Ứng dụng PLC s7 200 để điều khiển trạm trộn bê tông tươi tự động

LỜI NĨI ĐẦU
Hiện nay trong cơng nghiệp hiện đại hố đất nước, yêu cầu ứng dụng tự
động hoá ngày càng cao vào trong đời sống sinh hoạt, sản xuất (yêu cầu điều
khiển tự động, linh hoạt, tiện lợi, gọn nhẹ...). Mặt khác nhờ công nghệ thông tin,
công nghệ điện tử đã phát triển nhanh chóng làm xuất hiện một loại thiết bị điều
khiển khả trình PLC. Điều đó có thể khẳng định chiến lược phát triển toàn diện
về khoa học và cơng nghệ, đồng thời từ đó có cái nhìn tổng quan hơn, bao quát
hơn, hướng đến sự phát triển toàn diện trong các lĩnh vực nhằm theo kịp sự phát
triến của các nước trong khu vực. Từ đó áp dụng các biện pháp công nghệ,
những thành quả đã đạt được ứng dụng vào trong phát triển công nghiệp một
cách hiệu quả nhất.
Hiện nay Việt Nam đang là một nước trong đà phát triển, các cơng trình
nhà máy, giao thơng, nhà ở ... dần được xây dựng lên càng nhiều. Vì thế việc cần
dùng đến bê tơng làm ngun liệu là rất cần thiết. Nhưng tất cả các khâu đong,
trộn, vận chuyển đang gặp rất nhiều khó khăn. Khó khăn về thời gian, nhân
cơng, sẽ dẫn đến chậm tiến trình hồn thành cơng việc. Vì thế muốn thay đổi
được vấn đề đó trước tiên là phải đổi mới tư duy lao động, thay biện pháp sản
xuất thủ công thành sản xuất tự động điều khiển, giám sát quá trình đong, trộn bê
tông là việc làm cấp bách hiện nay. Do vậy để khắc phục khó khăn trên, bắt kịp
với nhu cầu thị trường và nâng cao kiến thức thực tế của bản thân em xin chọn
đề tài “ Thiết kế và mô phỏng máy trộn bê tông điều khiển bằng PLC S7 - 200
” làm khóa luận tốt nghiệp.
Hiện tại các nước trên thế giới đã và đang sử dụng hệ thống điều khiển tự
động trạm trộn bê tông rất rộng rãi tại các trạm trộn bê tông.

1


CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRẠM TRỘN BÊ TÔNG
VÀ PLC S7-200

1.1. Ứng dụng của hệ thống trạm trộn bê tơng điều khiển bằng PLC trong
và ngồi nƣớc.
1.1.1. Ứng dụng trạm trận bê tông điều khiển bằng PLC tại nước ngồi.
Ở các nước phát triển thì hệ thống trạm trộn bê tông điều khiển bằng PLC
được sử dụng và lắp đặt rất rộng rãi .

Hình 1.1.Hệ thống trạm trộn bê tông
1.1.2. Ứng dụng trạm trộn bê tông ở trong nước.
- Trước đây nền cơng nghiệp nước ta cịn lạc hậu, kinh tế cịn yếu kém,
sản xuất thường dùng thủ cơng là chủ yếu. Các cơng trình giao thơng chưa được

2


đổi mới, các nhà máy chưa mở ra nhiều,..nên việc sử dụng đến bê tông chưa
được nhiều, chủ yếu là tự sức người trộn bê tông hoặc dùng máy nhỏ để trộn.

Hình 1.2.Máy trộn bê tơng nhỏ
- Vài năm gần đây do thời buổi hội nhập nên nền công nghiệp nước ta
đang phát triển, giao thông được quan tâm, nhà máy cơng trình, nhà ở mọc lên
rất nhiều nên việc sử dụng bê tông là cần thiết.
- Tuy nhu cầu sử dụng việc điều khiển trạm bê tông là lớn nhưng do chưa
bắt kịp với công nghệ để thiết kế nên máy móc cịn phải nhập khẩu từ nước
ngồi.


Nhìn chung việc xây dựng trạm trộn bê tông tự động của nước ta là

chưa cao, dẫn đến hiệu quả chung chưa cao. Vì vậy nước ta cần nghiên cứ và đầu
tư nhiều hơn vào tự động hóa.

