Luận văn Xây dựng mô hình, điều khiển giám sát trạm trộn bê tông

Luận văn Xây dựng mô hình, điều khiển giám sát trạm trộn bê tông Đồ án chuyên ngành tự động. GVHD: Thầy.Trần Quang Vinh Mô Hình Điều Khiển – Giám Sát Trạm Trộn Bê-tông Trang 1 LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện đồ án này, nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến: Thầy Trần Quang Vinh đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để nhóm chúng em thực hiện tốt đồ án này trong khoảng thời gian ngắn nhất. Các thầy cô trong khoa công nghệ điện tử đã truyền đạt cho chúng em những kiến thức về chuyên môn, tạo mọi điều điện thuận lợi để chúng em thực hiện tốt đồ án ” xây dựng mô hình, điều khiển giám sát trạm trộn bê tông “ dùng PLC và giám sát bằng wincc. Sau cùng là gửi lời cảm ơn tới gia đình và tất cả những người bạn, những người đã gắn bó cùng học tập, cùng làm đồ án đã nhiệt tình giúp đỡ nhóm em trong quá trình thực hiện. Đồ án chuyên ngành tự động. GVHD: Thầy.Trần Quang Vinh Mô Hình Điều Khiển – Giám Sát Trạm Trộn Bê-tông Trang 2 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… TP.HCM, ngày……tháng……năm 2013 Giáo viên hƣớng dẫn Đồ án chuyên ngành tự động. GVHD: Thầy.Trần Quang Vinh Mô Hình Điều Khiển – Giám Sát Trạm Trộn Bê-tông Trang 3 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... 1 LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 4 PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ TRẠM TRỘN BÊ TÔNG. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG.......................................................... 5 1.1 Khái niệm về bê tông ........................................................................................... 5 1.2 Các thành phần cấu tạo bê tông ........................................................................... 5 1.3 Một số tính chất đặc thù của bê tông ................................................................... 7 CHƢƠNG 2: KHÁI QUÁT VỀ TRẠM TRỘN BÊ TÔNG ............................... 10 1.Giới thiệu chung .................................................................................................... 10 2.Trạm trộn bê tông xi măng .................................................................................... 11 2.1Giới thiệu chung .................................................................................................. 11 2.2Phân loại .............................................................................................................. 12 2.3 Cấu tạo chung trạm trộn bê tông xi măng ......................................................... 12 2.4 Nguyên lý hoạt động chung của trạm trộn bê tông xi măng ............................. 17 PHẦN II: GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-200 VÀ CÁC THIẾT BỊ LIÊN QUAN CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-200 CỦA SIEMMENS ...................... 18 1.1 PLC là gì? .......................................................................................................... 18 1.2 Cấu trúc và hoạt động của PLC ........................................................................ 19 1.3 Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC S7-200 của Siemens. .......................... 23 1.4 Cấu trúc chương trình của S7-200: ................................................................... 28 1.5 Các lệnh sử dụng trong chương trình: .............................................................. 29 Đồ án chuyên ngành tự động. GVHD: Thầy.Trần Quang Vinh Mô Hình Điều Khiển – Giám Sát Trạm Trộn Bê-tông Trang 4 CHƢƠNG 2: CÁC THIẾT BỊ LIÊN QUAN ....................................................... 36 2.1 Module analog của Siemems ............................................................................. 