THIẾT KẾ MÔ HÌNH TRẠM TRỘN BÊ TÔNG NHỰA NÓNG ASPHALT (Vol. 3)

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HỐ XNCN
====o0o====

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ MƠ HÌNH TRẠM TRỘN BÊ TƠNG NHỰA NĨNG
ASPHALT
Trƣởng bộ mơn

: TS. Trần Trọng Minh

Giáo viên hƣớng dẫn

: PGS.TS. Nguyễn Hồng Quang

Sinh viên thực hiện

: Nguyễn Văn Tuyển

Lớp

: CN-ĐK-TĐH 01 K57

MSSV

: 20125846

Hà nội, 6-2018

LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp : “Thiết kế mơ hình trạm trộn bê tơng
nhựa nóng asphalt” do em tự thiết kế dƣới sự hƣớng dẫn của thầy giáo PGS-TS
Nguyễn Hồng Quang. Các kết quả thu đƣợc hoàn toàn là thực tế.
Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu đƣợc ghi trong danh mục
tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát hiện
có sự sao chép em xin chịu hồn toàn trách nhiệm.

Hà Nội, ngày...tháng…năm 2018

Sinh viên thực hiện

Nghiêm Văn Tuyển


MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ...................................................................................................... i
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU .......................................................................................... i
LỜI NÓI ĐẦU ..................................................................................................................... i
............................................................................................................................................. 1
......................................................................................................................................... i
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNGVÀ TRẠM TRỘN BÊ TÔNG ............1
1.1. Tổng quan về bê tông ...........................................................................................1
1.1.1. Khái niệm bê tông .........................................................................................1
1.1.2. Thành phần cấu tạo bê tơng. ..........................................................................1
1.1.3. Các đặc tính của bê tông................................................................................3
1.2. Trạm trộn bê tông .................................................................................................4
1.2.1. Giới thiệu chung ............................................................................................4

1.2.2. Quy trình cơng nghệ ......................................................................................5
1.2.3. Bài tốn điều khiển trahm trộn ......................................................................1
CHƢƠNG 2: GIỚI THIỆU PLC S7-300 VÀ CÁC THIẾT ......................................8
BỊ LIÊN QUAN .............................................................................................................8
2.1. Giới thiệu về PLC S7-300 của siemens. .........................................................8
2.1.1. PLC là gì? ......................................................................................................8
2.1.2. Cấu trúc, nguyên lý hoạt động của PLC .......................................................8
2.2. Ứng dụng của PLC ...........................................................................................9
2.2.1. Thiết bị điều khiển logic khả trình S7-300 của siemens ..............................10
2.2.2. Vịng qt chương trình ...............................................................................14
2.2.3.Cấu trúc chƣơng trình của S7-300 ................................................................16
2.2.4. CÁc lệnh sử dụng trong chƣơng trình ..........................................................17
2.3. Giới thiệu về loadcell ......................................................................................21
2.3.1.Lý thuyết về loadcell .....................................................................................21
2.3.2. Một số Loadcell thực tế ................................................................................26
2.4. Thiết bị khí nén ...............................................................................................28
2.4.1. Xylanh khí ....................................................................................................28
2.4.2. Van điều khiển .............................................................................................29
2.5.. Một số thiết bị khác ........................................................................................30


2.5.1. Đông cơ ...........................................................................................................30
2.5.2. Nút nhấn và đèn báo ........................................................................................30
CHƢƠNG 3: GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM WINCC ……………………………..31

3.1. Tổng quan về phần mềm thiết kế WinCC ..........................................................31
3.1.1. Giới thiệu chung ..............................................................................................31
3.1.2. Các đặc điểm chính .........................................................................................33
3.1.3. WinCC nhƣ một phần tử của hệ thống tự động hóa tích hợp tốfn diện ........34
3.1.4. Các bƣớc lập trình trên WinCC .......................................................................34

CHƢƠNG 4 : XÂY DỰNG MƠ HÌNH TRẠM TRỘN BÊ TƠNG ASPHA………..39
4.1 Bản vẽ ý tƣởng mơ hình trạm trộn bê tơng nhựa Asphalt ...................................39
4.2. Dựng mơ hình 3D trên phần mềm Soliworks ....................................................41
4.3. Sơ đồ mạch lực ...................................................................................................42
4.4. Phân cổng vào ra ................................................................................................43
4.5 Lƣu đồ thuật tốn ................................................................................................44
4.6. Xử lý tín hiệu đầu cân ........................................................................................47
4.7. Cấu hình phần cứng cho PLC S7-300 ................................................................48
4.8. Chƣơng trình điều khiển.....................................................................................52
4.9. Giao diện HMI ...................................................................................................52

CHƢƠNG 5 ..................................................................................................................60
KIỂM NGHIỆM ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG ..............................................................60
5.1. Kết quả đạt đƣợc ................................................................................................60
5.2. Phƣơng hƣớng phát triển ....................................................................................65

TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................67
Phụ lục ...........................................................................................................................68


Danh mục hình vẽ

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Trạm trộn bê tơng cơng suất nhỏ .....................................................................4
Hình 1.2 Trạm trộn bê tơng cƣỡng bức dạng tháp .........................................................5
Hình 1.3 Quy trình hoạt động của trạm trộn bê tơng xi măng. ......................................6
Hình 2.1. Mơ hình PLC S7-300 lắp đặt trên rack...........................................................9
Hình 2.2. PLC S7-300 với các Module ........................................................................10
Hình 2.3. Vịng qt chƣơng trình .................................................................................10
Hình 2.4. Lập trình tuyến tính ......................................................................................11

