Nghiên cứu thiết kế nâng cao chất lượng hệ điều khiển chuyển động cân băng định lượng trong hệ thống cấp liệu cho lò hơi nhà máy nhiệt điện

1

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG

VŨ THỊ PHÚC

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN
CHUYỂN ĐỘNG CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG CẤP LIỆU
CHO LÒ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÁI NGUYÊN - 2020


2

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, cơng nghệ tự động hóa đang được ứng dụng rộng rãi trong các ngành
cơng nghiệp, góp phần quan trọng và q trình cơng nghiệp hố, hiện đại hóa đất
nước. Song song với nó là nhu cầu phát triển cơ sở hạ tầng ngày càng trở nên cấp
thiết. Vì vậy mà việc sử dụng nguồn năng lượng điện là hết sức cần thiết, trong nhà
máy nhiệt điện việc cung cấp liệu cho lò hơi liên tục ổn định và chính xác, giúp cho
lị hơi đủ nhiệt lượng trong bình ngưng hơi nước,để cung cấp cho bình ngưng hơi
nước cung cấp cho tuốcbin quay máy phát điện.Việc cung cấp liệu được dùng thiết
bị cân băng định lượng. Vì vậy cân băng định lượng có một vị trí rất quan trọng. Có
nhiều phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển chuyển động cho thiết bị cân băng
định lượng này, mỗi phương pháp có một ưu điểm riêng. Trong đề tài của bản luận
văn sẽ nghiên cứu ứng dụng những phương pháp điều khiển kinh điển, từ đó ứng
dụng những bộ điều khiển thông minh(điều khiển mờ) để xây dựng hệ điều khiển

mới nhằm nâng cao chất lượng của hệ. Trên cơ sở đó sẽ nghiên cứu và ứng dụng
phương pháp điều khiển mờ thích nghi để nâng cao chất lượng hệ truyền động cân
băng định lượng trong dây chuyền có cơng suất nhỏ ở nước ta.
Điều khiển mờ thích nghi hiện đang hiện đang giữ vai trò quan trọng trong các
hệ thống điều khiển hiện đại, vì nó đảm bảo tính khả thi của hệ thống, đồng thời lại
thực hiện tốt các chỉ tiêu kỹ thuật của hệ như độ chính xác cao, độ tác động nhanh,
tính bền vững và ổn định tốt. Khác với kỹ thuật điều khiển truyền thơng là hồn
tồn dựa vào độ chính xác tuyệt đối của thông tin mà trong nhiều ứng dụng không
cần thiết hoặc khơng thể có được.
Hệ điều khiển mờ thích nghi được áp dụng hiệu quả nhất trong các quá trình
chưa xác định rõ hay khơng thể đo đạc chính xác được, trong các quá trình điều
khiển ở điều kiện thiếu thơng tin. Chính khả năng này của điều khiển mờ thích nghi
đã giúp giải quyết thành cơng các bài tốn phức tạp, các bài tốn mà trước đây
khơng xử lý được.


3

Sau hai năm học tập tại Trường Đại học Công Nghệ Thông tin và Truyền thông,
tôi đã được đào tạo và tiếp thu được những kiến thức hiện đại và tiên tiến trong lĩnh
vực tự động hóa.Trước khi tốt nghiệp cao học, tôi nhận được đề tài:
“Nghiên cứu thiết kế nâng cao chất lượng hệ điều khiển chuyển động cân băng
định lượng trong hệ thống cấp liệu cho lò hơi nhà máy nhiệt điện”.
Nội dung của bản luận văn được chia làm 3 chương:
- Chương 1: Tổng quan về cân băng định lượng cung cấp than cho lò hơi nhà máy
nhiệt điện.
- Chương 2: Tổng hợp hệ điều khiển chuyển động cân băng định lượng với bộ điều
khiển PID tuyến tính.
- Chương 3: Ứng dụng bộ điều khiển mờ thích nghi để nâng cao chất lượng hệ
truyền động cân băng định lượng.

Với thời gian và kiến thức có hạn, luận văn khơng thể tránh khỏi sai sót. Rất
mong được sự góp ý của các thầy cơ, bạn bè và đồng nghiệp.