Xây dựng trạm trộn bê tông tự động mang lại nhiều hiệu quả. Năng suất
chất lượng bê tông đạt mức cao, giá thành giảm, không phải dùng đến sức lực
của nhân công… Đẩy mạnh chuyên mơn hóa, đưa đất nước đi phát triển theo con
đường cơng nghiệp hóa- tự động hóa.


Để bắt kịp xu thế công nghệ, nhu cầu thị trường trong nước và nhằm

nâng kiến thức của bản thân, em chọn đề tài “Thiết kế và mô phỏng máy trộn bê
tông điều khiển bằng PLC” làm khóa luận tốt nghiệp.
3


1.2. Giới thiệu về S7-200.
PLC viết tắt của Programmable Logic Control, là thiết bị điều khiển Logic
lập trình được hay khả trình, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật tốn điều
khiển logic thơng qua một ngơn ngữ lập trình.

Hình 1.3 PLC S7-200
S7-200 là thiết bị điều khiển logic khả trình loại nhỏ của hãng Siemens, có
cấu trúc theo kiểu modul và các modul mở rộng. Các modul này được sử dụng
cho những ứng dụng lập trình khác nhau. Thành phần cơ bản của S7-200 là khối
vi xử lý CPU212 hoặc CPU214. Với sự phát triển ngày càng nhanh chóng như
hiện nay thì Siemens đã cho ra đời them những khối vi xử lý khác như CPU221,
CPU222, CPU223, CPU224, CPU225,CPU226 và những CPU dùng cho S7300,… với những tính năng rất hữu ích.
- CPU212 có 8 cổng vào, 6 cổng ra và có khả năng mở rộng them bằng 2
modul mở rộng.
- CPU214 có 14 cổng vào và 10 cổng ra và có khả năng mở rộng thêm 7
modul mở rộng.
4

S7-200 có nhiều modul mở rộng khác nhau. Song các CPU xây dựng sau
thường dựa trên nền tảng là CPU212 và CPU214 phát triển lên. Nên trong phần
tìm hiểu này em chỉ khảo sát chủ yếu về CPU2121 và CPU214.

Hình 1.4 Modul phía sau Simatic

Hình 1.5 Sơ đồ Modul CPU
5


1.2.1. Cấu trúc của CPU212 bao gồm:
- 512 từ đơn (Word) để lưu chương trình thuộc miền bộ nhớ ghi/đọc được
và khơng bị mất dữ liệu nhờ có giao diện với EEPROM. Vùng này gọi là vùng
nhớ Nonvolatile.
- 512 từ đơn để lưu dữ liệu trong đó có 100 thuộc vùng nhớ ghi/đọc
thuộc miền Non-volatile.
- 8 cổng vào logic và 6 cổng ra logic và có thể ghép nối thêm 2 modul để
mở rộng thêm các cổng logic vào ra .
- Tổng số cổng vào ra cực đại là 64 cổng vào và 64 cổng ra.
- 64 bộ tạo thời gian trễ, trong đó có 2 timer có độ phân giải 1ms, 6 timer
có độ phân giải 10ms, 54 timer có độ phân giải 100ms.
- 64 bộ đếm được chia làm 2 loại, một loại chỉ đếm lên (CTU), một loại
vừa đếm lên vừa đếm xuống (CTUD).
- 386 bit nhớ đặc biệt dùng làm các bit trạng thái hoặc các bit đặc chế độ
làm việc.
- Có các chế độ ngắt: ngắt truyền thông, ngắt theo sườn xung, ngắt theo
thời gian và ngắt báo hiệu của bộ đếm tốc độ cao (2kHz).
Dữ liệu không bị mất trong khoảng thời gian 50 giờ kể từ khi PLC bị mất

điện.
1.2.2. Cấu trúc của CPU214 bao gồm:
- 2018 từ đơn (word) để lưu chương trình thuộc miền bộ nhớ đọc/ghi
được và khơng bị mất dữ liệu nhờ có giao diện với EEPROM. Vùng nhớ này gọi
là vùng nhớ Non-volatile.
- 2018 từ đơn để lưu dữ liệu, trong đó có 512 từ nhớ đầu đọc/ghi thuộc
miền Non-volatile.
- 14 cổng vào logic và 10 cổng ra logic, và có thể ghép nối thêm 7 modul
để mở rộng số cổng vào ra.
6