Hình 2.5. Các khối trong chƣơng trình PLC ................................................................12
Hình 2.6. Ký hiệu cơng tắc trong LAD và FBD...........................................................13
Hình 2.7. Các bộ định thời ...........................................................................................14
Hình 2.8. Ký hiệu bộ đếm trong LAD và FBD ............................................................15
Hình 2.9. Ký hiệu lệnh đọc giá trị analog từ loadcell trong LAD ................................16
Hình 2.10. Các dạng nối dây của loadcell ....................................................................17
Hình 2.11. Xylanh CDJ2D10-50-B của SMC ..............................................................17
Hình 2.12. Van điện từ 4V110-06 ................................................................................18
Hình 2.13. Bảng nút ấn điều khiển ..............................................................................21
Hình 3.1. Đặc tính mở của phần mềm WinCC .............................................................22
Hình 3.2. Màn hình giao diện chính của WinCC…………………………………...23
Hình 3.3. Bản chất q trình truyền thơng trong WinCC.............................................23
Hình 3.4. Kết nối truyền thơng .....................................................................................24
Hình 4.1. Bản vẽ ý tƣởng trạm trộn Asphalt… ............................................................24
Hình 4.2. Mơ hình 3D ...................................................................................................26
Hình 4.3. Sơ đồ mạch lực .............................................................................................27
Hình 4.4. Lƣu đồ thuật tốn..........................................................................................27
Hình 4.5. Phƣơng pháp nội suy tuyến tính ...................................................................28
Hình 4.6. Màn hình cấu hình phần cứng. .....................................................................29
Hình 4.7. Đặt địa chỉ cho module vào/ra… ..................................................................31
Hình 4.8.Module analog… ...........................................................................................31
Hình 4.9.Đặt địa chỉ cho đầu vào Module analog…… ...............................................32

i


Danh mục hình vẽ

Hình 4.10. Cấu hình kiểu đầu vào và dải đầu vào cho module analog… ....................31
Hình 4.11. Cài đặt vùng nhớ Load Memory… ...........................................................32

Hình 4.12. Màn hình chính…… ..................................................................................32
Hình 4.13 Màn hình điều khiển ....................................................................................31
Hình 4.14. tải mác bê tơng lƣu sẵn trong cơ sở dữ liệu… ...........................................32
Hình 4.15. Lƣu mác bê tông vào trong cơ sở dữ liệu ..................................................32
Hình 4.16. Cửa sổ viết chƣơng trình Vbs…… ............................................................32
Hình 4.17. Màn hình đăng nhập ...................................................................................31
Hình 4.18. cửa sổ tạo tài khoản ngƣời dùng… ............................................................32
Hình 4.19 Màn hình hiệu chỉnh cân… ........................................................................32
Hình 4.20. Màn hình xuất báo cáo…… ......................................................................32
Hình 5.1 Quá trình cấp đá 1, phụ gia và nhựa. .............................................................62
Hình 5.2 Wincc quá trình cấp đá 1, phụ gia và nhựa.. .................................................62
Hình 5.3 Quá trình xả đá ……. ...................................................................................63
Hình 5.4 Wincc quá trình xả đá.. ..................................................................................63
Hình 5.5 Quá trình xả phụ gia ......................................................................................64
Hình 5.6 Wincc quá trình xả phụ gia ……...................................................................64
Hình 5.7 Quá trình xả thảm.…. ...................................................................................65
Hình 5.8 Wincc quá trình xả thảm................................................................................65

ii


Danh mục hình vẽ

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 1.1. Bảng thời gian vận chuyển cho phép của bê tông (Không có phụ gia) ..........4
Bảng 2.1. Địa chỉ và thời gian trễ của bộ định thời .......................................................19
Bảng 4.1. Phân cổng vào ra ...........................................................................................42

i

Danh mục bảng số liệu

ii


Danh mục bảng số liệu

iii


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là ngành Kỹ thuật Điện
tử, đời sống xã hội ngày càng phát triển hơn dựa trên những ứng dụng của khoa học vào
đời sống. Vì vậy mà những cơng nghệ điện tử mang tính tự động hóa ngày càng đƣợc
ứng dụng rộng rãi, nhất là trong công nghiệp sản xuất, xây dựng. Cùng với nhịp độ phát
triển của đất nƣớc trên các mặt kinh tế - xã hội, hạ tầng cơ sở của nền kinh tế nƣớc ta
không ngừng đƣợc cũng cố và phát triển. Do đó u cầu về chất lƣợng bê tơng của các
cơng trình phải đƣợc đặt lên hàng đầu.
Từ u cầu thực tế ấy, chúng em đã chọn đề tài :” Xây dựng mơ hình trạm trộn bê
tơng nhựa nóng asphalt”. Mục đích chính của đề tài là thiết kế đƣợc một chƣơng trình
điều khiển sử dung PLC cho trạm trộn bê tơng với tính tự động hóa và độ chính xác cao.
Mặc dù cố gắng nhƣng do cịn thiếu kinh nghiệm nên trong bài viết khó tránh khỏi sai
sót, chúng em rất mong đƣợc sự hƣớng dẫn chỉ bảo thêm của thầy cô!
Em xin cảm ơn sự giúp đỡ của GS. TS. Nguyễn Hồng Quang đã giúp chúng em hoàn
thành đồ án này!