4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG CUNG CẤP
THAN CHO LỊ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
1.1. Vai trị của hệ thống cân băng trong dây chuyền nhà máy cơng nghiệp
Vai trị của băng tải trong các nhà máy công nghiệp là vô cùng quan trọng,
điều này được thể hiện rõ nét trong các nhà máy nhiệt điện, xi măng, các nhà máy
chế biến thức ăn gia xúc, các nhà máy chế biến thực phẩm ...Các băng tải đóng vai
trò vận chuyển nguyên vật liệu, thành phẩm thay cho sức người và các phương tiện
vận chuyển cơ động khác .
Vấn đề đặt ra là trong quá trình sản xuất địi hỏi tính liên tục, pha trộn
ngun liệu có độ chính xác, vì vậy phải cân được khối lượng ngun vật liệu đã
được vận chuyển theo yêu cầu của thành phẩm. Để giải quyết vấn đề trên ta sử dụng
cân băng định lượng. Hệ thống cân băng định lượng là một trong những khâu quan
trọng giúp cho nhà máy hoạt động một cách liên tục. Cân băng định lượng là một
khâu trong dây chuyền cơng nghệ nhằm cung cấp chính xác lượng nguyên liệu cần
thiết cho nhà máy, lượng nguyên liệu này đã được người lập trình cài đặt một giá trị
trước. Khi mà lượng nguyện liêu trên băng tải ít đi thì địi hỏi phải giảm tốc độ động
cơ để băng tải chuyển động chậm hơn nhằm cung cấp đủ lượng nguyên liệu cần
thiết. Ngược lại khi lượng nguyên liệu trên băng tải vận chuyển với lưu lượng nhiều
thì các thiết bị tự động sẽ tự động điều khiển cho động cơ quay với tốc độ nhanh lại
phù hợp với yêu cầu.
Đối với dây chuyền cấp liệu của nhà máy nhiệt điện cần chuẩn bị các bước
trước khi đưa than vào buồng đốt hình 1.1

5

Kho chứa than

Làm sạch

Kế hoạch chuẩn bị cấp than

Nghiền

Kho chứa than

Phân loại

Vận chuyển than
Thùng chứa theo kế hoạch đốt
Xử lý than nghiền
Boongke

Boongke

Boongke

Buồng đốt

Buồng đốt

Buồng đốt

Hình 1.1:Các bước chuẩn bị trước khi đưa than vào buồng đốt

-

Máy cấp than nguyên.

-

Máy nghiền và bộ phận phân li.

Than được vận chuyển theo băng tải lên đỉnh boongke than, ở đầu ra của
boongke than nguyên được cấp xuống đầu vào máy cấp than nguyên qua ống rót
hình nón bởi một van điều khiển. Thơng thường mỗi lò hơi được trang bị 8 máy cấp
than nguyên (2 máy cấp cho 1 máy nghiền) đặt ở đầu ra của boongke than nguyên.
Trong máy cấp than nguyên có một hệ thống cân băng định lượng cung cấp
chỉ số lưu lượng than. Hệ thống cấp than được thiết kế để đảm bảo việc cung cấp
than từ boongke vào máy nghiền một cách chính xác, tin cậy và khơng bị gián
đoạn.Than đươc nghiền mới đưa vào buồng đốt. Hệ thống nghiền than và vận
chuyển than nghiền được chỉ ra ở hình 1.2


Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống nghiền than và vận chuyển than nghiền
Có 2 loại máy cấp:
1.1.1. Máy cấp thể tích
Với loại máy này thì lượng than cấp được xác định bởi thể tích than. Khi tốc
độ cấp tăng lên thì thể tích than được cấp tăng lên. Nhưng nhược điểm của loại
này là khi trọng lượng than thay đổi với cùng một thể tích xác định thì trọng
lượng than cấp vào máy nghiền thay đổi. Vì vậy nó cũng làm thay đổi năng lượng
hóa năng đưa vào buồng đốt lò, điều này cũng dẫn đến sai lệch về tỉ lệ than gió
do vậy hiệu suất lị giảm.
1.1.2. Máy cấp theo khối lượng
Than được cấp tới máy nghiền dựa trên cơ sở khối lượng than cấp. Khối

lượng than cấp tới lị tỷ lệ với tín hiệu điều khiển tới máy cấp. Than được vận
chuyển trong máy cấp bởi hệ thống dây chuyền. Tốc độ cấp than được thay đổi
bởi hệ thống dây chuyền. Khi khối lượng than thay đổi thì thiết bị khối lượng sẽ
điều chỉnh vị trí của thanh điều chỉnh mức than (thanh chắn than trên dây chuyền)
để duy trì mức than chuẩn. Máy cấp theo khối lượng chỉ ra ở hình 1.3


Hình 1.3: Máy cấp theo khối lượng.

Hình 1.4: So sánh ảnh hưởng khơng khí thừa đối với máy cấp thể tích và máy cấp
khối lượng.