- Tổng số cổng vào ra cực đại là 64 cổng vào và 64 cổng ra.
- 128 bộ tạo thời gian trễ, trong đó có 4 Timer có độ phân giải 1 ms,16
Timer có độ phân giải 10 ms và 108 Timer có độ phân giải là 100 ms.
- 128 bộ đếm (Counter) chia làm 2 loại, một loại chỉ đếm tiến (CTU) và
một loại vừa đếm tiến vừa đếm lùi (CTUD) .
- 688 bit nhớ đặc biệt dùng làm các bit trạng thái hoặc các bit đặt chế độ
làm việc.
- Có các chế độ ngắt: ngắt truyền thơng, ngắt theo sườn xung, ngắt theo
thời gian và ngắt báo hiệu của bộ đếm tốc độ cao (2kHz) và (7kHz).
- 2 bộ phát xung cho dãy xung kiểu PTO hoặc kiểu PWM.
- 2 bộ điều chỉnh tương tự. Dữ liệu không bị mất trong khoảng thời gian
190 giờ kể từ khi PLC bị mất điện.
1.2.3. Mô tả các đèn báo trên PLC S7-200:
- Đèn đỏ SF: đèn sáng khi PLC đang làm việc báo hiệu hệ thống bị hỏng
hóc.
- Đèn xanh RUN: đèn xanh sáng chỉ định PLC đang ở chế độ làm việc.
- Đèn vàng STOP: đèn sáng thông báo PLC đang ở trạng thái dừng.
Dừng tất cả chương trình đang thực hiện.

- Đèn xanh Ix.x : đèn sáng báo hiệu trạng thái của tín hiệu của cổng vào
đang ở mức logic 1 ngược lại là mức logic 0.
- Đèn xanh Qx.x : đèn sáng báo hiệu trạng thái của tín hiệu theo giá trị
logic của cổng ra đang ở mức logic 1, ngược lại là mức logic 0.
1.2.4. Cổng truyền thông:
5

3

4

9

7

8

7

1

2

6


-

Chân 1: nối đất.

-

Chân 2: nối nguồn 24VDC.

-

Chân 3: truyền và nhận dữ liệu.

-

Chân 4: không sử dụng.

-

Chân 5: đất

-

Chân 6: nối nguồn 5VDC

-

Chân 7: nối nguồn 24VDC.

-

Chân 8: Truyền và nhận dữ liệu.

-

Chân 9: không sử dụng.

1.2.5. Các ưu điểm của PLC so với mạch điện đấu dây thuần tuý:
-

Kích cỡ nhỏ.

-

Thay đổi thiết kế dễ dàng và nhanh khi có u cầu về kỹ thuật,qui trình

cơng nghệ.
-

Có chức năng chẩn đoán lỗi và ghi đè.

-

Các ứng dụng của S7-200 có thể dẫn chứng bằng tài liệu.

-

Các ứng dụng được phân bố nhân bản nhanh chóng và thuận tiện. S7-

200 có thể điều khiển hồng loạt các ứng dụng khác nhau trong tự động hố.Với
cấu trúc nhỏ gọn,có khả năng mở rộng, giá rẻ và một tập lệnh Simatic mạnh của
S7-200 là một lời giải hoàn hảo cho các bài tốn tự động hố vừa và nhỏ. Ngồi
ra S7-200 cịn có các ưu điểm sau đây :
-

Cài đặt, vận hành đơn giản.

-

Các CPU có thể sử dụng trong mạng,trong hệ thống phân tán hoặc sử

dụng đơn lẻ.
-

Có khả năng tích hợp trên qui mơ lớn.

-

Ứng dụng cho các điều khiển đơn giản và phức tạp.

-

Truyền thông mạnh.