36 2.2 Module analog EM 235 ..................................................................................... 40 2.3 Module analog EM 223 ..................................................................................... 43 2.4 Đầu đọc tín hiệu cân PAXS và PAXI ................................................................ 43 2.5 Thiết bị khí nén ................................................................................................. 58 2.6 Cảm biến: ........................................................................................................... 60 2.7 Loadcell: ............................................................................................................. 64 2.8Một số thiết bị khác: ........................................................................................... 66 PHẦN III: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG TRẠM TRỘN BÊ TÔNG. CHƢƠNG 1: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ....................................... 69 Phần Cứng ............................................................................................................... 69 CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG TỦ ĐIỆN ......................................... 71 Điều Khiển ............................................................................................................... 71 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN MỀM .............................................................. 79 3.1 Chương trình điều khiển ................................................................................... 79 3.2Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát sử dụng WinnCC .......................... 115 PHẦN IV: KẾT LUẬN ....................................................................................... 117 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 118 Đồ án chuyên ngành tự động. GVHD: Thầy.Trần Quang Vinh Mô Hình Điều Khiển – Giám Sát Trạm Trộn Bê-tông Trang 5 LỜI MỞ ĐẦU Ngành Điện Tử là một trong những ngành quan trọng và mang tính quyết định cho sự phát triển của một quốc gia. Từ những thiết bị thô sơ lạc hậu trong những ngày đầu, đến nay ngành điện tử Việt Nam đã có những bước phát triển vượt bậc với hệ thống cơ sở hạ tầng, công nghệ kỹ thuật hiện đại.Ngành điện tử được xem như là huyết mạch của nền kinh tế, phát triển dịch vụ điện tử sẽ tạo điều kiện cho các ngành kinh tế khác phát triển. Ngày nay, hệ thống điều khiển tự động không còn quá xa lạ với chúng ta. Nó được ra đời từ rất sớm, nhằm đáp ứng được nhu cầu thiết yếu trong cuộc sống của con người. Vì vậy điều khiển tự động đã trở thành một ngành khoa học kỹ thuật chuyên nghiên cứu và ứng dụng của ngành điều khiển tự động vào lao động sản xuất, đời sống sinh hoạt của con người. Đặc biệt trong lĩnh vực xây dựng, việc ứng dụng PLC trong quá trình sản xuất bê tông tại các trạm trộn bê tông xi măng thực sự đã mang lại hiệu quả kinh tế rất lớn cho quá trình sản xuất. Vì vậy, nhằm tạo điều kiện tốt nhất để có thể tiếp xúc, làm quen với các thiết bị tự động và vận dụng những kiến thức đã học vào thực tế. Nhóm em đã chọn đề tài: “ xây dựng mô hình, điều khiển giám sát trạm trộn bê tông’’ . Trong quá trình thực hiện đề tài, nhóm chúng em đã cố gắng tìm hiểu và học hỏi. Nhưng do khả năng còn hạn chế nên có những sai xót mong nhận được sự thông cảm từ quý thầy cô. Đồ án chuyên ngành tự động. GVHD: Thầy.Trần Quang Vinh Mô Hình Điều Khiển – Giám Sát Trạm Trộn Bê-tông Trang 6 PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG VÀ TRẠM TRỘN BÊ TÔNG. