Hệ thống điều khiển máy trộn bê tông tự động

LỜI MỞ ĐẦU Trong sự nghiệp hiện đại hóa công nghiệp hóa đất nước thì vấn đề Tự động hóa quá trình sản xuất đóng vai trò hết sức quan trọng Mục tiêu của quá trình Tự Động Hóa là nhằm nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ , nâng cáo chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm , đồng thời cải thiện điều kiện lao động . Sự cạnh tranh hàng hóa đặt ra một vấn đề thời sự là làm sao để hệ thống tự động hóa sản xuất phải có tính linh hoạt cao nhằm đáp ứng sự biến động thường xuyên của thị trường hàng hóa cạnh tranh. Trong phần lớn các nhà máy, phân xưởng đều có góp mặt của tự động hóa. Trong các dây chuyền sản xuất, băng tải được sử dụng như một phương tiện vận chuyển hàng hóa, vật liệu một cách nhanh chóng và thuận tiện. Sử dụng hệ thống này độ an toàn cao. Nên chúng em dưới sự hướng dẫn và giúp đỡ của cô Tống Thị Lý đã thực hiện đề tài: “Hệ thống điều khiển máy trộn bê tông tự động ”. Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài, chúng em sẽ không tránh khỏi những thiếu sót về kiến thức và sự hiểu biết của mình, kính mong thầy cùng các bạn sinh viên giúp chúng em hoàn thiện tốt hơn. MỤC LỤC MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Mô tả về mô hình hệ thống trộn nhiên liệu tự động 5 Hình 2: Loadcell Cảm biến lực H8C – Zemic 11 Hình 3 . Modul cảm biến hồng ngoại . 12 Hình 4: PLC S7-200 CPU 224 13 Hình 5: Module EM235 14 PHÂN TÍCH CÔNG NGHỆ VÀ LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN Sơ đồ gồm: (1): Thùng chứa cát (2): Thùng chứa đá (3): Băng tải chở cát (4): Băng tải chở đá (5): Thùng chứa ximăng (6): Ruột gà chứa ximăng (7): Thùng cân cát đá (8): Thùng cân ximăng (9): Thùng trộn (10): Thùng chứa vữa (11): Van điện từ để đóng mở thùng cân cát đá (12): Van điện từ để đóng mở thùng cân ximăng (13): Van điện từ để đóng mở thùng trộn Hình 1: Mô tả về mô hình hệ thống trộn nhiên liệu tự động 1.1 Phân tích công nghệ . a. Khởi động hệ thống. Khởi động hệ thống , nhấn nút ấn Start , đèn báo hệ thống hoạt động được bật. Chương trình sẽ kiểm tra thùng trộn (9) bằng cảm biến gắn dưới đáy thùng trộn, nếu còn nguyên liệu trong thùng trộn, sẽ mở van (13) xả hết nhiên liệu trong thùng trộn ra, sau khi xả hết van (13) đóng lại, động cơ băng tải (3) khởi động. Còn trường hợp nhấn nút Start mà thùng trộn 9 rỗng ,động cơ vận hành băng tải (3) được khởi động đưa nguyên liệu cát vào thùng cân (7), đạt mức 200Kg thì dừng lại, khởi động băng tải (4) đưa đá vào thùng cân với mức 300kg. Van điện từ (11) được điều khiển mở thùng cân cát đá đưa hỗn hợp cát đá vào thùng trộn (9) và ruột gà chứa ximăng (6) được khởi động đưa ximăng vào thùng cân ximăng (8). Khi hết hỗn