8


Hình 1.6 Cấu tạo của PLC
1.2.6. Cấu trúc bộ nhớ.
Phân chia bộ nhớ.
Bộ nhớ của S7- 200 được chia thành 4 vùng với 1 tụ có nhiệm vụ duy trì
dữ liệu trong khoảng thời gian nhất định khi mất nguồn cung cấp. Bộ nhớ có tính
năng động cao, đọc và ghi được trong toàn vùng, loại trừ phần các bit nhớ đặc
biệt. O 4 vùng nhớ gồm:
-

Vùng chƣơng trình: là miền bộ nhớ được sử dụng để lưu giữ các lệnh

chương trình .Vùng này thuộc kiểu non-volatile.
-

Vùng tham số: là miền lưu giữ các tham số như: từ khoá, địa chỉ

trạm…Nó thuộc kiểu non-volatile.
-

Vùng dữ liệu: là miền nhớ động, có thể truy cập theo từng bit, từng

byte, từng từ đơn và từ kép. Được dùng để lưu trữ các thuật tốn, các hàm truyền
thơng, lập bảng , các hàm dịch chuyển, xoay vòng thanh ghi, con trỏ địa chỉ.
Vùng dữ liệu được chia thành nhiều miền nhớ nhỏ với các chức năng khác
nhau.

9


-

Vùng đối tƣợng: được sử dụng để lưu trữ cho các đối tượng lập trình

như các giá trị tức thời, giá trị đặt trước của bộ đếm, hay Timer. Dữ liệu kiểu đối
tượng bao gồm các thanh ghi của Timer, bộ đếm, các bộ đếm tốc độ cao, bộ đệm
vào/ra tương tự và các thanh ghi Accumulator(AC).
-

Vùng đối tượng cũng được phân ra thành nhiều vùng nhỏ.

1.2.7. Thực hiện chương trình trong PLC S7-200.
PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp. Mỗi chu trình
được gọi là một vịng qt (scan). Mỗi vòng quét bắt đầu từ giai đoạn đọc dữ liệu
từ các cổng vào vùng đệm ảo, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình.
Trong vịng qt chương trình được thực hiện bằng lệnh đầu tiên
và kết thúc bằng lệnh kết thúc (MEND). Sau giai đoạn thực hiện chương trình là
giai đoạn truyền thơng nội bộ và kiểm lỗi. Vòng quét được kết thúc bằng giai
đoạn chuyển các nội dung từ bộ đệm ảo tới các cổng ra.
-

Trong quá trình thực hiện chương trình nếu gặp lệnh vào ra ngay lập

tức thì hệ thống sẽ dừng tất cả mọi cơng việc đang thực hiện, ngay cả chương
trình xử lý ngắt để thực hiện lệnh này một cách trực tiếp với cổng vào ra.
-

Các chương trình xử lý ngắt chỉ được thực hiện trong vịng qt khi

xuất hiện tín hiệu báo ngắt và có thể xảy ra ở bất cứ điểm nào trong vịng qt.
1.2.8. Cấu trúc chương trình trong PLC S7-200.
Các chương trình trong PLC S7-200 có cấu trúc bao gồm chương trình
chính (main program) và sau đó đến các chương trình con và các chương trình
xử lý ngắt.
-

Chương trình chính được kết thúc bằng lệnh kết thúc chương trình

MEND.

-

Chương trình con là một bộ phận của chương trình chính và được viết

sau lệnh kết thúc chương trình chính.
-

Chương trình xử lý ngắt là một bộ phận của chương trình chính. Nếu

cần sử dụng thì chương trình xử lý ngắt phải viết sau lệnh kết thúc chương trình
chính.
10


1.2.9. Ngơn ngữ lập trình của S7-200.
Các lập trình cho S7-200 nói riêng và cho các PLC của Simens nói chung
dựa trên hai phương pháp cơ bản:
-

Phương pháp hình thang (Lader Logic viết tắt LAD).

-

Phương pháp liệt kê (Statement List viết tắt STL).