Ưu điểm chính của máy cấp theo khối lượng so với máy cấp theo thể tích là nó bù
được sự thay đổi về độ ẩm của than, tuy nhiên nó khơng bù sự thay đổi về nhiệt
lượng cấp vào lị do có sự thay đổi về hàm lượng tro trong than. Tín hiệu điều khiển
máy cấp sẽ phụ thuộc tín hiệu yêu cầu lượng than cấp vào lò. Để than cấp cháy hết
thì cần có lượng khơng khí tương ứng ảnh hưởng lượng khơng khí thừa khi sử dụng
máy cấp than theo thể tích và máy cấp than theo khối lượng được biểu diễn trên
hình
Với sự so sánh của 2 loại cân băng định lượng trên trong luận văn sẽ chọn máy
cấp theo khối lượng.
1.2. Nguyên lý làm việc của hệ thống cân băng định lượng.
Có 2 cách cơ bản để xây dựng nguyên lý đo và làm việc của cân băng.
-

Đo theo năng suất.

-

Đo theo khối lượng.

1.2.1. Nguyên lý đo theo năng suất.
Ta có cơng thức:
Qt=m.v.t
Trong đó: m: khối lượng (kg)

(1.1)
v: tốc độ băng tải (m/s)

t: thời gian đặt (ms)
Với năng suất Q sau khoảng thời gian t1 (ms) ta tiến hành đo một lần và sẽ so
sánh với năng suất yêu cầu (Qyc).
- Nếu Q>Qyc thì vận tốc băng tải giảm.
- Nếu Q1.2.2. Nguyên lý đo theo khối lượng.
Khối lượng của vật liệu được cơ cấu cân định lượng cân chính xác theo
lượng đặt ban đầu. Năng suất của băng tải được tính theo biểu thức:
Q = δ.v [ kg/s ]

(1.2)


hay:

Q
.v

Trong đó:

3600 .

(1.3)

1000

δ : khối lượng tải theo chiều dài [kg/m ]
v : tốc độ di chuyển của băng [m/s]
Khối lượng của băng tải theo chiều dài được tính theo cơng thức:
  S. .10 3

(1.4)

Trong đó:
γ : Khối lượng riêng của vật liệu [ tấn/m3 ]
S : Tiết diện cắt ngang của vật liệu trên băng [ m2 ]
1.3. Một số cân băng định lượng đã được ứng dụng
1.3.1. Nguyên lý làm việc của hệ thống cân băng cho trạm trộn bê tông.
Hệ thống cân băng định lượng được thiết kế để điều chỉnh tốc độ cấp liệu của
vật liệu rắn. Vật liệu rắn được tháo ra từ Bunke hoặc silo. Bề dày của vật liệu trên
băng tải thường được trải đều để đảm bảo mức chịu tải của băng tải là khơng thay
đổi. Lưu lượng vật liệu có thể đạt được thông qua việc điều chỉnh tốc độ băng tải.

Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý hệ thống cân băng cẩu trạm trộn bê tông


điện tử

Q=mxV

hiệu
chỉnh ∆Q

Qđặt= mxV

điều
khiển tay

tần

RS
232/485
Máy tính

Động
cơ

Hình 1.6: Sơ đồ đo hệ thống cân băng phối liệu nhiều thành phần
Các tín hiệu m (khối lượng), V (tốc độ) băng tải được đọc vào máy tính theo
các đường khối lượng ( sử dụng card chuyển đổi A/D 6 kênh ), đường tốc độ ( cổng
COM 1), từ bộ chuyển đổi RS 232/485, máy tính sẽ tính năng suất thực của các cân
Qt=mV, so sánh với năng suất định mức Qđặt của chúng, từ đó đưa ra tín hiệu điều
khiển Udk để điều khiển các động cơ thông qua các bộ biến tần ( dinventer ). Mục
đích là điều chỉnh tốc độ hợp lý cho băng tải cân, sao cho sai lệch giữa năng suất
thực với năng suất định mức ≤ 1%. Trong hệ thống này cứ mỗi chu kỳ 100 ms- 200
ms, máy tính lại đọc các số liệu mV một lần, sau đó tính trung bình trong 1s-2s, từ
đó đưa ra tín hiệu điều khiển mới. Như vậy cứ 1s-2s hệ thống lại điều chỉnh tốc độ
của băng tải cân 1 lần. Năng suất thực của các cân cũng được thông báo trên màn
hình với chu kỳ 10s 1 lần để người điều khiển kịp theo dõi. Số liệu này là năng suất
trung bình của cân trong 10s đó.

