệu về WinCC..............................................................................................43
4.2. Cách ghép nối WinCC với S7-300........................................................................44
4.3. Giao diện mô phỏng trạm trộn bê tông tươi bằng Wincc.......................................44
4.4. Kết quả mô phỏng trạm trộn bằng Wincc..............................................................47
Kết luận........................................................................................................................ 48
Tài liệu tham khảo.......................................................................................................49
Phụ lục......................................................................................................................... 50
SVTH: Nguyễn Văn Hoan

1

GVHD: Nguyễn Thanh Lịch


Lớp: Tự Động Hóa - K50

LỜI NÓI ĐẦU
Đất nước ta trong quá trình phát triển với nền kinh tế thế giới.Điều này đòi hỏi
các xí nghiệp không ngừng nâng cao sản xuất lao động, hạ giá thành sản phẩm để Có
thể cạnh tranh và có chỗ đứng trên thị trường.Để làm được điều này các nhà máy xí
nghiệp ngoài việc cải cách lại cơ cấu thì việc đổi mới dây chuyền là hết sức cần
thiết.Vì thế tự động hóa đã áp dụng hầu hết trong các dây chuyền sản xuất của các nhà
máy xí nghiệp.
Với kiến thức sau năm năm học trường Đại Học Mỏ Địa Chất chuyên ngành Tự
Động Hóa Xí Nghiệp Mỏ và Dầu Khí.Em được phân công về Công ty Xây Lắp
Thương Mại Hải Phòng để thực tập tốt nghiệp. Sau thời gian thực tập tại công ty với
sự nhiệt tình của tuổi trẻ cùng với sự chỉ bảo tận tình của thầy giáo Nguyễn Thanh
Lịch và các thầy cô trong bộ môn Tự Động Hóa cùng với sự giúp đỡ của các phòng
ban Công ty Xây Lắp Thương Mại Hải Phòng đã giúp đỡ em hoàn thành tốt đồ án
này.Với kiến thức được trang bị trong nhà trường,trong tài liệu thu được,cùng với tài
liệu tham khảo.
Đồ án của em đã được hoàn thành với đề tài: Ứng dụng PLC S7-300 để điều
khiển trạm trộn bê tông tươi tự động.
Đồ án của em gồm 5 chương:
Chương 1. Giới thiệu tổng quan về Công Ty và công nghệ điều khiển trạm trộn
bê tông tươi tự động của Công Ty.
Chương 2. Lựa chọn thiết bị điều khiển cho trạm trộn bê tông tươi.
Chương 3. Thiết kế hệ thống điều khiển tự động bằng PLC S7-300 cho trạm trộn.
Chương 4. Mô phỏng hệ thống trạm trộn bê tông bằng giao diện WinCC.
Do thời gian giới hạn nên trong quá trình hoàn thành em không tránh khỏi sai
sót, em rất mong sự đóng góp ý kiến của các thầy cô trong bộ môn và các bạn. Xin

cảm ơn.

SVTH: Nguyễn Văn Hoan

2

GVHD: Nguyễn Thanh Lịch


Lớp: Tự Động Hóa - K50
Chương 1
GIỚI THIỆU VỀ CÔNG TY VÀ CÔNG NGHỆ TRỘN BÊ TÔNG TƯƠI

1.1. Vị trí địa lý và nhiệm vụ của công ty
1.1.1. Vị trí địa lý
Công ty Xây lắp Thương mại Hải Phòng được xây dựng trên nền đất của công
ty xây dựng Hùng Vương thuộc, quận Hồng Bàng thành phố Hải Phòng cách trung
tâm thành phố Hải Phòng 5km về phía nam.Với diện tích khoảng 30.000m 2 công ty
ngày càng phát triển lớn mạnh.
A. Đặc điểm địa lý và địa hình
Phía đông: Là đường Hùng Vương (hay đường Năm cũ)
Phía tây : Cách đường năm nới 1 km
Phía nam : Cạnh doanh trại quân đội
Phía bắc : Giáp Công ty LILAMA
Đặc điểm của công ty rất thuận lợi cho việc phân phối sản xuất cũng như việc
lập nguyên liệu.
B. Đặc điểm khí hậu
- Nhiệt độ trung bình của không khí 240C
- Nhiệt độ cực đại trung bình của không khí khoảng 310C
- Nhiệt độ cực tiểu trung bình của không khí khoảng 310C

- Nhiệt độ cực đại tuyệt đối của không khí 400 C
- Nhiệt độ cực tiểu của không khí 30C
- Độ ẩm trung bình của không khí hàng năm khoảng 84%
- Độ ẩm trung bình thấp nhất của không khí hàng năm 12%

SVTH: Nguyễn Văn Hoan

3

GVHD: Nguyễn Thanh Lịch


Lớp: Tự Động Hóa - K50
1.1.2. Quá trình hình thành và phát triển
A. Mục đích thành lập
Xuất phát từ nhu cầu xây dựng của các công trình xây dựng dân dụng và công
nghiệp, xuất phát từ nhu cầu đòi hỏi các loại vật liệu xây dựng mới đáp ứng các tiêu
chuẩn chất lượng về trộn bê tông, Tổng Công ty Xây lắp Thương mại Hải Phòng đã
thành lập Xí nghiệp gạch Lock và vật liệu xây dựng.
B. Quá trình phát triển của Xí nghiệp
Kể từ khi thành lập tới nay, xí nghiệp phát triển liên tục với doanh số năm nay
cao hơn năm trước. Khi mới đưa vào sản xuất do chưa có sự mở rộng nên trạm trộn
hoạt động với năng suất chưa cao nhưng cho tới nay trạm đã hoạt động liên tục do
nhiều công trình đặt trộn và doanh thu liên tục gia tăng.
1.1.3. Cơ cấu tổ chức của Xí nghiệp
A. Mô hình cơ cấu tổ chức
Giám Đốc