1.3. Giới thiệu về phần mềm WIN CC (Windows Control Center).
1.3.1. Các đặc điểm chính của phần mềm Win CC.
Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và kỹ thuật, nước ta đã và đang
xây dựng càng ngày càng nhiều nhà máy, xí nghiệp đa dạng về cơng nghệ.Ngành
tự động hóa cũng khơng ngừng phát triển để đáp ứng nhu cầu phát triển của sản

xuất. Và WINCC là một trong các chương trình ứng dụng Scada (HMI) trong lĩnh
vực dân dụng cũng như trong công nghiệp. WINCC được dùng để điều hành các
màn hình hiển thị và hệ thống điều khiển trong tự động hóa sản xuất và quá trình.
WINCC cung cấp các module chức năng thường dùng trong công nghiệp
như: Hiển thị ảnh, tạo thông điệp, lưu trữ và báo cáo. Giao diện điều khiển mạnh,
việc truy nhập ảnh nhanh chóng và chức năng lưu trữ an tồn (bảo mật), tính hữu
dụng cao...
WINCC cho phép người sử dụng có khả năng truy cập vào các hàm giao
diện chương trình ứng dụng API (Application Program Interface) của hệ điều
hành. Ngồi ra sự kết hợp giữa chương trình WinCC và các công cụ phát triển
riêng như: Visual C++ hoặc Visual Basic sẽ tạo ra hệ thống có tính đặc thù cao,
tinh vi, gắn kết với một cấu hình cụ thể nào đó.
WINCC có thể tạo một giao diện Người - Máy(HMI) dựa trên cơ sở giao
tiếp giữa con người với các hệ thống máy, thiết bị điều khiển (PLC, CNC...)
thơng qua các hình ảnh, sơ đồ, hình vẽ hoặc câu chữ có tính trực quan hơn. Nó
giúp người vận hành theo dõi được quá trình sản xuất, thay đổi dữ liệu tham số,
đồng thời hiển thị trực tiếp các tham số đó cũng như giao tiếp với quá trình cơng
nghệ thơng qua các hệ thống tự động....

11


1.3.2. Các chức năng chính của phần mềm Win CC.
-

Graphics Designer (Bộ thiết kế đồ họa): Thực hiện dễ dàng các chức

năng mô phỏng và hoạt động qua các đối tượng đồ họa của chương trình
WinCC với nhiều thuộc tính động.
-

Alarm Logging (Cảnh báo): thực hiện việc hiển thị các thông báo hay

các báo cáo trong khi hệ thống vận hành. Đảm trách các thông báo nhận được và
lưu trữ. Nó chứa các chức năng để nhận các thơng báo từ các quá trình, để chuẩn
bị, hiển thị, hỏi đáp và lưu trữ chúng. Ngoài ra chức năng Alarm Logging cịn
giúp chúng ta tìm ra ngun nhân của lỗi.
-

Tag Logging (Đồ thị): Thu thập, lưu trữ và nén các giá trị đo dưới

dạng khác nhau. Tag Logging cho phép lấy dữ liệu từ các quá trình thực thi,
chuẩn bị để hiển thị và lưu trữ các dữ liệu đó. Dữ liệu có thể cung cấp các tiêu
chuẩn về cơng nghệ và kỹ thuật quan trọng liên quan đến trạng thái hoạt động
của tồn hệ thống.
-

Report Designer (Báo cáo): Có nhiệm vụ tạo các thông báo, báo cáo

và các kết quả này được lưu dưới dạng các trang nhật ký sự kiện.
-

User Achivers (Lưu trữ dữ liệu): Cho phép người sử dụng lưu trữ dữ

liệu từ chương trình ứng dụng và có khả năng trao đổi với các thiết bị tự động
khác. Điều này có nghĩa các cơng thức, thơng số trong chương trình WinCC có
thể được soạn thảo, lưu giữ và sử dụng trong hệ thống.
-

Web Navigator: Hệ thống quản lý, điều khiển và giám sát thông qua

Internet giúp người dùng có thể truy cập vào mạng hệ thống, có thể điều khiển
hệ thông ở bất cứ nơi đâu.
-

WinCC sử dụng bộ công cụ thiết kế giao diện đồ họa mạnh như:

Toolbox, các control,... được đặt dễ dàng trên giao diện thiết kế. Ngồi ra, để
phục vụ cho cơng việc giám sát điều khiển tự động WinCC còn trang bị thêm
nhiều tính năng mới mà các cơng cụ khác khơng có như:

12


-

Các control thông qua hệ thống quản trị dữ liệu có thể gắn với một

biến theo dõi trạng thái của hệ thống điều khiển. Thơng qua đó, tác động đến
việc giám sát các trạng thái.
Thông qua hệ thống, thông điệp có thể thực hiện được những hành

-

động tương ứng khi trạng thái thay đổi.
Trong WinCC, ngôn ngữ C-Sript được dùng để thao tác giúp cho việc

-

xử lý các sự kiện phát triển một cách mềm dẻo và linh hoạt.