Hà Nội, ngày tháng năm 2018
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Tuyển


Chƣơng 1 : TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ TRẠM TRỘN BÊ TÔNG

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG khoanguyễNVÀ TRẠM
TRỘN BÊ TƠNG
1.1. Tổng quan về bê tơng
1.1.1. Khái niệm bê tông
Bê tông( gốc từ béton trong tiếng Pháp) là nột loại đá nhân tạo, đƣợc hình thành
bởi việc trộn các thành phần: Cốt liệu thô, cốt liệu mịn, chất kết dính,… theo một tỷ lệ
nhất định (đƣợc gọi là cấp phối bê tơng).
Trong bê tơng, chất kết dính (xi măng + nƣớc, nhựa đƣờng, phụ gia…) làm vai
trò liê kết các cốt liệu thô (đá, sỏi,… đôi khi sử dụng vật liệu tổng hợp trong bê tông
nhẹ) và cốt liệu mịn (thƣờng là cát, đá mạt, đá xay,…) và khi đóng rắn, làm cho tất cả
thành phần một khối cứng nhƣ đá.
1.1.2. Thành phần cấu tạo bê tông.
a. Xi măng
Ximawng là thành phần đặc biệt quan trọng của bê tông. Xi măng có nhiều loại
khác nhau, xi măng là mác càng cao thì khả năng kết dính càng tốt và làm chất lƣợng
thiết kế bê tông tăng lên. Tuy nhiên giá thành của xi măng mác cao là rất lớn. Vì vậy
khi lựa chọn loại xi măng, ta vừa phải đảm bảo chất đúng yêu cầu kĩ thuật, vừa phải
giải quyết tốt bài toán kinh tế.
b. Cát.
Cát dung trong sản xuất bê tơng có thể là cát thiên nhiên hay cát nhân tạo, kích
thƣớc hạt cát là từ 0.4 – 5 mm. Chất lƣợng cát phụ thuộc vào thành phần khoáng,
thành phần tạp chất, thành phần hạt… Trong thành phần của bê tơng cát chiếm khoảng
29%.

c. Đá dăm.
Đá dăm có nhiều loại tùy thuộc vào kích cỡ của đá, do đá tùy thuộc vào kích cỡ
của bê tơng mà ta chọn kích thƣớc đá sao cho phù hợp. Trong thành phần bê tông đá
dăm chiếm khoảng 52%.

1


Chƣơng 1 : TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ TRẠM TRỘN BÊ TƠNG
d. Nước.
Nƣớc là thành phần quan trọng khơng thể thiếu trong sản xuất bê tông. Nƣớc
dùng trong sản xuất bê tông phải đáp ứng đủ tiêu chuẩn để không ảnh hƣởng xấu đến
khả năng ninh kết của bê tơng và chống ăn mịn kim loại.
e. chất phụ gia.
Phụ gia sử dụng thƣờng có dạng bột, đƣợc chia ra 2 loại:
-

Loại phụ gia hoạt động bề mặt: Đƣợc sử dụng một lƣợng nhỏ nhƣng có khả
năng cải thiện đáng kể tính chất của hỗn hợp bê tơng và tăng cƣờng nhiều
tính chất khác của bê tơng.

-

Loại phụ gia rắn nhanh: có khả năng rút ngắn q trình rắn chắc của bê tông
trong điều kiện tự nhiên cũng nhƣ nâng cao cƣờng độ bê tông.

Hiện nay trong công nghệ sản xuất bê tông ngƣời ta thƣờng chọn sử dụng phụ
gia đa chức năng.
1.1.3. Các đặc tính của bê tơng.
a. độ cứng của bê tông:

Độ cứng của bê tông là khả năng chống lại các lực tác động từ bên ngoài mà
khơng bị phá hoại, nó phản ánh khả năng chịu lực của bê tông. Độ cứng của bê tông
phụ thuộc vào tính chất của xi măng, tỷ lệ nƣớc và xi măng, phƣơng pháp đổ bê tông
và điều kiện đông cứng.
Để đặc trƣng cho độ cứng của bê tông ngƣời ta đùng “mác bê tông”. Mác của
một loại bê tông (ký hiệu là M) là cƣờng độ chịu lực nén (tính theo N/cm2 ) của mẫu
bê tơng hình lập phƣơng cạnh 15cm, tuổi 28 ngày đƣợc dƣỡng hộ và thí nghiệm theo
điều kiện tiêu chuẩn (nhiệt độ 20oC ±
2oC), độ ẩm khơng khí 90% đến 100%. Mác
M là chỉ tiêu cơ bản nhất đối với mọi loại bê tông và mọi kết cấu.
Tiêu chuẩn nhà nƣớc quy định bê tông có các mác thiết kế sau:
-

Bê tơng nặng: M100, M150, M200, M250, M300, M350, M400, M500,
M600. Bê tơng nặng có khối lƣợng riêng khoảng 1800- 2500kg/m3 cốt liệu
sỏi đá đặc chắc.

-

Bê tông nhẹ: M50, M75, M100, M150, M200, M250, M300. Bê tơng nhẹ có
khối lƣợng riêng trong khoảng 800 – 1800kg/m3, cốt liệu là các loại đá có lỗ
rỗng, keramzit, xỉ quặng,…
2