PGĐ Nhân Sự

Kế Toán Trưởng

PGĐ Kĩ Thuật

PGĐ Kinh Doanh

Phòng

Phòng

Phòng

Phòng

Phòng

Phòng

Phòng

Nhân

Tổng

Kế

Kĩ

Công

Thị

Dự Án

Sự

Hợp

Toán

Thuật

Nghệ

Trường

Đầu Tư

Hình 1.1. Mô Hình cơ cấu tổ chức

B. Chức năng của từng bộ phận quản lý
SVTH: Nguyễn Văn Hoan

4

GVHD: Nguyễn Thanh Lịch


Lớp: Tự Động Hóa - K50
- Giám đốc xí nghiệp chịu trách nhiệm quản lý chung toàn xí nghiệp, chịu trách

nhiệm trước giám đốc Công ty giao cho hàng năm,cá khoản ngân vụ tài chính phải nộp
cho Công ty cũng như trách nhiệm đối với đời sống của công nhân trong xí nghiệp.
- Phó giám đốc nhân sự chịu trách nhiệm trước giám đốc xí nghiệp về kế hoạch
nhân sự, như sắp xếp nhân sự vào các bộ phận sản xuất cũng như việc lo chế độ chính
sách đối với người lao động trong xí nghiệp.
- Kế toán trưởng chịu trách nhiệm trước giám đốc xí nghiệp về kế hoạch ngân
sách của xí nghiệp như dự trừ chi phí sản xuất hàng năm thực hiện nghĩa vụ tài chính
đối với nhà nước cũng như công ty, cân đối ngân sách thu chi, hach toán lỗ lãi của hoạt
động sản xuất kinh doanh của xí nghiệp.
- Phó giám đốc kinh doanh chịu trách nhiệm trước giám đốc xí nghiệp về hoạt
động kinh doanh của xí nghiệp,như xây dựng kế hoạch tiêu thụ hàng năm, xây dựng kế
hoạch mở rộng thị trường,cũng như việc đề ra các kế hoạch cạnh tranh với các doanh
nghiệp khác trên thị trường.
- Phó giám đốc kỹ thuật chịu trách nhiệm về sửa chữa,thay đổi cải tiến kỹ thuật
các thiết bị của xí nghiệp như nâng cấp các thiết bị, thay đổi công nghệ cho phù hợp
với điều kiện thực tế của xí nghiệp nhằm mang lại hiệu quả cao nhất, tăng năng suất
lao động, giảm chi phí sản xuất,nghiên cứu các sản phẩm mới nhu cầu thị trường.
- Phòng nhân sự chịu trách nhiệm quản lý nhân sự, trách nhiệm về các chính
sách bảo hiểm xã hội y tế cũng như trợ cấp cho người lao động trong xí nghiệp.
- Phòng tổng hợp chịu trách nhiệm giải quyết vấn đề chung của xí nghiệp như
cung ứng cải tạo thiết bị ban phòng, mua bán vật tư văn phòng,ban hành các văn bản
quyết định của giám đốc xí nghiệp chịu trách nhiệm thông tin tuyên truyền của công
ty.
- Phòng kế toán chịu trách nhiệm trước giám đốc xí nghiệp về thu chi ngân
sách, về thu hồi công nợ,lo chi phí sản xuất cũng như các khoản nghĩa vụ tài chính đối
với cấp trên và người lao động trong xí nghiệp.

SVTH: Nguyễn Văn Hoan

5

GVHD: Nguyễn Thanh Lịch


Lớp: Tự Động Hóa - K50
- Phòng kĩ thuật chịu trách nhiệm xây dựng các chỉ tiêu kĩ thuật, định mức vật
tư sản xuất, cải tiến công nghệ, nâng cao tính năng của thiết bị, dự trù vật tư phụ tùng thay
thế.
- Phòng công nghệ chịu trách nhiệm nghiên cứu, thay đổi công nghệ, tung ra thị
trường các sản phẩm mới phù hợp với thị hiếu khách hàng nhưng phải đảm bảo hiệu
quả kinh tế, như điều kiện chi phí sản xuất.
- Phòng thị trường chịu trách nhiệm trực tiếp với phó Giám đốc thị trường về
các hoạt động tiêu thụ sản phẩm, tăng doanh số bán ra, giảm thiểu chi phí lưu thông,
xây dựng các kế hoạch cạnh tranh về số lượng, giá cả về quảng cáo trên thị trường.
- Phòng đầu tư chịu trách nhiệm xây dựng các dự án đầu tư có tính khả thi
nhất,mang lại hiệu quả cao nhất, như các chiến lược đầu tư xây dựng ngân sách, đầu tư
cũng như triển khai hoạt động đầu tư.
1.1.4. Nguồn điện cấp cho xí nghiệp
Xí nghiệp dùng nguồn điện lưới quốc gia đi qua trạm hạ thế của xí nghiệp với
công suất 736KVA do Liên Xô sản xuất. Trạm hạ thế này cung cấp nguồn điện cho 3
dây, thiết bị sử dụng điện ba pha đó là:
+ Dây chuyền trạm trộn bê tông tươi Lorev Do ITALIA sản xuất. Trạm có công
suất hoạt động là 120m3/h. Đây là đây truyền hiện đại ở Hải Phòng, dây chuyền làm
việc tự động hóa từ khâu đầu sản xuất cho đến khi ra sản phẩm.
+ Dây chuyền trạm trộn bê tông tươi Kabag do cộng hòa Liên bang Đức sản
xuất với công suất hoạt động là 110m3/h.
+ Dây chuyền sản xuất gạch Block do công ty Masa - Handuk sản xuất. Dây
chuyền có công suất hoạt động là 1000 viên p12/h, 1500 viên p6/h, 600 viên HBL2/h.