WinCC tạo ra một giao diện Người-Máy (HMI) dựa trên cơ sở giao

-

tiếp giữa con người với các hệ thống máy tính, thiết bị điều khiển (PLC) thơng
qua các hình ảnh, sơ đồ, hình vẽ hoặc câu chữ có tính trực quan hơn. Có thể giúp
người vận hành theo dõi được quá trình làm việc, thay đổi các tham số, cơng
thức, q trình hoạt động, thể hiện các giá trị hiện thời cũng như giao tiếp với
q trình cơng nghệ thơng qua các hệ thống tự động.
Giao diện HMI cho phép người vận hành giám sát các qui trình sản

-

xuất và cảnh báo, báo động hệ thống khi có sự cố. Do đó WinCC là chương trình
thiết kế giao diện Người - Máy thật sự cần thiết, không thể thiếu trong các hệ
thống có q trình tự động hóa phức tạp và hiện đại.
1.4. Giới thiệu nguyên lý hoạt động của trạm trộn bê tơng tự động.
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:

13


- 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. 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 cịn bê tơng hoặc cửa xả cối trộn chưa đóng thì hệ
thống điều khiển sẽ khơng 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. Quá trình kết thúc.

Bảng 1.1 :Thành phần định mức cấp khối

14


1.5. Ý nghĩa của việc kết hợp trạm trộn bê tông với PLC.
Việc ứng dụng PLC vào trạm trộn bê tơng có những cơng dụng sau :
- Giảm thời gian đong trộn bê tông.
- Tăng lượng sản phẩm lên trong cùng thời gian.
- Giảm nhân công, sức nhân công, giảm chi phí, giá thành .
- Tự động hóa giúp bê tơng được trộn đều, chuẩn ngun liệu, chất lượng.
 Vì vậy việc ứng dụng PLC vào trạm trộn bê tông là việc rất cần thiết đối
với tự động hóa của nước ta hiện nay.
- Thiết kế, điều khiển giám sát hệ thống trộn bê tông tự động sử dụng

PLC.
- Thiết kế, mô phỏng ,điều khiển giám sát, nhập số liệu chính xác từ hệ
thống trộn bê tơng tự động.
- Tồn bộ trạng thái hoạt động được điều khiển giám sát qua máy tính
thơng qua phần mềm WIN CC.
- Lắp đặt dễ dàng, gọn nhẹ, đạt được yêu cầu sử dụng của nhà máy.

15


CHƢƠNG 2
THIẾT KẾ MƠ HÌNH TRẠM TRỘN BÊ TƠNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG
PLC

2.1. Các bộ phận trong trạm trộn bê tông.
2.1.1. 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.
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 khơng 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 khơng thất thốt và gây ơ nhiễm mơi trường.

6
1

5

7

2
3

4

Hình 2.1 Vít tải xiên
2.1.2. Cối trộn chính
Trạm trộn bê tông được lắp đặt loại cối trộn cưỡng bức làm thêm việc theo chu
kỳ. Dung tích bê tơng đã trộn xong của cối trộn cưỡng bức làm việc theo chu kỳ
của máy, với 120m3/h.

16


1

2

3
5

7

4

6

Hình 2.2 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.