1.3.2. Ngun lý làm việc của hệ thống cân băng than cho nhà máy nhiệt điện
Phả lại (dây chuyền 2)
Tín hiệu đo khối lượng vật liệu trên thiết bị máy cấp được phát ra từ 2 thiết
bị cảm biến tải cung cấp cho bộ đo được đặt mỗi bên của trục lăn tải trọng cùng với
khoảng cách các trục lăn tải trọng.
Trên cơ sở đó, xác định chính xác độ dài băng tải đang mang dòng vật liệu
và là cơ sở để xác định khối lượng


Mỗi cảm biến tải xác định 25% khối lượng vật liệu trên phần trải rộng của
dòng vật liệu được xác định khối lượng.
Đầu ra của các bộ cảm biến tải được phát ra theo tỷ lệ tương ứng với tần số
Kg vật liệu trên dơn vị cm chiều dài dây băng.
Các dữ liệu được tính theo phương trình sau:
Trọng lượng (kg/cm) x tốc độ băng tải(cm/s) = lượng định mức cấp (kg)
q = qe.V ( kg/s)

(1.5)

Trong đó :
q: lưu lượng vận chuyển trên băng tải
qe : Mật độ liệu trên băng tải
V: Tốc độ chuyển động của băng tải
Bộ điều khiển của thiết bị máy cấp có thể nhận giá trị định mức cấp đã đặt
hoặc cũng có thể nhận tín hiệu lệnh, lượng định mức từ người vận hành.
Tín hiệu này được so sánh với lượng định mức trong máy tính được đo ở dây
băng tải, tốc độ băng tải và các thơng số khác đưa đến các tín hiệu sự cố tác động
tới bộ điều khiển động cơ.
Để giải trừ sự cố, giữ cho hệ thống làm việc ổn định, phần chương trình này
được xây dựng trong phần mềm. Ngoài ra, nhờ bộ vi xử lý đã chứa các thông số

của hệ thống và các thông số tới hạn, tín hiệu gây sự cố sẽ khơng điều chỉnh được
có thể làm thay đổi tốc độ động cơ.
Bộ vi xử lý tính tốn lượng định mức của máy cấp như sau:
Tín hiệu mẫu đo được nhận từ cảm biến tải. Tín hiệu này được chuyển sang
tín hiệu số (mã nhị phân) nhờ bộ chuyển đổi A/D trong bộ vi xử lý 16 bit
Các thông số này được so sánh với các thông số chứa trong ROM. Nếu như
giá trị thuộc giới hạn cho phép nó được chuyển qua bộ nhớ RAM. Q trình đó
được tiếp diễn qua tất cả các cảm biến tải khác. Giữa các cảm biến tải cũng được so
sánh với nhau để tăng độ tin cậy của kết quả.


Thiết bị được đưa vào làm việc ở chế độ tổng thể tích khối và bộ điều khiển
sử dụng các cảm biến tải mô phỏng phát ra dải các giá trị trung bình chứa trong bộ
nhớ.
Nếu như các tín hiệu ở dải cho phép, các tín hiệu của hai bộ cảm biến tải
được tổng hợp lại và phần khối lượng khơng phải của vật liệu được trừ đi.
Kết quả tính tốn được kèm theo có các hệ số chỉnh định (các hệ số này được
xác định trong qua trình chỉnh định máy cấp) trên cơ sở đó xác định được khối
lượng của vật liệu trên mỗi đơn vị chiều dài dây băng.
Kết quả nhận được sẽ chứa trong bộ nhớ RAM
Tốc độ dây băng được xác định căn cứ vào sự tính tốn của tần số phát ra
của thiết bị đo tốc độ được gắn ở động cơ ( Hoặc ở đầu ra của bộ biến tần điều
khiển động cơ ).
Độ chính xác của kết quả đo phụ thuộc vào bộ vi xử lý cùng với cấp chính
xác của nó, sai số cho phép trước là 0,025%.
Giá trị đo trước đó cảu tần số đo tín hiệu được tính tốn khi kể đến các hệ số
chỉnh định ( các hệ số này được xác định trong quá trình chỉnh định máy cấp ) để
đưa được con số tốc độ chạy cuả dây băng trên đơn vị thời gian (s).
Cuối cùng, tốc độ dây băng tải và khối lượng cùng được tính tốn với nhau
để xác định thơng số định mức của thiết bị cấp.