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG 1.1 Khái niệm về bê tông: Bê tông là hỗn hợp được tạo thành từ cát, đá, xi-măng, nước. Trong đó cát và đá chiếm 80% - 85%, xi măng chiếm 8% - 15%, còn lại là khối lượng của nước, ngoài ra còn có chất phụ gia thêm vào để đáp ứng yêu cầu cần thiết. Hỗn hợp vật liệu sau đó được nhào trộn tạo nên hỗn hợp bê tông. Hỗn hợp bê tông phải có độ dẻo nhất định, phù hợp với mục đích sử dụng. Có nhiều loại bê tông tùy thuộc vào thành phần của hỗn hợp trên. Mỗi thành phần cát, đá, xi măng, nước, … khác nhau sẽ tạo thành nhiều Mác bê tông khác nhau. 1.2 Các thành phần cấu tạo bê tông: a). Xi măng: Việc lựa chon xi măng là đặc biệt quan trọng trong việc sản xuất ra bê tông, có nhiều loại xi măng khác nhau, xi măng mác càng cao thì khả năng kết dính càng tốt và làm chất lượng thiết kế bê tông tăng lên tuy nhiên giá thành của xi măng mác cao là rất lớn. Vì vậy khi thiết kế bê tông vừa phải đảm bảo chất đúng yêu cầu kĩ thuật và giải quyết tốt bài toán kinh tế. b). Cát: Cát dùng trong sản xuất bê tông có thể là cát thiên nhiên hay cát nhân tạo, kích thước hạt cát là từ 0.4 – 5 mm. Chất lượng cát phụ thuộc vào thành phần khoáng, thành phần tạp chất, thành phần hạt… Trong thành phần của bê tông cát chiếm khoảng 29%. Đồ án chuyên ngành tự động. GVHD: Thầy.Trần Quang Vinh Mô Hình Điều Khiển – Giám Sát Trạm Trộn Bê-tông Trang 7 c). Đá dăm: Đá dăm có nhiều loại tùy thuộc vào kích cỡ của đá, do đó tùy thuộc vào kích cỡ của bê tông mà ta chọn kích thước đá phù hợp. Trong thành phần bê tông đá dăm chiếm khoảng 52%. d). Nƣớc: Nước dùng trong sản xuất bê tông phải đáp ứng đủ tiêu chuẩn để không ảnh hưởng xấu đến khả năng ninh kết của bê tông và chống ăn mòn kim loại. e). Chất phụ gia: Phụ gia sử dụng có dạng bột, thường có hai loại phụ gia:  Loại phụ gia hoạt động bề mặt: Loại phụ gia hoạt động bề mặt này mặc dù được sử dụng một lượng nhỏ nhưng có khả năng cải thiện đáng kể tính chất của hỗn hợp bê tông và tăng cường nhiều tính chất khác của bê tông.  Loại phụ gia rắn nhanh: Loại phụ gia rắn nhanh này có khả năng rút ngắn quá trình rắn chắc của bê tông trong điều kiện tự nhiên cũng như nâng cao cường độ bê tông. Hiện nay trong công nghệ sản xuất bê tông người ta còn sử dụng phụ gia đa chức năng. Đồ án chuyên ngành tự động. GVHD: Thầy.Trần Quang Vinh Mô Hình Điều Khiển – Giám Sát Trạm Trộn Bê-tông Trang 8 1.3 Một số tính chất đặc thù của bê tông: 1.3.1Cƣờng độ của bê tông: Cường độ của bê tông là độ cứng rắn của bê tông chống lại các lực tác động từ bên ngoài mà không bị phá hoại. Cường độ của bê tông phản ánh khả năng chịu lực của nó. Cường độ của bê tông phụ thuộc vào tính chất của xi măng, tỷ lệ nước và xi măng, phương pháp đổ bê tông và điều kiện đông cứng. Đặc trưng cơ bản của cường độ bê tông là "mác" hay còn gọi là "số liệu". Mác bê tông ký hiệu M ( xem bảng I.1.1 ), là cường độ chịu nén tính theo (N/cm 2 ) của mẫu bê tông tiêu chuẩn hình khối lập phương, kích thước cạnh 15cm, tuổi 28 ngày được dưỡng hộ và thí nghiệm theo điều kiện tiêu chuẩn ( nhiệt độ 200C  2 0C), độ ẩm không 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 nước quy định bê tông có các mác thiết kế sau:  Bê tông nặng: M100, M150, M200, M250, M300, M350, M400, M500, M600. Bê tông nặng có khối lượng riêng khoảng 1800 kg/m3 đến 2500kg/m3 cốt liệu sỏi đá đặc chắc.  Bê tông nhẹ: M50, M75, M100, M150, M200, M250, M300 bê tông nhẹ có khối lượng riêng trong khoảng ến 1800kg/m3, cốt liệu là các loại đá có lỗ rỗng, keramzit, xỉ quặng... Trong kết cấu bê tông cốt thép chịu lực phải dùng mác không thấp hơn M150. Đồ án chuyên ngành tự động. GVHD: Thầy.Trần Quang Vinh Mô Hình Điều Khiển – Giám Sát Trạm Trộn Bê-tông Trang 9 Cường độ của bê tông tăng theo thời gian, đây là một tính chất đáng quý của bê tông, đảm bảo cho công trình làm bằng bê tông bền lâu hơn những công trình làm bằng gạch, đá, gỗ, thép. Lúc đầu cường độ bê tông tăng lên rất nhanh, sau đó tốc độ giảm dần. Trong môi trường (nhiệt độ, độ ẩm) thuận lợi sự tăng cường độ có thể kéo dài trong nhiều năm, trong điều kiện khô hanh hoặc nhiệt độ thấp thì cường độ bê tông tăng không đáng kể. MÁC ( M ) Xi Măng ( Kg ) Cát ( m3 ) Đá (m3 ) Nước ( lít ) 150 244 0.498 0.856 195 200 293 0.479 0.846 195 250 341 0.461 0.835 195 300 390 0.438 0.829 195 350 450 0.406 0.846 200 400 465 0.419 0.819 186 Bảng I.1.1: Một số Mác bê tông cụ thể với xi măng PCB40. 