SVTH: Nguyễn Văn Hoan

6

GVHD: Nguyễn Thanh Lịch


Lớp: Tự Động Hóa - K50

SVTH: Nguyễn Văn Hoan

7

GVHD: Nguyễn Thanh Lịch


Lớp: Tự Động Hóa - K50
.
Hình 1.2. Sơ đồ điện của xí nghiệp

1.2. Đặc điểm công nghệ của trạm trộn bê tông tươi tự động
1.2.1. Sơ đồ công nghệ của trạm trộn bê tông tươi
- Công nghệ trộn bê tông tươi của xí nghiệp được chia làm ba công đoạn chính: Công
đoạn chuẩn cốt liệu, công đoạn cân cốt liệu và công đoạn trộn cốt liệu thành tông tươi.

Phễu cốt liệu
Đá 1

Đá 2

Cát

XiLo Xi Măng
Nước

Phụ Gia

Bơm Nước

Bơm PG

Cân Nước

Cân PG

Xe Skip
Vít Tải

Cân Xi Măng

Thùng Trộn

Xả Xuống Xe
vận chuyển

Hình 1.3. Sơ đồ công nghệ của trạm trộn
1.2.2. Nguyên lý hoạt động của quá trình trộn bê tông tươi.

SVTH: Nguyễn Văn Hoan

8

GVHD: Nguyễn Thanh Lịch


Lớp: Tự Động Hóa - K50
- Sau khi có đơn đặt hàng bê tông tươi phục vụ cho công trình, công ty gửi yêu
cầu cho xí nghiệp bắt đầu tiến hành trộn bê tông cho khách hàng. Mỗi trạm trộn đều có
hai Xilo đã được bơm sẵn xi măng, cát + đá 1 + đá 2 đã được vận chuyển tới 3 phễu
cốt liệu, Nước và chất lỏng phụ gia đã được bơm vào bình chứa để tiến hành quá trình
trộn tự động dưới sự điều khiển của người vận hành.
- Theo yêu cầu mác, khối lượng và số mẻ bê tông, đưa các dữ liệu đó nhập vào
chương trình máy tính và khởi động cho trạm hoạt động. Đầu tiên hệ thống định lượng
sẽ hoạt động, thực hiện đồng thời ba cân: cân cốt liệu, cân xi, cân nước và phụ gia:
- Cân cốt liệu được thực hiện theo nguyên tắc cộng dồn: Đầu tiên mở cửa xả
boongke chứa đá1, khi đã cân đủ thì đóng cửa xả boongke đá 1 đồng thời mở cửa
boongke cát, khi đã cân đủ thì đóng cửa xả boongke cát đồng thời mở cửa boongke đá
2. Quá trình này được tiếp tục cho tới khi cân xong các thành phần cốt liệu.
- Cân xi măng: Mở cửa xả đáy Xilo chứa xi măng, xi măng theo vít tải vận
chuyển đổ vào thùng cân. Khi cân đủ xi măng thì vít tải dừng lại.
- Cân nước và phụ gia: Nước được bơm vào thùng cân nước sau đó cân đến
phụ gia.
- Sau khi đã định lượng xong, cối trộn quay. Skíp trở liệu lên cối trộn, (trong
trường hợp cối trộn còn bê tông hoặc cửa xả cối trộn chưa đóng thì hệ thống điều
khiển sẽ không cho skíp làm việc). Khi skip lên tới vị trí xả cốt liệu thì cốt liệu được
xả vào thùng trộn, đồng thời xả xi măng. Khi xả xong cốt liệu skíp sẽ về vị trí khung
cân để thực hiện mẻ tiếp theo, đồng thời xả nước, phụ gia. Thời gian trộn cưỡng bức
khoảng 30- 45 s. Sau thời gian trộn hỗn hợp bê tông được xả vào xe chuyên chở. Khi
xả hết cối trộn đóng lại và hệ thống điều khiển tiếp tục thực hiện mẻ trộn tiếp theo.
1.3. Giới thiệu một số bộ phận trong trạm trộn bê tông
1.3.1. Vít tải xiên

Chuyên dùng để vận chuyển vật liệu rời, tơi, xốp, dẻo như xi măng, cát, bột
theo phương ngang hay nghiêng đến 200. Với cự ly chuyển tới 30 - 40m có năng suất
đến 20 - 40m3/h.
SVTH: Nguyễn Văn Hoan

9

GVHD: Nguyễn Thanh Lịch


Lớp: Tự Động Hóa - K50
Vít tải (h1.3) gồm vỏ thép 4, trục dẫn động cơ gắn vít vận chuyển 3m, các ổ đỡ
5, phễu nạp 6 và cửa đỡ liệu 7. Trục vít quay nhờ động cơ diện 1 qua hộp giảm tốc 2.
Khi quay vít vật liệu không quay theo chiều ngang của vít mà bị cuốn theo do đó có sự
chuyển động tương đối giữa vật liệu và vít tải.
Vít tải có ưu điểm là kết cấu đơn giản, kích thước nhỏ gọn, vật liệu được che
kín nên không thất thoát và gây ô nhiễm môi trường.

5

6
1

7

2
3

4

Hình 1.4: Vít tải xiên

1.3.2. Cối trộn chính
Trạm trộn bê tông được lắp đặt loại cối trộn cưỡng bức làm thêm việc theo chu
kỳ. Dung tích bê tông đã trộn xong của cối trộn cưỡng bức làm việc theo chu kỳ của
máy, với 120m3/h.