Chƣơng 1 : TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ TRẠM TRỘN BÊ TƠNG
Trong kết cấu bê tơng cốt thép chịu lực phải dùng mác không thấp hơn M150.
Độ cứng của bê tơng tăng theo thời gian, đây là một tính chất đáng q của bê
tơng, đảm bảo cho cơng trình làm bằng bê tơng bền lâu hơn những cơng trình làm
bằng gạch, đá, gỗ, thép. Lúc đầu độ cứng của bê tơng tăng lên rất nhanh, sau đó tốc độ

giảm dần. Trong môi trƣờng (nhiệt độ, độ ẩm) thuận lợi sự tăng độ cứng có thể kéo dài
trong nhiều năm, trong điều kiện khơ hanh hoặc nhiệt độ thấp thì độ cứng bê tông tăng
không đáng kể.
b. Độ giãn nở của bê tơng:
Trong q trình rắn chắc, bê tơng thƣờng phát sinh biến dạng thể tích, nở ra
trong nƣớc và co lại trong khơng khí. Về giá trị tuyệt đối độ co lớn hơn độ nở 10 lần
một giới hạn nào đó, độ nở có thể làm tốt hơn cấu trúc của bê tơng cịn hiện tƣợng co
ngót kéo theo hậu quả xấu.
Bê tơng bị co ngót do nhiều ngun nhân: trƣớc hết là sự mất nƣớc hoặc xi
măng, quá trình Cacbon hóa Hyđroxit trong xi măng. Hiện tƣợng giảm thể tích tuyệt
đối của hệ xi măng – nƣớc. Co ngót là nguyên nhân gây ra nứt, giảm cƣờng độ, chống
thấm và để ổn định của bê tông, và bê tơng cốt thép trong mơi trƣờng xâm thực. Vì
vậy đối với những cơng trình có chiều dài lớn, để tránh nứt ngƣời ta đã phân đoạn để
tạo thành các khe co dãn.
c. Tính chống thấm của bê tơng.
Tính chống thấm của bê tông đặc trƣng bởi độ thẩm thấu của nƣớc qua kết cấu
bê tông. Độ chặt của bê tông ảnh hƣởng quyết định đến tính chống thấm của nó.
Để tăng cƣờng tính chống thấm phải nâng cao độ chặt của bê tông bằng cách
đầm kỹ, lựa chọn tốt thành phần cấp phối hạt của cốt liệu, giảm tỷ lệ nƣớc, xi măng ở
vị trí số tối thiểu. Ngồi ra để tăng tính chống thấm ngƣời ta cịn trộn bê tơng với một
số chất phụ gia.
d. Q trình đơng cứng của bê tơng và biện pháp bảo quản.
Q trình đơng cứng của bê tơng phụ thuộc vào q trình đơng cứng của xi
măng thời gian đông kết bắt đầu không sớm hơn 45 phút. Vì vậy sau khi trộn bê tông
xong cần phải đổ ngay để tránh hiện tƣợng vữa xi măng bị đông cứng trƣớc khi đổ thời
gian từ lúc bê tông ra khỏi máy trộn đến lúc đổ xong một lớp bê tơng (khơng tính phụ
gia) khơng q 90 phút. Thời gian vận chuyển bê tông (kể từ lúc đổ bê tông ra khỏi
máy trộn) đến lúc đổ vào khuôn và không nên lâu quá làm cho vữa bê tông bị phân
tầng.
3

Chƣơng 1 : TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ TRẠM TRỘN BÊ TÔNG
Bảng 1.1. Bảng thời gian vận chuyển cho phép của bê tơng ( khơng có phụ gia )
Nhiệt độ ( oC )

Thời gian vận chuyển ( phút)

20 đến 30

45

10 đến 20

60

5 đến 10

90

1.2. Trạm trộn bê tơng.

Hình 1.1. Trạm trộn bê tông công suất nhỏ
1.2.1. Giới thiệu chung.
Hiện nay trên thị trƣờng có 2 loại trạm trộn bê tơng thƣờng gặp: Trạm trộn bê
tơng nhựa nóng và trạm trộn bê tơng xi măng.
-

Trạm trộn bê tơng nhựa nóng: Dừng để sản xuất bê tông từ hỗn hợp nhựa
đƣờng (hắc ín ), đá, chất phụ gia…, nó đƣợc ứng dụng phổ biến trong xây

dựng đƣờng xá, các cơng trình giao thong, cầu, cảng,… đƣợc rải lên bề mặt.

-

Trạm trộn bê tông xi măng: Ứng dụng rộng rãi trong đời sống hiện nay nhất
là trong lĩnh vực xây dựng. Bê tông đƣợc sản xuất từ hỗn hợp cát, đá, xi
măng, nƣớc, phụ gia.
4


Chƣơng 1 : TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ TRẠM TRỘN BÊ TƠNG
1.2.2. Quy trình cơng nghệ.
a) u cầu chung:
Trạm trộn bê tông xi măng là một tổng thành nhiều cụm và thiết bị, các cụm
thiết bị này phải phối hợp nhịp nhàng với nhau để hòa trộn các thành phần : cát, đá,
nƣớc, phụ gia và xi măng tạo thành hỗn hợp bê tông xi măng. Một trạm bê tơng có các
u cầu chung sau đây:
-

Đảm bảo trộn và cung cấp đƣợc nhiều mác bê tông với thời gian điều chỉnh
nhỏ nhất.

-

Cho phép sản xuất đƣợc sản xuất đƣợc hai loại hỗn hợp bê tông khô hoặc
ƣớt.

-

Hỗn hợp bê tông không bị tách nƣớc hay bị phân tầng khi vận chuyển.

-

Trạm làm việc êm không ồn, không gây ô nhiểm mơi trƣờng.

-

Lắp dựng, sửa chữa đơn giản.

-

Có thể làm việc ở hai chế độ là tự động hoặc bằng tay.

b) Quy trình trộn bê tơng :
Quy trình chung của 1 trạm trộn đó là: Tập kết vật liệu → Định lƣợng vật liệu
→ Đƣa vào máy trộn → Trộn bê tông → Thu đƣợc bê tông thành phẩm, đƣa đến cơng
trƣờng.
Ví dụ ở đây ta có quy trình trộn bê tông xi măng của trạm trộn bê tông cƣỡng
bức dạng tháp loại cơng suất nhỏ :

Hình 1.2. Trạm trộn bê tông cƣỡng bức dạng tháp
5


Chƣơng 1 : TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ TRẠM TRỘN BÊ TƠNG
Trong đó :
1. Phễu chứa và định lƣợng sơ bộ.
2. Tang sấy cát đá.
3. Băng gầu.
4. Thiết bị sang.