Kết quả này sau đó sẽ được so sánh với lượng định mức yêu cầu đối với máy
cấp để tìm ra các lỗi và giúp cho người vận hành điều khiển tốc độ.
Lượng định mức máy cấp được hiển thị với đơn vị: Khối lượng/giờ.
Lượng định mức cấp đó là giá trị chính xác để đi đến xác định tổng khối
lượng vận chuyển.
Đầu vào của máy cấp than được thiết kế để duy trì thể tích khơ của vật liệu.
Do vậy tỷ trọng được xác định từ đầu ra của cảm biến tải và các cài đặt các thơng số
kể đến thể tích trên phần vật liệu cần đo.
Ta có sơ đồ nguyên lý của hệ thống cân than:


Băng tải
1

2
3
5

4

4-20mA
Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống cân than
Trong đó:
1,2: Cảm biến tải

4: Bộ vi xử lý

3 : Bộ đo tốc độ băng tải

5: Màn hình hiển thị

1.4. Các yêu cầu kỹ thuật trong hệ thống cân băng định lượng.
1.4.1 . Cấu trúc của một hệ thống cân băng định lượng.
Cân băng định lượng là cơ cấu tác động liên tục thuộc nhóm máy nâng vận
chuyển. Là thiết bị vận tải liên tục dùng để chuyên chở hàng dạng hạt, cục ( cát, đá
dăm, than, thóc gạo ...) hoặc các vật liệu thể rắn ( gỗ, hòm , thép thỏi ) theo phương
nằm ngang hoặc theo mặt phẳng nghiêng ( góc nghiêng khơng lớn hơn 30o ).Nó
đóng vai trị quan trọng trong q trình sản xuất, là cầu nối giữa các hạng mục, cơng
trình sản xuất riêng biệt giữa các phân xưởng trong một nhà máy, giữa các máy sản
xuất trong một dây chuyền sản xuất.
Hệ truyền động cân băng định lượng gồm có:
+ Động cơ điện
+ Hộp số
+ Trục chính (hoặc truyền động xích, dây cơroa…)
+ Băng tải
+ Phễu
+ Cơ cấu cân định lượng


Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lý của hệ truyền động cân băng
1.4.2 . Đặc điểm công nghệ và yêu cầu đối với hệ truyền động băng tải phối liệu
a . Loại phụ tải
Đặc tính cơ của máy sản xuất thường có dạng:
(1.6)
Trong đó: Mco - Mơmen ứng với tốc độ ω = 0
Mđm - Mômen ứng với tốc độ wđm
Mc - Mômen ứng với tốc độ ω
Với băng tải α = 0. Do đó ta có Mc = Mđm = const . Ta thấy rằng tải của hệ
truyền động băng tải phối liệu hầu như ít thay đổi trong quá trình làm việc. Hệ
truyền động này là hệ làm việc ở chế độ dài hạn.

Ta có đồ thị cơng suất và momen cản tĩnh của truyền động điều chỉnh tốc độ
với Mc = const như sau:


Hình 1.9: Đồ thị cơng suất và momen cản tĩnh
b . Chiều quay của băng
Băng tải nhận vật liệu từ phễu và vận chuyển đến nơi phối liệu nên chuyển
động của nó là theo một chiều bắt buộc và khơng có đảo chiều quay. Nếu đảo chiều
quay của băng tải thì do qn tính ngun vật liệu sẽ rơi vãi, khơng bảo đảm được
u cầu phối liệu.
Ngồi ra khi đảo chiều thì có một số phần của vật liệu khơng chuyển qua
được thiết bị cảm biến để cân chính xác.
c. Giản đồ phụ tải
Các thơng số chính của hệ truyền động
Vận tốc lớn nhất, nhỏ nhất : vmin ( m/s ) vmax ( m/s )
Vận tốc của trục quay: W ' m in 
s)
W ' m ax

s)

v m in

(rad /

R
vm a x

(1.7)
(1.8)

(rad /

R

Vận tốc của trục quay quy đổi với hộp số i
Wmax= W’max.i (rad/s)

(1.9)

Wmix= W’mix.i (rad/s)

(1.10)

Từ phương trình động học của truyền động điện


M = Mc + J

dw
dt

(1.11)

Ta có giản đồ phụ tải:

Hình 1.10: Giản đồ phụ tải
+ Đoạn 01 là đoạn băng tải được khởi động. Vì băng tải làm việc ở chế độ
dài hạn, số lần đóng cắt ít. Các u cầu về khởi động động cơ là không nặng nề. Ta
có thể cho băng tải khởi động đến tốc độ làm việc và ổn định ở tốc độ đó rồi mới