1

2

3

7

SVTH: Nguyễn Văn Hoan

10

5

4

GVHD:
Nguyễn Thanh Lịch
6


Lớp: Tự Động Hóa - K50

Hình 1.5. Sơ đồ động học của Cối trộn chính

Hệ dẫn động của cối trộn gồm động cơ điện và hộp giảm tốc 1, qua khớp nối 2
làm quay roto 7. Trên roto có lắp các tay và cách trộn, vật liệu được nạp qua ống nạp ở
nắp thùng trộn, xả bê tông qua cửa đáy của thùng trộn. Để đóng mở cửa cửa đáy, dùng
khí ép dẫn qua khóa 5 và van phân phối 4 tới xi lanh khí khí ép 6, để giảm ồn có lắp
bộ tiêu âm 3.
Việc chất tải vào thùng trộn chỉ thực hiện khi roto quay. Cốt liệu và xi măng được vào thùng trộn cùng với nước có thành thần và liều lượng xác định.
Hỗn hợp được nhào trộn đồng nhất và hiệu quả rồi xả ra ngoài khi cửa đáy mở.

SVTH: Nguyễn Văn Hoan

11

GVHD: Nguyễn Thanh Lịch


Lớp: Tự Động Hóa - K50
Chương 2
LỰA CHỌN THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN TRẠM TRỘN BÊ TÔNG TƯƠI
2.1. Giới thiệu về Simatic S7-300.
PLC là viết tắt của Program logic controller là thiết bị logic lập trình được, cho
phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua ngôn ngữ lập trình.

Hình 2.1 Simatic 7-300
PLC S7-300 cấu trúc dạng module gồm các thành phần sau:
- CPU các loại khác nhau: 312IFM, 312C, 313, 313C, 314, 314IFM, 314C,
315, 315-2 DP, 316-2 DP, 318-2.
- Module tín hiệu SM xuất nhập tín hiệu tương đồng/số: SM321, SM322,
SM323, SM331, SM332,SM334, SM338, SM374

- Module ghép nối IM: IM360, IM361, IM365
Các module được gắn trên thanh ray như hình dưới, tối đa 8 module SM/FM/CP
ở bên phải CPU, tạo thành một rack, kết nối với nhau qua bus connector gắn ở mặt sau
của module.

SVTH: Nguyễn Văn Hoan

12

GVHD: Nguyễn Thanh Lịch


Lớp: Tự Động Hóa - K50

Hình 2.2. Module phía sau Simatic
Các CPU 312 IFM, 314 IFM, 31xC có tích hợp sẵn một số module mở rộng.
- CPU 312 IFM, 312C: 10 ngõ vào số địa chỉ I124.0 …I124.7, I125.1; 6 ngõ ra
số Q124.0,..Q124.5.
- CPU 313C: 24DI I124.0..126.7, 16DO Q124.0..125.7, 5 ngõ vào tương
đồng AI địa chỉ 725..761, hai ngõ ra AO 752..755
- CPU 314 IFM: 20 ngõ vào số I124.0..126.7, 16 DO Q124.0…125.5, 16 ngõ
ra số Q124.0…Q125.7, 4 ngõ vào tương đồng PIW 128, PIW 130, PIW 132, PIW134;
1 ngõ ra tương đồng PQW 128.
Module CPU:
Các module CPU khác nhau có chức năng khác nhau, vận tốc xử lý lệnh…

SVTH: Nguyễn Văn Hoan

13

GVHD: Nguyễn Thanh Lịch


Lớp: Tự Động Hóa - K50

Hình 2.3 Sơ đồ module CPU
Các vùng nhớ của CPU:
- vùng nhớ chương trình (load memory) chứa chương trình người dùng (không
chứa địa chỉ ký hiệu và chú thích) có thể là RAM hay EEPROM hay CPU hay trên thẻ
nhớ.
- Vùng nhớ làm việc (working memory) là RAM, chứa chương trình do vùng
nhớ chương trình chuyển qua, chỉ các phần chương trình, ví dụ Block header, Data
Block.
- Vùng nhớ hệ thống (System memory) phục vụ cho chương trình người dùng,
bao gồm Timer, couter, vùng nhớ dữ liệu M, bộ nhớ đệm xuất nhập.
PLC thực hiện chương trình theo chu kỳ vòng lặp, mỗi vòng lặp được gọi là
vòng quét, mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn đọc các dữ liệu từ các cổng vào
vùng đệm ảo, tiếp theo là thực hiện chương trình. Trong từng vòng quét, chương trình
được thực hiện bằng lệnh đầu tiên và kết thúc bằng lệnh MEND. Sau giai đoạn thực
hiện chương trình là giai đoạn truyền các nội dung của bộ đệm ảo tới các cổng. Như
SVTH: Nguyễn Văn Hoan