5. Lọc và thu bụi.
6. Bồn chứa bột đá.
7. Buồng trộn.
8. Bình cân nhựa nóng.
9. Thiết bị cân đong cát đá nóng và bột đá.
Nguyên lý hoạt động :
Vật liệu từ hộp cấp liệu 1 đến tang sấy 2. Sau khi đƣợc sấy khô để giảm độ ẩm,
loại bỏ tạp chất hiện có và tăng nhiệt độ của cốt liệu. Sau đó nó đƣợc vận chuyển theo
phƣơng đứng nhờ băng tải gầu đến thiết bị sàng, để phân loại và định lƣợng trƣớc khi
đƣa vào máy trộn cùng với bi tum và bột khống. Sau đó q trình trộn tiến hành; trộn
xong ta sẽ thu đƣợc xi măng thành phẩm.

6


Chƣơng 1 : TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ TRẠM TRỘN BÊ TƠNG
Quy trình dạnh lƣu đồ :
Xi lơ Xi măng

Bể chứa nƣớc

Xi lơ Xi măng

Bãi chứa cát

Vít tải xiên

Máy bơm nƣớc

Xi lô chứa đá

Xi lô chứa cát

Phễu cân xi
măng

Phễu cân nƣớc

Phễu cân cát và đá

Băng tải hoặc gầu
tải liệu

Xe bồn chở bê
tơng

Bồn trộn
(Nồi trộn )

Hình 1.3. Quy trình hoạt động của trạm trộn bê tơng xi măng
1.2.3. Bài tốn điều khiển trạm trộn.
Từ quy trình làm việc trên ta thấy trạm trộn bê tông làm việc theo một chu trình
với hữu hạn các bƣớc lặp lại. Với nhu cầu cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa của nền kinh
tế, nhu cầu tự động hóa cho các nhà máy xí nghiệp, thì một bài tồn đƣợc đặt ra là :
cần thiết kế hệ thống điều khiển cho trạm trộn bê tông.
Trong báo cáo này, ta đi thiết kế hệ thống tự động hóa cho trạm trộn bê tơng cơng
suất nhỏ (10-30 m3/h), sử dụng thiết bị điều khiển logic khả trình PLC.

7

Chƣơng 1 : TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ TRẠM TRỘN BÊ TÔNG

CHƢƠNG 2:
GIỚI THIỆU PLC S7-300 VÀ CÁC THIẾT BỊ LIÊN
QUAN
2.1. Giới thiệu về PLC S7-300 của siemens.
2.1.1. PLC là gì?
PLC ( viets tắt của Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khoeenr lập
trình đƣợc (khả trình ) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic
thơng qua một ngơn ngữ lập trình.
Ngƣời sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện. Các sự
kiện này đƣợc kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua
các hoạt động có trễ nhƣ thời gian định thì hay các sự kiện đƣợc đếm. PLC dùng để
thay thế các mạch relay (rơ le) trong thực tế.
PLC hoạt động theo phƣơng thức quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào. Khi
có sự thay đổi ở đầu vào thì đầu ra sẽ thay đổi theo. Ngơn ngữ lập trình của PLC có thể
là Ladder hay State Logic. Hiện nay có nhiều hãng sản xuất ra PLC nhƣ Siemens,
Allen-Bradley, Mitsubishi Electric, General Electric, Omron, Honeywell,...d
Một khi sự kiện đƣợc kích hoạt thật sự, nó bật ON hay OFF thiết bị điều khiển bên
ngoài đƣợc gọi là thiết bị vật lý. Một bộ điều khiển lập trình sẽ liên tục "lặp" trong
chƣơng trình do "ngƣời sử dụng lập ra" chờ tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ
ra tại các thời điểm đã lập trình.
Trong bài toán này, với đối tƣợng là một trạm trộn bê tơng xi măng, ta sẽ dùng
PLC để điều khiển nó.

2.1.2. Cấu trúc, nguyên lý hoạt động của PLC.
a. Cấu trúc :
Tất cả các PLC đều có thành phần chính là: Một bộ nhớ chƣơng trình RAM bên
trong (có thể mở rộng thêm một số bộ nhớ ngoài EPROM). Một bộ vi xử lý có cổng

giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC. Các Modul vào /ra.
Bên cạnh đó, một bộ PLC hồn chỉnh cịn đi kèm thêm một đơn vị lập trình bằng
tay hay bằng máy tính. Hầu hết các đơn vị lập trình đơn giản đều có đủ RAM để chứa
đựng chƣơng trình dƣới dạng hồn thiện hay bổ sung. Nếu đơn vị lập trình là đơn vị
8