hợp cát đá van (11) điều khiển xilanh đóng lại chuẩn bị cho chu trình tiếp theo. Khi cân được 100kg ximăng thì (6) dừng lại đồng thời van (12) mở cửa thùng cân ximăng, ximăng được đưa vào thùng trộn (9). Khi hết ximăng trong thùng (8), van (12) điều khiển xilanh đóng cửa thùng cân (8) chuẩn bị cho chu trình tiếp theo đồng thời khởỉ động động cơ trộn. Sau một thời gian trộn t1, động cơ bơm nước (14) được khởi động đưa nước vào thùng trộn. Sau thời gian t2 động cơ bơm nước ngừng hoạt động . Sau t3, dừng động cơ trộn, van (13) điều khiển xilanh mở cửa thùng trộn đưa vữa vào thùng vữa chính (10). Khi hết vữa trong thùng trộn , cảm biến gắn ở dưới đáy thùng trộn (9) sẽ phát hiện, van (13) điều khiển đóng cửa thùng trộn chuẩn bị cho chu trình làm việc sau. b. Dừng hệ thống Khi hệ thống đang hoạt động nhấn nút dừng Stop , thì hệ thống sẽ hoàn thành hết một chu trình làm việc rồi mới dừng . Đèn báo hệ thống hoạt động ở chế độ dừng sẽ chớp tắt với chu kỳ 1s , cho tới khi hệ thống thực hiện song một chu trình làm việc thì mới kết thúc chớp tắt và sáng luôn . Khi chương trình dừng đèn báo khởi động sẽ tắt . Để khởi động lại hệ thống thì nhấn lại nút Start . c. Dừng khẩn cấp Khi vận hành 1 hệ thống tự động thì sự cố là điều không thể tránh khỏi, chúng ta cần ta cần phải tìm ra nguyên nhân cũng như cách khắc phục sự cố. Đối với bất cứ một hệ thống tự động nào việc đầu tiên sau khi phát hiện có sự cố là dừng hệ thống đó lại. Nhấn nút dừng khẩn cấp , hệ thống sẽ dừng lại ngay. Để khởi động lại hệ thống , nhấn nút khởi động Start. 1.2 Lưu đồ thuật toán Lưu đồ thuật toán của hệ thống điều khiển trộn bê tông tự động được chia làm 3 lưu đồ . Vì PLC hoạt động theo chu trinh quét : Đọc trạng thái ngõ vào - Thực hiện theo logic điều khiển trong chương trình – xử lý các yêu cầu truyền thông – xuất tín hiệu ra các ngõ ra . Nên 3 lưu đồ này sẽ hoạt động đồng thời trong chương trình của PLC S7-200. + Lưu đồ thuật toán khởi động chương trình. + Lưu đồ thuật toán đọc giá trị trọng lượng từ cảm biến Loadcell. + Lưu đồ thuật toán dừng chương trình a. Lưu đồ thuật toán khởi động chương trình b. Lưu đồ thuật toán đọc analog. c. Lưu đồ thuật toán dừng hệ thống. TÍNH CHỌN THIẾT BỊ CHO HỆ THỐNG 2.1 Cảm biến trọng lượng Loadceel Hình 2: Loadcell Cảm biến lực H8C – Zemic Theo yêu cầu đề tài và yêu cầu kỹ thuật, nhóm quyết định chọn Loadcell Cảm biến lực H8C – Zemic để đo trọng lượng của nguyên liệu trong các thùng cân . Sau đây là một số thông số của cảm biến Loadcell. + Loadcell dạng thanh H8C có các tải trọng: 500kg, 1 tấn, 1.5 tấn, 2 tấn, 2.5 tấn, 3 tấn, 5 tấn, 10 tấn. + Độ chính xác cao, đạt tiêu chuẩn OIML R60 C3. + Cấu tạo bằng hợp kim thép, chống nước, chống ăn mòn, thích