14

GVHD: Nguyễn Thanh Lịch


Lớp: Tự Động Hóa - K50
vậy, tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra thông thường lệnh không làm việc trực tiếp
cổng vào mà chỉ thông qua bộ đếm ảo của cổng trong vùng nhớ tham số, việc truyền

thông giữa bộ đếm ảo với ngoại vi trong giai đoạn nhập dữ liệu và thực hiện chương
trình do CPU quản lý, khi gặp lệnh vào/ra ngay lập tức hệ thống sẽ cho dừng mọi công
việc khá. Nếu sử dụng các chế độ ngắt chương trình tương ứng với từng tín hiệu ngắt
được soạn thảo và cài đặt như bộ phận của chương trình, chương trình xử lý ngắt chỉ
thực hiện trong vòng quét khi xuất hiện tín hiệu báo ngắt và có thể xảy ra ở bất cứ thời
điểm nào trong vòng quét.
Như vậy: Trong trạm trộn bê tông của công ty chọn PLC S7-300 - SIEMENS ĐỨC, với CPU 314 IFM: Bộ nhớ làm việc 24KB, chu kỳ lệnh 0.3us, tích hợp sẵn
24DI/16DO, 4AI/1AO.
2.2. Giới thiệu qua về Loadcell
2.2.1. Lý thuyết về loadcell
Trước đây, hầu hết các thiết bị cân trong công nghiệp sử dụng load cell cảm
biến sức căng, biến đổi thành tín hiệu điện (gọi là load cell tương tự). Tín hiệu này
được chuyển thành thông tin hữu ích nhờ các thiết bị đo lường như bộ chỉ thị.
Một hệ thống cân dùng load cell tương tự điển hình thông thường bao gồm một
hoặc một vài load cell nối song song với nhau qua một hộp nối (Junction Box)
Mỗi load cell tải một đầu ra độc lập, thường 1 đến 3 mV/V. Đầu ra kết hợp được tổng
hợp dựa trên kết quả của đầu ra từng load cell. Các thiết bị đo lường hoặc bộ hiển thị
khuyếch đại tín hiệu điện đưa về, qua chuyển đổi ADC, vi xử lý với phần mềm tích
hợp sẵn thực hiện tính toán chỉnh định và đưa kết quả đọc được lên màn hình. Đa phần
các thiết bị hay bộ hiển thị hiện đại đều cho phép giao tiếp với các thiết bị ngoài khác
như máy tính hoặc máy in.
Những load cell này dựa trên nguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone. Giá
trị lực tác dụng tỉ lệ với sự thay đổi điện trở cảm ứng trong cầu điện trở, và do đó trả
về tín hiệu điện áp tỉ lệ. Ưu điểm chính của công nghệ này là xuất phát từ yêu cầu thực
tế, với những tham số xác định trước, sẽ có các sản phẩm thiết kế phù hợp cho từng
ứng dụng của người dùng. Ở đó các phần tử cảm ứng có kích thước và hình dạng khác
SVTH: Nguyễn Văn Hoan

15

GVHD: Nguyễn Thanh Lịch


Lớp: Tự Động Hóa - K50
nhau phù hợp với yêu cầu của ứng dụng. Các dạng phổ biến: dạng kéo (shear), dạng
uốn(bending), dạng nén (compression)…
Tuy nhiên, khó khăn gặp phải ngay từ buổi đầu của các hệ thống này là tín hiệu
điện áp đầu ra của load cell rất nhỏ(thường không quá 30mV). Những tín hiệu nhỏ như
vậy dễ dàng bị ảnh hưởng của nhiều loại nhiễu trong công nghiệp như:
Nhiễu điện từ: sinh ra bởi quá trình truyền phát các tín hiệu điện trong môi
trường xung quanh, truyền phát tín hiệu vô tuyến điện trong không gian hoặc do quá
trình đóng cắt của các thiết bị chuyển mạch công suất lớn…
Sự thay đổi điện trở dây cáp dẫn tín hiệu: do thay đổi thất thường của nhiệt độ
môi trường tác động lên dây cáp truyền dẫn.
Do đó, để hệ thống chính xác thì càng rút ngắn khoảng cách giữa load cell với
thiết bị đo lường càng tốt. Cách giải quyết thông thường vẫn dùng là giảm thiểu dung
sai đầu ra của load cell. Tuy nhiên giới hạn của công nghệ không cho phép vượt quá
con số mong muốn quá nhỏ. Trong khi nối song song nhiều load cell với nhau, mỗi
load cell tải với một đầu ra độc lập với các load cell khác trong hệ thống, do đó để đảm
bảo giá trị đọc nhất quán, ổn định và không phụ thuộc vào vị trí, hệ thống yêu cầu
chỉnh định đầu ra với từng load cell riêng biệt. Công việc này đòi hỏi tốn kém về thời
gian, đặc biệt với những hệ thống yêu cầu độ chính xác cao hoặc trong các ứng dụng
khó tạo tải kiểm tra như cân tank, cân xilô…
Tín hiệu ra chung của một hệ nhiều load cell dựa trên cơ sở đầu các tín hiệu ra
trung bình của từng load cell. Điều đó gây nên dễ xảy ra hiện tượng có load cell bị lỗi
mà không được nhận biết. Một khi đã nhận ra thì cũng khó khăn trong việc xác định
load cell nào lỗi, hoặc khó khăn trong yêu cầu sử dụng tải kiểm tra, hay yêu cầu sử
dụng các thiết bị đo lường như đồng hồ volt-ampe với độ chính xác cao, đặc biệt trong
điều kiện nhà máy đang hoạt động liên tục.
Thực tế còn rất nhiều yếu tố khác liên quan đến độ chính xác của hệ thống cân như:

Quá trình chỉnh định hệ thống.
Nhiễu rung và ồn.