Chƣơng 1 : TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ TRẠM TRỘN BÊ TƠNG
xách tay, RAM thƣờng là loại CMOS có pin dự phịng, chỉ khi nào chƣơng trình đã
đƣợc kiểm tra và sẵn sàng sử dụng thì nó mới truyền sang bộ nhớ PLC. Đối với các
PLC lớn thƣờng lập trình trên máy tính nhằm hỗ trợ cho việc viết, đọc và kiểm tra
chƣơng trình. Các đơn vị lập trình nối với PLC qua cổng RS232, RS422, RS485,…
b. Nguyên lý hoạt động :
CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC. Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra chƣơng
trình đƣợc chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trong chƣơng trình,
sẽ đóng hay ngắt các đầu ra. Các trạng thái ngõ ra ấy đƣợc phát tới các thiết bị liên kết
để thực thi. Và tồn bộ các hoạt động thực thi đó đều phụ thuộc vào chƣơng trình điều
khiển đƣợc giữ trong bộ nhớ.
Hệ thống Bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đƣờng tín hiệu
song song:
- Address Bus: Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Modul vào ra thông
qua Data Bus. Address Bus và Data Bus gồm 8 đƣờng, ở cùng thời điểm cho phép
truyền 8 bit của 1 byte một cách đồng thời hay song song.
Nếu một modul đầu vào nhận đƣợc địa chỉ của nó trên Address Bus, nó sẽ chuyển
tất cả trạnh thái đầu vào của nó vào Data Bus. Nếu một địa chỉ byte của 8 đầu ra xuất
hiện trên Address Bus, modul đầu ra tƣơng ứng sẽ nhận đƣợc dữ liệu từ Data bus.
Control Bus sẽ chuyển các tín hiệu điều khiển vào theo dõi chu trình hoạt động của
PLC. Các địa chỉ và số liệu đƣợc chuyển lên các Bus tƣơng ứng trong một thời gian
hạn chế.
Hệ thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O. Bên

cạch đó, CPU đƣợc cung cấp một xung Clock có tần số từ 1¸8 MHz. Xung này quyết
định tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về định thời, đồng hồ của hệ
thống.

2.2. Ứng dụng của PLC.
Cùng với sự phát triển của phần cứng và phần mềm, PLC ngày càng tăng đƣợc các
tính năng cũng nhƣ lợi ích của PLC trong hoạt động cơng nghiệp. Kích thƣớc của PLC
ngày nay đƣợc thu nhỏ lại để số lƣợng I/O và bộ nhớ càng nhiều hơn, các ứng dụng
của PLC càng mạnh hơn giúp ngƣời sử dụng giải quyết đƣợc nhiều vấn đề phức tạp
trong điều khiển hệ thống.
Lợi ích đầu tiên của PLC là hệ thống điều khiển chỉ cần lắp đặt một lần (với một sơ
đồ hệ thống, các đƣờng nối dây, các tín hiệu ở các ngõ vào/ra,…), mà khơng phải thay
9


Chƣơng 1 : TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ TRẠM TRỘN BÊ TÔNG
đổi kết cấu của hệ thống sau này, giảm đƣợc sự tốn kém khi phải thay đổi lắp đặt khi
đổi thứ tự điều khiển ( đố i với hệ thống điều khiển relay,…) khả năng chuyển đổi hệ
điều khiển cao hơn (nhƣ giao tiếp giữa các PLC để truyền dữ liệuđiều khiển lẫn nhau),
hệ thống đƣợc điều khiển linh hoạt hơn.
Khơng nhƣ các hệ thống cũ, PLC có thể dễ dàng lắp đặt do chiếm một khoảng
không gian nhỏ nhƣng khả năng điều khiển nhanh, nhiều hơn các hệ thống điều khiển
khác. Điều này càng tỏ ra thuận lợi hơn với các hệ thống điều khiển lớn, phức tạp và
q trình lắp hệ thống ít tốn thời gian hơn các hệ thốn khác.
Cuối cùng là ngƣời sử dụng có thể nhận biết các trục trặc hệ thống của PLC nhờ
giao diện qua màn hình máy tính (một số PLC thế hệ sau có khả năng nhận biết các
hỏng hóc (trouble shoding ) của hệ thống và báo cho ngƣời sử dụng), điều này làm cho
việc sửa chữa thuận lợi hơn.
Hiện nay PLC đã đƣợc ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực sản xuất cả trong
công nghiệp và dân dụng. Từ những ứng dụng để điều khiển các hệ thống đơn giản,

chỉ có chức năng ON/OFF thơng thƣờng đến các ứng dụng cho các lĩnh vực phức tạp,
đòi hỏi chính xác cao, ứng dụng các thuật tốn trong quá trình sản xuất.
Một số lĩnh vực tiêu biểu ứng dụng PLC nhƣ sau:
- Hóa học và dầu khí: định áp suất, bơm dầu, điều khiển hệ thống ống dẫn…
- Chế tạo máy và sản xuất: tự động hóa trong chế tạo máy, điều khiển nhiệt độ
lò nhiệt luyện kim…
- Cơng nghiệp giấy, xi măng: Tự động hóa trong qua trình sản xuất nghiền bột
giấy, bột đá, trộn hỗn hợp…
- Thực phẩm, sản xuất bia, rƣợu, thuốc lá: đóng gói sản phẩm, phân loại,…
- Kim loại: Điều khiển qua trình luyện, cán thép,…
- Năng lƣợng, giao thông,…
2.2.1. Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC S7-300 của siemens.
a. Cấu hình phần cứng :
PLC S7-300 là thiết bị điều khiển logic khả trình loại nhỏ của hãng Siemens (Cộng
hịa liên bang Đức). Do để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế mà ở đó phần
lớn các đồi tƣợng điều khiển có số tín hiệu đầu vào, đầu ra cũng nhƣ chủng loại tín
hiệu vào/ra khác nhau mà các bộ điều khiển PLC đƣợc thiết kế khơng bị cứng hóa về
10


Chƣơng 1 : TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ TRẠM TRỘN BÊ TƠNG
cấu hình. Chúng đƣợc chia nhỏ thành các module. Số lƣợng module đƣợc sử dụng
nhiều hay ít tùy theo từng bài toán, song tối thiểu bao giờ cũng phải có một module
chính là module CPU. Các module cịn lại là những module nhận/truyền tín hiệu
đối với đối tƣợng điều khiển, các m odule chức năng chuyên dụng nhƣ PID, điều khiển
động cơ, … Chúng đƣợc gọi chung là module mở rộng. Tất cả các module đƣợc gá
trên những thanh ray (Rack)