1.3.2 Tính giãn nở của bê tông: Trong quá trình rắn chắc, bê tông thường phát sinh biến dạng thể tích, nở ra trong nước và co lại trong không 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 tông còn hiện tượng co ngót luôn kéo theo hậu quả xấu. Bê tông bị co ngót do nhiều nguyên nhân: trước hết là sự mất nước hoặc xi măng, quá trình Cacbon hoá Hyđroxit trong đá xi măng. Hiện tượng giảm thể tích tuyệt đối của hệ xi măng - nước. Co ngót là nguyên nhân gây ra nứt, giảm cường độ, chống thấm và để ổn định của bê tông, và bê tông cốt thép trong môi trường xâm thực. Vì vậy đối với những công trình có chiều dài lớn, để tránh nứt người ta đã phân đoạn để tạo thành các khe co dãn. Đồ án chuyên ngành tự động. GVHD: Thầy.Trần Quang Vinh Mô Hình Điều Khiển – Giám Sát Trạm Trộn Bê-tông Trang 10 1.3.3 Tính chống thấm của bê tông: Tính chống thấm của bê tông đặc trưng bởi độ thẩm thấu của nước qua kết cấu bê tông. Độ chặt của bê tông ảnh hưởng quyết định đến tính chống thấm của nó. Để tăng cường 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 nước, xi măng ở vị trí số tối thiểu. Ngoài ra để tăng tính chống thấm người ta còn trộn bê tông một số chất phụ gia. 1.3.4 Quá trình đông cứng của bê tông và biện pháp bảo quản: Quá trình đông cứng của bê tông phụ thuộc vào quá trình đông 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 tranh hiện tượng vữa xi măng bị đông cứng trước khi đổ thời gian từ lúc bê tông ra khỏi máy trộn đến lúc đổ xong 1 lớp bê tông (không có tính phụ gia) không quá 90' khi dùng xi măng pooclăng không quá 110', khi dùng xi măng pooclăng xỉ, tro núi lửa, xi măng pulơlan. 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. Thời gian vận chuyển cho phép của bê tông (không có phụ gia): Nhiệt độ ( 0C ) Thời gian vận chuyển ( phút ) 20 đến 30 45 10 đến 20 60 5 đến 10 90 Bảng I.1.2: Thời gian vận chuyển cho phép của bê tông ( không có phụ gia) Đồ án chuyên ngành tự động. GVHD: Thầy.Trần Quang Vinh Mô Hình Điều Khiển – Giám Sát Trạm Trộn Bê-tông Trang 11 CHƢƠNG 2: KHÁI QUÁT VỀ TRẠM TRỘN BÊ TÔNG 1. Giới thiệu chung: Hiện nay trên thị trường có hai loại tạm trộn chính: trạm trộn bê tông nhựa nóng và trạm trộn bê tông xi măng.  Trạm trộn bê tông nhựa nóng: Dùng để sản xuất bê tông từ hỗn hợp nhựa đường (hắc ín), đá, chất phụ gia…, nó được ứng dụng phổ biến trong xây dựng đường xá, các công trình giao thông, cầu, cảng… được rải lên bề mặt. Hình I.2.1: Trạm trộn bê tông nhựa nóng thực tế Đồ án chuyên ngành tự động. GVHD: Thầy.Trần Quang Vinh Mô Hình Điều Khiển – Giám Sát Trạm Trộn Bê-tông Trang 12  Trạm trộn bê tông xi măng: Ứng dụng rộng rãi trong đời sống hiện nay nhất là trong lĩnh vực xây dựng, bê tông được sản xuất từ hỗn hợp cát, đá, xi măng, nước, phụ gia. Hình I.2.2: Trạm trộn bê tông xi măng thực tế 2. Trạm trộn bê tông xi măng: 2.1 Giới thiệu 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 hoà trộn các thành phần: cát, đá, nước, phụ gia và xi măng tạo thành hỗn hợp bê tông xi măng. Một trạm trộn bê tông có các yêu cầu chung sau đây: - Đảm bảo trộn và cung cấp được nhiều mác bê tông với thời gian điều chỉnh nhỏ nhất. - Cho phép sản xuất được sản xuất được hai loại hỗn hợp bê tông khô hoặc ướt. - Hỗn hợp bê tông không bị tách nước hay bị phân tầng khi vận chuyển. Đồ án chuyên ngành tự động. GVHD: Thầy.Trần Quang Vinh Mô Hình Điều Khiển – Giám Sát Trạm Trộn Bê-tông Trang 13 - Trạm làm việc êm không ồn, không gây ô nhiểm môi trường. - Lắp dựng sửa chữa đơn giản. - Có thể làm việc ở hai chế độ là tự động hoặc bằng tay. 2.2 Phân loại: Có hai loại trạm trộn bê tông xi măng chính như sau:  Trạm trộn bê tông xi măng cấp liệu bằng băng tải.  