17


2.2.3. Cảm biến định lƣợng( Loadcell)

Hình 2.3 Một số loadcell trong thực tế
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 phần đàn hồi biến đổi thành tín hiệu
điện tỷ lệ với lực chưa biết.Mạch thông dụng nhất sử dụng trong loadcell là cầu
wheatstone.
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 cơng 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 nhau phù hợp với yêu cầu của ứng dụng. Các dạng phổ
biến: dạng kéo (shear), dạng uốn(bending), dạng nén (compression)…
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

18


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 thơng 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 q
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 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.
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.
19


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 khơng cần tải chết.
Load cell có thể thay thế mà khơng 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

R1

R2
Em

R3

R4

V
+

-

Hình 2.4 Mạch cầu Wheatstone

20


Cho một mạch gồm 4 điện trở giống nhau R1, R2, R3, R4 tạp thành cầu
wheatstone như hình trên. Đối với cầu wheatstsone này, bỏ qua những số hạng
bậc cao hiệu thế đầu ra Em thông qua thiết bị đo với trở kháng Zm sẽ là:
Em =
Với :

[

-là biến đổi đơn vị của mỗi điện trở Ri
R- là điện trở danh nghĩa ban đầu của các điện trở R1, R2, R3, R4 (

thường là 120 ohms nhưng có thể là 30 ohms dành cho các bộ cảm biến)
V- là hiệu thế nguồn
Điện thế nguồn có thể thuộc loại liên tục với điều kiện là dùng một nguồn
năng lượng cung câp thật ổn định.Các thiết bị trên thị trường đôi khi lại dùng
nguồn cung cấp xoay chiều.Trong trường hợp đó phải tính đến việc sửa đổi mạch
điện cơ bản để có thể giải điều chế thành phần xoay chiều của tín hiệu.
Trong phần lớn các trường hợp, Zm rất lớn so với R ( ví dụ như Volt kế số,
bộ khuếch đại với phần nối trực tiếp) nên biểu thức trên có thể viết lại là:

Em = [
Phương trình trên cho thấy là sự biến đổi đơn vị điện trở của 2 điện trở đối
mặt nhau, ví dụ như R1 và R3 sẽ là cộng với nhau trong khi tác động của 2 điện
trở kề bên nhau, ví dụ là R1 và R2 lại là trừ khử nhau. Đặc tính này của cầu
wheatstone thường được dùng để đảm bảo tính ổn định nhiệt của các mạch
miếng đo và cũng để dùng cho các thiết kế đặc biệt.
2.1.4. Ứng dụng Loadcell dùng trong trạm trộn bê tơng
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 cịn 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:
21


a. Dạng nối dây 1

b.Dạng nối dây 2

Hình 2.5 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.
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.
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
Environmental Protection

>2000Mohms
IP67

Tank weighing

22
Hopper weighing
Platform scales

VLC-100 (2,5klb) cho cân cốt liệu, VLC-100 (1klb) cho cân nước, VLC
(1,5klb) cho cân xi măng.
2.1.5. 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.
2.1.5.1. Các van khí nén
a) Các van điều khiển hướng:
Các van điều khiển hướng là các thiết bị tác động đến đường dẫn các dịng
Ckhí. Tác động có thể là: cho phép khí lưu thơng đến các đường ống dẫn khí,
ngắt các dịng khơng khí khi cần thiết bằng cách đóng các đường dẫn hoặc phóng
thích khơng khí vào trong khí quyển thơng 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 dịng 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 dịng khí nén chảy theo một chiều, chiều ngược
lại dịng khí nén sẽ bị khóa lại. Áp suất ở phía sau van theo chiều dòng chảy, sẽ
tác động lên cơ cấu đóng cửa thơng khí của van.

Hình 2.6 Van điều khiển hướng
23


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

d) 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.

Hình 2.7 Cấu tạo van điện từ
Nguyên lý hoạt động như sau: Tại ví trí thơng của P nối thơng với của T khi
dòng điện vào cuộn dây, pittong được kéo lên van chuyển vị trí, lúc này cửa P
được nối thơng với cửa A, cịn cửa B nối với cửa R.
2.1.6. Cơng tắc hành trình
Cơng 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.
Loại cơng 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 cơng tắc làm cho cơng 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.
24


Điện áp nguồn
Điện áp nguồn

PLC
PLC
Kênh nhập

Kênh nhập

a)

b)

Hình 2.8 Các bộ cảm biến cơng 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:
+ Khơng 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 cơng tắc mở, điện
áp được cung cấp cho đầu vào của PLC, khi cơng tắc đóng điện áp vào sụt đến
giá trị thấp. Các mức logic là:
+ Khơng có chi tiết: 0
+ Có chi tiết

:1

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

25