SVTH: Nguyễn Văn Hoan

16

GVHD: Nguyễn Thanh Lịch


Lớp: Tự Động Hóa - K50
Do tác dụng chuyển hướng lực trong các cơ cầu hình ống.
Quá trình phân tích dò tìm lỗi.
Thay thế các thành phần trong hệ thống cân hoặc các hệ thống liên quan.
Đi dây cáp tín hiệu dài.
Môi trường hoạt động quá kín.
…
Không thể tính toán được trước các yếu tố ảnh hưởng này để có thể mô hình
hóa trong quá trình phân tích và thiết kế. Trong khi đó điều kiện làm việc ở mỗi nơi rất
khác nhau, thiết bị đo ở các xa cảm biến, tín hiệu truyền dẫn yếu dễ bị tiêu hao và
nhiều loại nhiễu tác động, đặc biệt với môi trường làm việc khắc nghiệt trong nhà máy
và xí nghiệp. Tín hiệu đưa về đến thiết bị đo lường khó phản ảnh trung thực giá trị
thực tế.
Trong khi đó, các bộ hiển thị hiện nay thường dùng hệ vi xử lý tốc độ thấp,
năng lực tính toán không cao, ít thiết bị tích hợp các thuật toán xử lý chỉnh định các số
liệu thu thập về, hoặc nếu có còn ở mức độ đơn giản. Do các bộ hiển thị sử dụng với
nhiều loại load cell khác nhau nên các thuật toán chỉnh định chỉ mang tính tương đối,
không triệt để, đặc biệt là chưa có thiết bị nào tích hợp tính năng bù sai lệch do nhiệt
độ. Chức năng lọc nhiễu điện từ trường cho tín hiệu đo của các thiết bị này còn rất
kém. Một yếu điểm nữa là tần số lấy mẫu thấp, do đó không thể áp dụng trong các ứng

dụng mà lực tác dụng biến đổi nhanh (cân động) như các hệ thống cân băng liên tục,….
Tuy nhiên, từ cuối những năm 1970, các nhà chế tạo load cell đã khám phá khả
năng có thể kết hợp giữa công nghệ điện tử hiện đại với các thành phần đo cơ bản, và
khái niệm load cell số ra đời. Ban đầu, khi khái niệm load cell số mới ra đời, nhiều
người hiểu lầm là các load cell số có các phần tử điện tiêu hao thấp có thể được sử
dụng để chuyển đổi một load cell chất lượng thấp lên một load cell chất lượng cao.
Thực tế thì ngược lại, mỗi load cell số đơn giản cũng mang trong nó một cấu trúc khá
phức tạp. Thứ nhất, phải có một load cell cơ bản với độ chính xác, độ ổn dịnh và khả
năng lặp lại rất cao trong mọi điều kiện làm việc. Thứ hai, phải có một bộ chuyển đổi

SVTH: Nguyễn Văn Hoan

17

GVHD: Nguyễn Thanh Lịch


Lớp: Tự Động Hóa - K50
tương tự-số (ADC) 16 đến 20 bit tốc độ cao để chuyển đổi tín hiệu điện tương tự sang
dạng số. Thứ ba, phải có hệ vi mạch xử lý để thực hiện điều khiển toàn bộ quá trình
chuyển đổi từ tín hiệu lực đo được thành dữ liệu số thể hiện trung thực nhất và giao
tiếp với các thiết bị khác để trao đổi thông tin.
Tín hiệu điện áp từ cầu điện trở của load cell chính xác cao được đưa đến đầu
vào của mạch tích hợp sẵn, bao gồm cả phần khuyếch đại, bộ giải điều chế, một ADC
tốc độ cao 20 bit và bộ lọc số. Một cảm biến nhiệt độ tích hợp sẵn được sử dụng để đo
nhiệt độ thực của load cell phục vụ cho việc bù sai số do nhiệt độ. Dữ liệu từ ADC,
cảm biến nhiệt độ cùng với các thuật toán trong phần mềm và một số phần cứng bổ
sung tích hợp sẵn có chức năng tối ưu hóa xử lý các sai số do không tuyến tính, bù sai
đường đặc tính, khả năng phục hồi trạng thái và ảnh hưởng của nhiệt độ… được vi xử
lý tốc độ cao xử lý. Dữ liệu kết quả đầu ra được truyền đi xa qua cổng giao tiếp theo

một giao thức nhất định. Các module điện tử này có thể được đặt ngay trong load cell,
load cell cable hoặc trong hộp junction box. Các đặc tính tới hạn của từng load cell
được đặt trong EEPROM nằm trong module của load cell đó, điều đó cũng có nghĩa là
mọi vấn đề xử lý sai số được thực hiện ngay tại load cell, với chính load cell đó, cũng
có nghĩa là phép bù các sai số được thực hiện khá triệt để.
Một hệ thống số điển hình bao gồm một số các load cell số nối với máy tính,
PLC hoặc thiết bị đo như bộ hiển thị. Bên trong hệ thống, mỗi load cell độc lập có thể
được nhận dạng bằng địa chỉ làm việc của nó. Địa chỉ làm việc đó có thể được cài đặt do
người lập trình thông qua một hoặc nhiều địa chỉ cung cấp bởi nhà máy. Thông thường
địa chỉ “0” được sử dụng như là một địa chỉ làm cho tất cả các load cell trả lời, trong
khi các số nối tiếp của load cell có thể được sử dụng để yêu cầu một địa chỉ xác định.
Các load cell số hoạt động trên một chương trình điều khiển kiểu Master/Slave,
ở đó định nghĩa một thiết bị (thường là PC hoặc indicator) là master trên mạng. Có hai
chế độ hoạt động chính: Master giám sát tất cả các quá trình truyền phát bằng cách
giao tiếp với từng slave một cách tuần tự, hoặc master gửi dữ liệu yêu cầu các slave trả
lời theo địa chỉ tuần tự. Chế độ thứ nhất có ưu điểm trong sự mềm dẻo và nắm bắt lỗi,
trong khi chế độ hai hướng đến tốc độ giao tiếp. Hầu hết các load cell số kết nối theo
chuẩn RS485 hoặc RS422. Cả hai kiểu giao thức đều có các đặc tính tương tự nhau và
SVTH: Nguyễn Văn Hoan

18

GVHD: Nguyễn Thanh Lịch


Lớp: Tự Động Hóa - K50
cung cấp một môi trường multi-drop. Việc giao tiếp giữa các thiết bị nối trên mạng dựa
trên giao thức quy định bởi nhà sản xuất.
Có lẽ điểm khác biệt quan trọng nhất giữa hệ thống load cell tương tự và số là
mặc dù nối với nhau nhưng mỗi load cell số hoạt động như là một thiết bị độc lập.