Trạm trộn bê tông xi măng cấp liệu bằng gầu. 2.3 Cấu tạo chung trạm trộn bê tông xi măng: Mặc dù có hai loại trạm trộn bê tông xi măng tuy nhiên nhìn chung đều bao gồm các cụm và thiết bị sau:  Cụm cấp liệu.  Thiết bị định lượng (cát, đá, xi măng, nước và phụ gia).  Hệ thống điều khiển.  Thiết bị trộn- máy trộn.  Kết cấu thép. 2.3.1 Cụm cấp liệu:  Cấp cát đá lên thùng trộn bê tông. Việc cấp cát, đá cho trạm trộn có nhiều phương án khác nhau tuy nhiên tham khảo thực tế ta có hai phương án sau: a. Cấp liệu kiểu gầu  Nguyên lý: - Vật liệu đá, cát được tập kết ngoài bãi chứa liệu ở các ngăn riêng biệt, sau đóđược gầu cào đổ vào thiết bị định lượng , sau khi được định lượng vật liệu được xả vào skíp, từ skíp vật liệu đổ vào thùng trộn.  Ưu điểm: - Cấp liệu trực tiếp từ bãi chứa mà không qua thiết bị vận chuyển trunggian. - Diện tích mặt bằng cho toàn trạm không cần lớn lắm. Đồ án chuyên ngành tự động. GVHD: Thầy.Trần Quang Vinh Mô Hình Điều Khiển – Giám Sát Trạm Trộn Bê-tông Trang 14  Nhược điểm: - Vật liệu ở bãi chứa phải được vun cao cho đủ lượng dự trữ. - Việc cấp liệu cho máy trộn không liên tục. - Bãi chứa phải có vách ngăn phân chia vật liệu. - Với phương án này chỉ áp dụng cho trạm trộn có năng suất thấp b. Cấp liệu kiểu băng tải:  Nguyên lý: - Vật liệu (cát, đá) đựoc tập kết ngoài bãi sau đó được máy xúc gầu lật đổ vào bunke, thiết bị định lượng. Sau khi được định lượng đúng yêu cầu thì băng tải vận chuyển đổ vào thùng trộn.  Ưu điểm: - Cấp liệu cho máy trộn được liên tục. - Vật liệu ở bãi chứa không cần phải vun cao và không cần phải có tấm phân cách vật liệu.  Nhược điểm: - Việc cấp liệu cho băng tải phải có thiết bị chuyên dùng. - Khoảng cách giữa băng tải và thùng trộn tương đối lớn dẫn đến khả năng tiếp xúc của vật liệu với môi trường nhiều, sẽ gậy ô nhiễm môi trường nếu không được che chắn kỹ. - Phương án này áp dụng cho các trạm trộn có năng suất lớn. 2.3.2 Cấp xi măng: a. Dùng bằng gầu tả liệu:  Nguyên lý: - Xi măng từ bao bì nhỏ đổ vào phễu được băng gầu vận chuyển đổ vào xi lô nhỏ vào thiết bị định lượng, sau đó được xả vào thùng trộn. Đồ án chuyên ngành tự động. GVHD: Thầy.Trần Quang Vinh Mô Hình Điều Khiển – Giám Sát Trạm Trộn Bê-tông Trang 15  Ưu điểm: - Có thể cấp xi măng cho trạm với khối lượng nhỏ. - Kết cấu đơn giản , giá thành hạ.  Nhược điểm: - Do cấp xi măng từ bao bì nên gây ô nhiểm. - Năng suất vận chuyển thấp không thích hợp với trạm trộn có năng suấtcao. b. Dùng xi lô:  Nguyên lý: - Xi măng rời được vận chuyển bằng khí nén vào xiclô sau đó được vít tải vận chuyển đổ vào thiết bị định lượng trước khi vào thùng trộn.  Ưu điểm: - Không gây ô nhiểm môi trường. - Tiết kiệm được chi phí vận chuyển do nạp xi măng với khối lượng lớn.  Nhược điểm: - Khi cần nạp liệu với khối lượng nhỏ không thuận lợi. - Kết cấu phức tạp, giá thành đắt. - Phương pháp này được dùng phổ biến ở các trạm trộn bê tông. 2.3.3 Cấp nƣớc và phụ gia: Việc cấp nước và phụ gia hầu như điều dựa trên phương pháp cấp trực tiếp từ bồn chứa: nước và phụ gia từ bồn chứa theo đường ống xả xuống thiết bị định lượng và vào nồi trộn. Đồ án chuyên ngành tự động. GVHD: Thầy.Trần Quang Vinh Mô Hình Điều Khiển – Giám Sát Trạm Trộn Bê-tông Trang 16 2.3.4Thiết bị định lƣợng: a. Định lƣợng theo thể tích:  Nguyên lý: - Vật liệu được xả vào trong thùng chứa có thể tích phù hợp với thể tích vật liệu cho một mẻ trộn.  Ưu điểm: kết cấu đơn giản, giá thành hạ.  Nhược điểm: - Định lư