cho guyên vật liệu rơi xuống băng từ phễu.
+ Đoạn 12 là đoạn băng tải làm việc với tải Mc khơng đổi. Biến thiên dw/dt
chỉ có trong giai đoạn tốc độ biến thiên tức đoạn 01 và 23.
+ Đoạn 23 là đoạn giảm tốc và dừng băng tải. Ta cũng có thể cho băng tải
dừng tự do, hoặc dừng tự do có dùng thêm phanh hãm.
d . Các yêu cầu về khởi động và hãm
Hệ truyền động băng tải phối liệu khi khởi động với gia tốc lớn sẽ làm tăng
lực đàn hồi gây biến dạng băng và làm đứt băng. Để hạn chế điều này ta phải sử
dụng khâu giảm tốc khi khởi động.
Để động cơ có thể khởi động được sau khi mất điện trong quá trình làm việc
thì chọn động cơ có mơmen khởi động đủ lớn.
Khi dừng thì khơng u cầu dừng chính xác, nhưng cũng tránh cho hệ dừng
với gia tốc lớn gây hỏng, đứt băng. Hệ truyền động băng tải thường làm việc liên


tục ít khi phải dừng nên khơng cần thiết kế bộ giảm tốc. Cũng khơng cần thiết kế
phanh hãm vì khi kết thúc công việc ta sẽ để cho băng dừng tự do.
e . Sơ đồ động học
Sơ đồ động học của hệ truyền động cân băng định lượng có dng n gin nh sau:

Wd

puli chủ động
Wc i
Mc n

kéo máy s¶n
Pc

xt

Hình 1.11: Sơ đồ động học
Trong đó:
1- Động cơ điện
2- Hộp tốc độ
3- Trục chính để lắp vào máy quay băng tải
g . Hệ truyền động nhiều động cơ
Khi có nhiều băng tải làm việc nối tiếp trong một dây truyền địi hỏi phải
đồng bộ hố tốc độ của các động cơ truyền động và đặt các khoá liên động cần thiết
bảo đảm thứ tự tác động. Khi đó tốc độ động cơ phải bằng nhau trong mọi trường
hợp để tránh các lực đàn hồi trên băng.
h . Độ chính xác
Độ chính xác về tốc độ là yêu cầu quan trọng , được đánh giá bởi sai lệch tĩnh:
w
w  wt
(1.12)
%
 
100%  d
100%
wdm

wd

i . Dải điều chỉnh
D = wmax : wmin

(1.13)

1.5. Các phương án thiết kế điều khiển cân băng định lượng
Từ những nguyên lý đo và làm việc của cân băng (mục 1.2) thấy có 2 nguyên
tắc điểu khiển cân băng cơ bản đó là:
-

Điều khiển theo năng suất.

-

Điều khiển theo khối lượng.

Từ đó ta chọn nguyên tắc điều khiển theo khối lượng => ta sẽ thiết kế hệ
điều khiển
Sự khác nhau cơ bản giữa hệ thống điều khiển kín và điều khiển hở là ở chỗ
trong hệ thống điều khiển kín có mạch phản hổi. Phần tử chuyển đổi của mạch phản
hồi thường sử dụng hai kiểu tương tự và số. Do đó chúng ta có hệ điều khiển số và
điều khiển tương tự:
1.5.1. Hệ điều khiển tương tự
Trong hệ thống cân băng thông số tốc độ chuyển động của băng tải phải
được điều khiển bởi tốc độ trên các trục có thể có quy luật biến thiên giống nhau
nhưng cũng có thể quy luật biến thiên trên các trục khác nhau. Loadcell (cảm biến
đo lực) là kiểu chuyển đổi tương tự và thường dùng để đo trọng lượng. Tín hiệu ra
từ Loadcell được cho dưới dạng tương tự

Hình 1.12: Hệ thống điều khiển kín dùng Loadcell


1.5.2. Hệ điều khiển số
Hệ thống điều khiển số dùng loadcell để đo khối lượng, mạch điều khiển khá
giống với sơ đồ khối dùng hệ điều khiển dùng phản hồi tương tự nhưng chỉ khác ở

điểm là thay bộ so sánh bằng bộ đếm tiến-lùi. Thêm bộ chuyển đổi Converter ADC
sau loadcell và đưa vào bộ đếm. Thay bộ khuyếch đại thứ nhất bằng bộ chuyển đổi
Converter số tương tự DAC nhằm chuyển tín hiệu số sang tương tự

Hình 1.13: Hệ thống điêu khiển kín dùng phản hồi số
=> Từ 2 hệ thống trên để phù hợp với yêu cầu ta chọn hệ điều khiển tương tự
1.6. Chọn hệ thống truyền động cho cân băng
Chọn phương án truyền động là dựa trên các u cầu cơng nghệ và kết quả
tính chọn cơng suất động cơ, từ đó tìm ra một loạt các hệ truyền động có thể thoả
mãn yêu cầu đặt ra. Bằng việc phân tích, đánh giá các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật các
hệ truyền động này, kết hợp tính khả thi cụ thể mà ta có thể lựa chọn được một vài
phương án hoặc một phương án duy nhất để thiết kế. Lựa chọn phương án truyền
động tức là phải xác định được loại động cơ truyền động một chiều hay xoay chiều,
phương pháp điều chỉnh tốc độ phù hợp với đặc tính tải, sơ đồ nối bộ biến đổi đảm
bảo yêu cầu truyền động.