Load cell số cho phép với trong nhiều ứng dụng khác nhau. Dưới đây là 4 mô
hình ứng dụng điển hình.
Mô hình 1: Các load cell số cung cấp đầu ra theo giao diện RS422 hoặc RS 485.
Các load cell nối với nhau thành cấu trúc hình sao. Junction Box hỗ trợ nối song song
8 load cell số. Card RS422/RS485 cho phép kết nối trực tiếp đến máy tính PC hoặc PLC.
Mô hình 2: Mô hình này chỉ khác với mô hình 1 là có thêm các thiết bị bảo vệ
SPD cho hệ thống load cell và máy tính chủ, chống lại các ảnh hưởng có hại như xung
điện hoặc quá áp.
Mô hình 3: Với hệ thống load cell số, các load cell có thể hoạt động như các
thiết bị độc lập, nhận dạng trong hệ thống bằng địa chỉ của nó. Vì vậy, nhiều hệ thống
có thể cùng dùng chung một thiết bị điều khiển, đơn giản chỉ cần đi đường dây mạng
liên kết chúng về một trạm điều khiển. Thông thường một trạm chủ này có thể quản lý
được đến 32 load cell số.
Mô hình 4: Trong mô hình này, bộ hiển thị đóng vai trò là trạm chủ giao tiếp
trực tiếp với các load cell hoặc với Junction Box. Ngoài chức năng hiển thị, bộ hiển thị
này có thể thực hiện một số chức năng điều khiển khác thông qua các đầu vào ra.
Khái quát lại, hệ thống cân dùng load cell số có một số ưu điểm nổi bật sau:
Với đầu ra số, hệ thống có được:
Tín hiệu ra số “khỏe”, rất ít bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ hoặc thay đổi nhiệt
độ thất thường trên đường dây cable dẫn.
Khoảng cách dây cáp dẫn có thể kéo dài đến 1200m.
Dễ dàng thay thế load cell.
Dữ liệu số có thể xử lý trực tiếp bằng máy tính, PLC hoặc trên bộ hiển thị khi cần.

SVTH: Nguyễn Văn Hoan

19

GVHD: Nguyễn Thanh Lịch

Lớp: Tự Động Hóa - K50
Mỗi load cell là một thiết bị hoạt động độc lập trong hệ thống, do đó:
Có thể mở rộng cấu trúc dễ dàng.
Có thể thực hiện tối ưu hóa hệ thống dễ dàng qua phân tích từng thành phần
tích hợp.
Cân bằng các góc cân có thể thực hiện bằng thiết bị. Thay đổi, sửa lỗi một load
cell không ảnh hưởng đến các load cell khác. Công việc thực hiện dễ dàng và đơn
giản, tiết kiệm thời gian.
Một số ưu điểm khác :
Với hệ thống yêu cầu độ chính xác vừa và thấp có thể tự động chỉnh định mà
không cần tải chết.
Load cell có thể thay thế mà không cần chỉnh định lại.
Các thiết bị theo chuẩn RS485/422 đều có thể tham gia vào hệ thống.
Nhiều hệ thống có thể kết nối và điều khiển bởi một trạm. Chỉ đơn giản là mở
rộng đường dây cable. Tiết kiệm phần cứng.
Phần mềm dễ dàng phát triển.
…
Những ưu điểm của hệ load cell số cho phép trong các ứng dụng độ chính xác
cao và chống chịu nhiễu tốt, đặc biệt ở những ứng dụng yêu cầu các điểm đo nằm phân
tán trên phạm vi rộng
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 động vào một bộ phận đàn
hồi, lượng di động của bộ phận đàn hồi biến đổi thành tín hiệu điện tỉ lệ với lực chưa
biết. Sau đây là giới thiệu về loại cảm biến này.
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 nhỏ thành sự thay đổi tương ứng trong
điện trở. Một mạch đo dùng các miếng biến dạng sẽ cho phép thu được một tín hiệu
điện tỉ lệ với mức độ thay đổi của điện trở.
SVTH: Nguyễn Văn Hoan

20

GVHD: Nguyễn Thanh Lịch


Lớp: Tự Động Hóa - K50
2.2.2. Một số Loadcell thực tế
Có nhiều loại loadcell do các hãng sản xuất khác nhau như KUBOTA (của
Nhật), Global Weighing (Hàn Quốc), Transducer Techniques. Inc, Tedea - Huntleigh...
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.
Trong thực tế còn có loại loadcell sử dụng kỹ thuật 6 dây cho ra 6 đầu dây. Sơ đồ
nối dây của loại loadcell này có thể có hai dạng như sau:

a. Dạng nối dây 1

b.Dạng nối dây 2

Hình 2.4: Các dạng nối dây của loadcell
Như vậy, thực chất loadcell cho ra 6 dây nhưng bản chất vẫn là 4 dây vì ở cả hai
cách nối ta tìm hiểu ở trên thì các dây +veInput (Exc+) và +veSense (Sense+) là nối
tắt, các dây -veInput (Exc-) và -veSense (Sense-) là nối tắt.
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 tùy 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 2miliVolt/Volt thì với nguồn cung cấp là 10 Volt thì điện
áp ra sẽ là 20 miliVolt ứng với khối lượng tối đa).