.
Hình 2.1. Mơ hình PLC S7-300 lắp đặt trên rack

Module CPU là loại module có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ thời
gian, bộ đếm, cổng truyền thơng (TS485) … và có thể cịn có một vài cổng vào ra số.
Các cổng vào ra trên module CPU đƣợc gọi là cổng vào ra onboard.
Trong họ PLC S7-300 có nhiều loại module CPU khác nhau. Nói chung chúng
đƣợc đặt tên theo bộ vi xử lý có trong nó nhƣ module CPU312, module CPU314,
module CPU315 …
Những module cùng sử dụng một loại bộ vi xử lý, nhƣng khác nhau về cổng vào ra
onboard cũng nhƣ các khối hàm đặc biệt đƣợc tích hợp sẵn trong thƣ viện của hệ điều
hành phục vụ việc sử dụng các cổng vào ra onboard sẽ đƣợc phân biệt với nhau trong
tên gọi bằng những cụm chữ cái IFM (Intergrated Function Module). Ví dụ module
CPU312 IFM, module CPU 324 IFM …
Ngồi ra cịn có các loại module CPU vói hai cổng truyền thơng, trong đó cổng
truyền thơng thứ hai có chức năng chính là phục vụ việc nối mạng phân tán. Tất
nhiên kèm theo cổng truyền thông thứ hai này là những phần mềm tiện dụng thích hợp
cũng đã đƣợc cài sẵn trong hệ điều hành. Các loại module CPU đƣợc phân biệt với
những module CPU khác bằng thêm cụm từ DP (Distributed Port) trong tên gọi. Ví dụ
module CPU 315-DP.
11


Chƣơng 1 : TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ TRẠM TRỘN BÊ TÔNG
Các module mở rộng thƣờng đƣợc chia làm 5 loại chính:
-

PS( Power Supply): Module nguồn ni. Có 3 loại 2A, 5A, và 10A.

-

SM (Signal Module): Module mở rộng cổng tín hiệu vào ra, bao gồm:
 DI (Digital Input): Module mở rộng các cổng vào số. Số các cổng

vào số mở rộng có thể là 8, 16 hoặc 32 tùy thuộc vào từng loại
module.
 DO (Digital Output): Module mở rộng các cổng ra số.
 DI/DO: Module mở rộng các cổng vào/ ra số.
 fAI (Analog Input): Module mở rộng các cổng vào tƣơng tự. Về bản
chất chúng chính là những bộ chuyển đổi tƣơng tự số 12bits (AD),
tức là mỗi tín hiệu tƣơng rự đƣợc chuyển thành một tín hiệu số
(ngun) có độ dài 12 bít. Số các cổng vào ra tƣơng tự có thể là 2,4,
hoặc 8 tùy thuộc từng loại module.
 AO (Analog Output): Module mở rộng các cổng ra tƣơng tự. Chúng
là những bộ chuyển đổi số-tƣơng tự (DA).
 AI/AO : Module mở rộng cổng vào ra tƣơng tự.

-

IM (Interface Module): Module ghép nối. Đây là loại module chuyên dụng
có nhiệm vụ nối từng nhóm các module mở rộng lại với nhau thành một
khối và đƣợc quản lý chung bởi một module CPU. Thông thƣờng các
module mở rộng đƣợc gá liền với nhau trên một thanh đỡ, trên mỗi một rack
chỉ có thể gá đƣợc gá liền với nhau trên một thanh đỡ, trên mỗi một rack chỉ
có thể gá đƣợc nhiều nhất 8 module mở rộng (không kể module CPU,
module nguồn nuôi). Một module CPU S7-300 có thể làm việc trực tiếp
đƣợc với nhiều nhất 4 racks và các racks này phải đƣợc nối với nhau bằng
module IM

-

FM (Function Module): Module có chức năng điều khiển riêng, ví dụ nhƣ
module điều khiển động cơ bƣớc, module điều khiển động cơ servo, module
PID, module điều khiển vịng kín,…

-

CP (Communication Module): Module phục vụ truyền thơng trong mạng
giữa các PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính.

12


Chƣơng 1 : TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ TRẠM TRỘN BÊ TƠNG

Hình 2.2. PLC S7-300 với các Module
b. Cấu trúc bộ nhớ của CPU:
Bộ nhớ của S7-300 đƣợc chia làm ba vùng nhớ chính:
-

Vùng nhớ chƣơng trình ứng dụng. Vùng nhớ chƣơng trình đƣợc chia thành
miền:
 OB (Organisation block): Miền chứa chƣơng trình tổ chức.
 FC (Funcion block): miền chứa chƣơng trình con đƣợc tỏ chức thành
hàm có biến hình thức để trao đổi dữ liệu với chƣơng trình đã gọi nó
 FB (Function block): miền chứa chƣơng trình con, đƣợc tổ chức thành
hàm và có khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ một khối chƣơng trình
nào khác. Các dữ liệu này phải đƣợc xây dựng thành một khối dữ liệu
riêng (gọi là DB- Data block).
-

Vùng chứa tham số của hệ điều hành và chƣơng trình ứng dụng, đƣợc phân
chia thành 7 miền khác nhau, bao gồm:
 I (Process image input): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng vào số. Trƣớc khi

bắt đầu thực hiện chƣơng trình, PLC sẽ đọc giá trị logic của tất cả các
cổng vào và cất chúng trong vùng nhớ I. Thông thƣờng chƣơng trình ứng
dụng khơng đọc trực tiếp trạng thái logic của cổng vào số mà chỉ lấy dữ
liệu của cổng vào từ bộ đệm I.
 Q (Process image output): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng ra số. Kết thúc
giai đoạn thực hiện chƣơng trình, PLC sẽ chuyển giá trị logic của bộ
đệm Q tới các cổng ra vào số. Thơng thƣờng chƣơng trình khơng trực
tiếp gán giá trị tới tận cổng ra mà chỉ chuyển chúng vào bộ đệm Q.
13