Từ những phân tích về đặc điểm cơng nghệ, u cầu truyền động của cân
băng thì ta có các phương án truyền động sau:
- Hệ thống truyền động chỉnh lưu điều khiển thyristor- động cơ 1 chiều ( Hệ T-Đ).
- Hệ thống điều khiển độ rộng xung- Động cơ điện một chiều(PWM- Đ)
- Hệ thống điều khiển vecto động cơ điện không đồng bộ ba pha
- Với các hệ thống truyền động đã nêu ở trên thì thống ( PWM- Đ) có nhiều ưu
điểm và thích ứng cho việc truyền động cân băng định lượng vì vậy luận văn sẽ
chọn hệ thống (PWM- Đ) để truyền động cho cân băng định lượng
* Hệ truyền động (PWM-Đ)
- Sơ đồ khối hệ truyền động PWM-Đ

Hình 1.14: Sơ đồ khối hệ thống truyền động điều chế độ rộng xung một chiều
Chức năng của các khối trong sơ đô như sau:

* Động cơ điện một chiều kích từ độc lập (M): thay đổi tốc độ bằng cách thay
đổi điện áp phần ứng, dùng để làm di chuyển bàn máy.
* Bộ biến đổi xung điện áp (PWM): được cung cấp nguồn điện áp từ bộ chỉnh
lưu T.
Cấu trúc mạch điện chính của bộ biến đổi PWM đảo chiều có các kiểu H và
T. Trong thực tế thường dùng bộ biến đổi kiểu H hai cực. Sơ đồ nguyên lý bộ biến
đổi PWM đảo chiều dạng H được trình bày trên hình 1.15


Hình 1.15: Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi PWM dạng H

Hình 1.16: Đồ thị điện áp của bộ biến đổi PWM dạng H
Nguyên lý của mạch điều khiển động cơ điện 1 chiều bằng phương pháp
PWM đảo chiều hoạt động dựa theo nguyên tắc cấp nguồn cho động cơ bằng chuỗi
xung vng đóng mở với tốc độ nhanh, chúng ta điều chỉnh tốc độ của động cơ


thông qua việc điều chế độ rộng của xung. Việc điều chỉnh này sẽ tác động đến điện
áp trung bình cấp cho động cơ và do đó sẽ thay đổi tốc độ của động cơ cần điều
khiển.
+ Hình 1.16a: Đồ thị điện áp ra bộ phát xung chủ đạo
+ Hình 1.16b: Điện áp răng cưa ở mạch tạo xung làm điện áp tựa
+ Hình 1.16c: Đồ thị điện áp vào khâu so sánh để điều chỉnh độ rộng xung.
Với Uđk khác nhau ứng với 3 trường hợp:
- Trường hợp thứ nhất ở hình c1: khi Uđk =1/2 Ucm
- Trường hợp thứ hai ở hình c2: khi Uđk  1/2Ucm
- Trường hợp thứ ba ở hình c3: khi Uđk >1/2Ucm .
+ Hình 1.16d: Đồ thị điện áp ra của khâu so sánh đồng thời là dạng điện áp
ra của bộ PWM ứng với sự thay đổi Uđk trên các hình c1,c2,c3. Lúc này điện áp ra
tương ứng thể hiện trên hình d1, d2, d3.

Với điện áp ra như trên ta tính được điện áp trung bình roto của bộ biến đổi
PWM và được biểu thị bằng công thức:
2ton
T
t
U d  on U s
U
(

ton
T 
s
s
T 1)U
T
2t
  on

(1.14)

(1.15)

1
T

Ta thấy :

+ Khi  = 0 ( ứng với hình d1) thì động cơ ngừng quay.
+ Khi  < 0 ( ứng với hình d2) thì động cơ quay ngược.
+ Khi  > 0 ( ứng với hình d3) thì động cơ quay thuận.

Do đó việc khống chế Uđk rất dễ dàng, Muốn thay đổi tần số thì thay đổi ở
ngồi. Từ ngun lý khống chế giúp cho ta thiết kế mạch tạo xung điều khiển.
* Mạch tạo xung điều khiển: điều chỉnh thời điểm phát xung trên cực gốc
của trazitor dẫn đến điều chỉnh được thành phần một chiều của điện áp đầu ra Uđk
và điều chỉnh thời điểm đóng mở của tranzitor từ đó điều chỉnh tốc độ động cơ.