SVTH: Nguyễn Văn Hoan

21

GVHD: Nguyễn Thanh Lịch


Lớp: Tự Động Hóa - K50
Giới thiệu load cell sử dụng trong đồ án này là VLC-100:
Loadcell VLC-100 do công ty Virtual Measurements & Control LLC (CA,USA)
sản xuất. Hình ảnh loadcell như sau:

Hình 2.5: Loadcell VLC-100
Sau đây là bảng các đặc tính kỹ thuật của loadcell VLC-100 (Tham khảo trong tài liệu)

VLC-100 SPECIFICATIONS:
Rated output
3mV/V±0.25%
Non-linearity
0.03%
Hysteresis
0.03%
Non-repeatability
0.02%
Creep
0.03%
Input resistance

385 ± 15ohms
Output resistance
350 ± 3ohms
Safe overload
150%
Ultimate overload
300%
Excitation voltage
10VDC
Max. excitation voltage
15VDC
Insulation resistance
>2000Mohms
Environmental Protection
IP67
Tank weighing
Hopper weighing

SVTH: Nguyễn Văn Hoan

22

GVHD: Nguyễn Thanh Lịch


Lớp: Tự Động Hóa - K50
VLC-100 (2,5klb) cho cân cốt liệu, VLC-100 (1klb) cho cân nước, VLC (1,5klb) cho
cân xi măng.
2.3. Van điện từ
Căn cứ theo yêu cầu điều khiển trạm trộn, Công ty hiện đang sử dụng hai loại

van điện từ. Loại dùng khí nén và loại dùng thủy lực.
2.3.1. Các van khí nén
a. Các van điều khiển hướng (solenoide):
Các van điều khiển hướng là các thiết bị tác động đến đường dẫn các dòng
Ckhí. Tác động có thể là: cho phép khí lưu thông đến các đường ống dẫn khí, ngắt các
dòng không khí khi cần thiết bằng cách đóng các đường dẫn hoặc phóng thích không
khí vào trong khí quyển thông qua cổng thoát.
Van điều khiển hướng được đặc trưng bằng số các đường dẫn được điều khiển,
cũng chính là số cổng của van và số vị trí chuyển mạch của nó. Cấu trúc của van là
yếu tố quan trọng ảnh hưởng về các đặc tính của dòng chảy của van, chẳng hạn như
lưu lượng, sự suy giảm áp suất và thời gian chuyển mạch.
b.Van chắn:
Van chắn là loại van chỉ cho dòng khí nén chảy theo một chiều, chiều ngược lại
dòng khí nén sẽ bị khóa lại. Áp suất ở phía sau van theo chiều dòng chảy, sẽ tác động
lên cơ cấu đóng cửa thông khí của van.

Hình 2.6: Van điều khiển hướng

SVTH: Nguyễn Văn Hoan

23

GVHD: Nguyễn Thanh Lịch


Lớp: Tự Động Hóa - K50
C. Van áp suất:

Van áp suất là các van tác động chủ yếu đến áp suất hoặc được điều khiển bởi
độ lớn của áp suất. Chúng được chia thành 3 nhóm:

- Van điều tiết áp suất
- Van giới hạn áp suất
- Van trình tự
2.3.2. Loại van dùng thủy lực
Căn cứ theo yêu cầu của công nghệ trộn bê tông, hiện công ty đang sử dụng loại
van đảo chiều 4 cửa hai vị trí tác động trực tiếp bằng nam châm điện.

A

B

P

T

Hình 2.7. Cấu tạo van điện từ
Nguyên lý hoạt động như sau: Tại ví trí thông của P nối thông với của T khi
dòng điện vào cuộn dây, pittong được kéo lên van chuyển vị trí, lúc này cửa P được
nối thông với cửa A, còn cửa B nối với cửa R.
2.4. Công tắc hành trình
Công tắc cơ tạo ra tín hiệu đóng, mở, hoặc các tín hiệu là kết quả của tác động
cơ học làm công tắc mở hoặc đóng.

SVTH: Nguyễn Văn Hoan

24

GVHD: Nguyễn Thanh Lịch

Lớp: Tự Động Hóa - K50
Loại công tắc này có thể được sử dụng để cho biết sự hiện diện của chi tiết gia
công trên bàn máy, do đó chi tiết ép vào công tắc làm cho công tắc đóng. Sự vắng mặt
của chi tiết gia công được chỉ thị bằng công tắc mở và sự hiện hữu của chi tiết được
biểu thị bằng công tắc đóng.

Điện áp nguồn

Điện áp nguồn

PLC

PLC

Kênh nhập

Kênh nhập

a)

b)

Hình 2.8. Các bộ cảm biến công tắc

Do đó, với cách bố trí được trình bày trên hình a, các tín hiệu nhập đối với kênh
nhập đơn của PLC có các mức logic như sau:
+ Không có chi tiết: 0
+ Có chi tiết

:1

Mức 1 có thể tương ứng với tín hiệu nhập 24VDC, mức 0 tương ứng với tín
hiệu nhập 0V. Với cách bố trí được trình bày trên hình b, khi công tắc mở, điện áp
được cung cấp cho đầu vào của PLC, khi công tắc đóng điện áp vào sụt đến giá trị
thấp. Các mức logic là:
+ Không có chi tiết: 0
+ Có chi tiết

:1

Thuật ngữ công tắc giới hạn (công tắc hành trình) được sử dụng cho công tắc
chuyên dùng để phát hiện sự có mặt của chi tiết chuyển động. Công tắc này có thể
được vận hành bằng cam, trục lăn hoặc đòn bẩy.

SVTH: Nguyễn Văn Hoan

25

GVHD: Nguyễn Thanh Lịch