Chƣơng 1 : TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ TRẠM TRỘN BÊ TƠNG
 M: Miền các biến cờ. Chƣơng trình ứng dụng sử dụng vùng nhớ này để
lƣu trữ các tham số cần thiết và có thể truy cập nó theo bit(M), byte
(MD), từ (MW) hay từ kép (MD).
 T: Miền nhớ phục vụ bộ thời gian (Timer) bao gồm việc lƣu trữ giá trị
thời gian đặt trƣớc (PV – preser value), giá trị đếm thời gian tức thời
(CV – current value) cũng nhƣ giá trị logic đầu ra của bộ thời gian.
 C: Miền nhớ phục vụ bộ đếm (Counter) bao gồm việc lƣu trữ giá trị đặt
trƣớc (PV- preser value), giá trị đệm tức thời (CV – current value) và giá
trị logic đầu ra của bộ đếm.
 PI: Miền địa chỉ cổng vào của các module tƣơng tự (I/O external input).
Các giá trị theo những địa chỉ này sẽ đƣợc module tƣơng tự sẽ đƣợc
module đọc và chuyển tự động theo những địa chỉ. Chƣơng trình ứng
dụng có thể truy nhập miền nhớ PI theo từng byte, từng từ hoặc theo từ
kép.
 PQ: Miền địa chỉ cổng ra cho các module tƣơng tự (I/O external output).
Các giá trị theo những địa chỉ này sẽ đƣợc module tƣơng tự chuyển tới
các cổng ra tƣơng tự. Chƣơng trình ứng dụng có thể truy nhập miền nhớ
PQ theo từng byte. Từng từ hoặc theo từ kép.

-

Vùng chứa các khối dữ liệu, đƣợc chia thành 2 loại:
 DB (Data block): Miền chứa các dữ liệu đƣợc tổ chức thành khối. Kịch
thƣớc cũng nhƣ số lƣợng khối đƣợc ngƣời dùng quy định, phù hợp với
những bài tốn điều khiển. Chƣơng trình có thể truy nhập miền này theo
từng bit, byte, từ, hoặc từ kép.
 L (local data block): Miền dữ liệu địa phƣơng, đƣợc các khối chƣơng
trình OB, FC, FB tổ chức và sử dụng cho các biến nháp tức thời vào trao
đổi dữ liệu của biến hình thức với những khối chƣơng trình đã gọi nó.
Nội dụng của một số dữ liệu trong biền nhớ này sẽ bị xóa khi kết thức
chƣơng trình tƣơng ứng trong OB, FC, FB. Miền này có thể đƣợc truy
nhập từ chƣơng trình theo từng bit, byte, từ hoặc từ kép.

2.2.2. Vịng qt chƣơng trình
PLC thực hiện chƣơng trình theo chu trình lặp. Mỗi vịng lặp đƣợc gọi là vòng quét
(scan). Mỗi vòng quét bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ các cổng vào số tới
14


Chƣơng 1 : TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ TRẠM TRỘN BÊ TÔNG
vùng bộ đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chƣơng trình. Trong từng vịng qt,
chƣơng trình đƣợc thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OBI (Block
end). Sau giai đoạn thực hiện chƣơng trình là giai đoạn chuyển các nội dung của bộ
đệm ảo Q tới các cổng ra số. Vòng quét đƣợc kết thúc bằng giai đoạn truyền thông nội
bộ và kiểm lỗi.

Hình 2.3. Vịng qt chƣơng trình
Chú ý rằng bộ đệm I và Q không liên quan tới các cổng vào/ra tƣơng tự nên các
lệnh truy nhập cổng tƣơng tự đƣợc thực hiện trực tiếp với cổng vật lý chứ không thông

qua bộ đệm.
Thời gian cần thiết để PLC thực hiện đƣợc một vòng quét gọi là thời gian vịng
qt (scan time). Thời gian vịng qt khơng cố định, tức là khơng phải vịng qt nào
cũng đƣợc thực hiện trong một khoảng thời gian nhƣ nhau. Có vịng qt đƣợc thực
hiện lâu, có vịng qt đƣợc thực hiệ n nhanh tùy thuộc vào số lệnh trong
chƣơng trình đƣợc thực hiện, vào khối lƣợng dữ liệu đƣợc truyền thông … trong vịng
qt đó.
Nhƣ vậy giữa việc đọc dữ liệu từ đối tƣợng để xử lý, tính tốn và việc gửi tín hiệu
điều khiển tới đối tƣợng có một khoảng thời gian trễ đúng bằng thời gian vịng qt.
Nói các khác, thời gian vịng qt quyết định tính thời gian thực của chƣơng trình điều
khiển trong PLC. Thời gian vịng qt càng ngắn, tính thời gian thực của chƣơng trình
càng cao.
Nếu sử dụng các khối chƣơng trình đặc biệt có chế độ ngắt, ví dụ nhƣ khối OB40,
OB80…, chƣơng trình của các khối đó sẽ đƣợc thực hiện trong vịng qt khi xuất
hiện tín hiệu báo ngắt cùng chủng loại. Các khối chƣơng trình này có thể đƣợc thực
hiện tại mọi điểm trong vịng qt chứ khơng bị gị ép là phải ở trong giai đoạn thực
15