* Các mạch vịng phản hồi: Có ba mạch vịng phản hồi
- Mạch vòng phản hồi dòng điện để ổn định dòng điện, được lấy dòng điện ở
mạch phần ứng với bộ điều chỉnh dòng điện là Ri.
- Mạch vòng phản hồi âm tốc độ với bộ điều chỉnh tốc độ là R , được lấy tín
hiệu tốc độ nhờ máy phát tốc FT.
- Mạch vòng phản hồi khối lượng: để ổn định cho hệ thống cấp liệu, được lấy
từ đóng cắt.
- Sơ đồ khối mạch tạo xung điều khiển
Mạch điều khiển điện áp một chiều có nhiệm vụ xác định thời điểm mở và
khoá van bán dẫn trong một chu kỳ chuyển mạch. Như ở trên ta đã biết chu kỳ đóng
cắt van nên thiết kế cố định. Điện áp tải khi điều khiển được tính:
U 
Ud

ton
T


s U

T  ton
s

T

 

(

2ton
T

1)
Us

(1.16)

2ton

(1.17)

1
T

Mạch điều khiển cần đáp ứng yêu cầu điều khiển  bằng các lệnh theo một
nguyên tắc nào đó. Để điều khiển  với chu kỳ đóng cắt T không đổi cần phải
điều khiển khoảng thời gian dẫn của các van bán dẫn trong chu kỳ đóng cắt.
Ta có sơ đồ khối của mạch tạo xung điều khiển như hình 1.17
1
Ucđ

2

FXC Đ

Ucđ

SRC

4

3
Urc

SS

Ura

TXPCX

Tr1 và Tr4
Tr2 và Tr3

Uđk

Hình 1.17: Sơ đồ khối của mạch tạo xung điều khiển
Có nhiều phương pháp đo lực, trong bản luận văn tôi chọn phương pháp đo lực
bằng phương pháp hiệu chỉnh bù.


1.7. Cảm biến đo lực (Loadcell)
Có nhiều phương pháp đo lực, trong bản luận văn tôi chọn phương pháp đo lực

bằng phương pháp hiệu chỉnh bù.
Sơ đồ nguyên lý phương pháp đo lực bằng phương pháp hiệu chỉnh bù được
chỉ ra trên hình 1.17. Lực cần đo F tác dụng lên một cánh tay đòn và tạo ra một độ
lệch của tay đòn. Trị số của độ lệch được xác định nhờ một hệ đo dịch chuyển. Một
lực đối tương ứng được đặt vào phía bên kia của tay địn sao cho độ lệch được hiệu
chỉnh về 0 (được hiệu chỉnh bù). Đại lượng điện để điều chỉnh cần thiết cho mục
đích này tỷ lệ với lực tác dụng. Để tạo ra lực đối trọng, nói chung ta phải thường sử
dụng các hệ điện- từ. Để đo các lực có trị số rất bé trong phạm vi một vài μm hoặc
mN, các hệ tĩnh điện được sử dụng.
Đường truyền tín hiệu đo từ một nhánh độc lập dẫn đến sự tuyến tính hóa lý
tưởng (về phương diện lý thuyết) của hệ đo. Do nguyên tắc hiệu chỉnh bù, đầu đo
dich chuyển được sử dụng chỉ cần có một dải đo rất nhỏ, điều này tạo ra một độ
phân dải cao. Bộ cảm ứng sai phân rât hay được sử dụng với chức năng là hệ đo
dịch chuyển. từ các lý do đã nêu, thiết bị cân hiệu chỉnh bù được ứng dụng trước hết
trong các phép đo chính xác

.

Hình 1.18: Sơ đồ cấu tạo của thiết bị cân áp lực theo nguyên tắc hiệu chỉnh bù.


Sau đây là hình dạng của một số loại thiết bị đo lực có trong thực tế

Hình 1.19 : Giới thiệu hình ảnh một số thiết bị đo lực có trong thực tế
1.8. Kết luận:
Trong chương I : Đề cập đến vai trị vị trí, tầm quan trọng của cân băng định
lượng trong dây chuyền cấp liệu cho lò hơi nhà máy nhiệt điện. Trong đó đã chọn
phương pháp cân băng định lượng, được đo bằng phương pháp trọng lượng và đã
chọn hệ truyền động( PWM–Đ) để truyền động cho hệ điều khiển chuyển động này,
đồng thời chọn hệ điều khiển tương tự. Tất cả những điều đó giúp cho việc tính tốn

và khảo sát chương tiếp theo.