hợp với các loại môi trường. + Dễ dàng lắp đặt cho cân sàn điện tử, cân phễu, cân có tải trọng nặng. + Loadcell H8C có khả năng chống cháy nổ. Thông số kỹ thuật: + Điện áp biến đổi : (2 ± 0.002 ) mV/V. + Sai số lặp lại : (≤ ± 0.01) %R.O. + Độ trễ : ≤ ± 0.02 ( ≤ ± 0.03 cho 30 tấn) %R.O. + Sai số tuyến tính: ( ≤ ± 0.02 (≤ ± 0.03 cho 30 tấn) %R.O. + Quá tải (30 phút) : ( ≤ ± 0.02 ) %R.O. + Cân bằng tại điểm : (“0″ ≤ ± 1) %R.O. + Bù nhiệt : ( -10 ~ +40) °C. + Nhiệt độ làm việc: (-20 ~ +60) °C. + Nhiệt độ tác động đến tín hiệu ra: (≤ ± 0.002 )%R.O/°C. + Nhiệt độ tác động làm thay đổi điểm “0″ : (≤ ± 0.002 ) %R.O/°C. + Điện trở đầu vào : (381 ± 4) Ω. + Điện trở đầu ra : (350 ± 1) Ω. + Điện trở cách điện: ≥ 5000 (ở 50VDC) MΩ. + Điện áp kích thích: 6 ~ 15 (DC/AC) V. + Điện áp kích thích tối đa : 20 (DC/AC) V. +Quá tải an toàn: 150 %. + Quá tải phá hủy hoàn toàn: 300%. + Tuân thủ theo tiêu chuẩn: IP67. + Chiều dài dây tín hiệu: 4m cho 0.5-3 tấn , 6m cho 5, 10 tấn, 9.5m cho 20, 30 tấn. + Màu sắc dây : Đỏ , Đen , Xanh , Trắng. + Phương thức định lượng : cảm biến lực (load cell). 2.2 Cảm biến hồng ngoại Sử dụng modul cảm biến hồng ngoại để phát hiện trong thùng trộn (9) có chứa nguyên liệu . Cảm biến gắn ở đáy thùng khi có nguyên liệu trong thùng thì cảm biến sẽ tác động . Hình 3 . Modul cảm biến hồng ngoại . Các thông số của modul cảm biến : + Điện áp hoạt động 12V + Dòng điện hoạt động 28mA +Dòng đóng tiếp điểm của role 70mA +Kích thước PCB : 58mm x44mm +Khoảng cách phát hiện vật cản : <30cm +Trễ điều khiển 0-40s và điều chỉnh được. 2.3 Tính chọn PLC và Modul mở rộng a. Tính chọn PLC Theo yêu cầu đề tài, nhóm quyết định chọn PLC S7-200 CPU 224 để thực hiện đề tài này. Hình 4: PLC S7-200 CPU 224 Thông số kỹ thuật: + Kích thước : 120.5 x 80 x 62. + Bộ nhớ chương trình: 8192 bytes. + Bộ nhớ dữ liệu: 8192 bytes. + Thời gian lưu dữ liệu 100 giờ. + Ngõ vào ra số :14 In/10 Out. + Ngõ vào ra tương tự: 2 In/1 Out. + Module mở rộng :7. + Bộ đếm tốc độ cao : 30kHz cho 1 pha 6, 20kHz cho 2 pha 4. + Xuất xung tốc độ cao: 2 x 20KHZ. + Truyền thông : 1xRS485. + Số lượng I/O tối đa : 128 in, 128 out. + Tốc độ thực thi lệnh : 0.22 micro giây/lệnh. b. Tính chọn modul mở rộng i Hình 5: Module EM235 Do PLC S7-200, CPU224 không được thiết kế có ngõ vào analog để đọc điện áp từ cảm biến trọng lượng Loadcell, nên phải sử dụng thêm một modul mở rộng analog modul EM235. Thông số kỹ thuật của modul EM235 như sau: + 4 ngõ vào tương tự +/-10VCD, 1 ngõ ra tương tự +/-10V 12 Bit + 4 ngõ vào tương tự +/-10VCD, 1 ngõ ra tương tự +/-10V 12 Bit + Dải đầu vào/trở kháng đầu vào: 0 đến 50 mV; 0 đến 100 mV; 0 đến 500 mV; 0 đến 1V 0 đến 5 V; 0 đến 10 V; 0 đến 20 mA; +/- 25 mV; +/- 50 mV;+/- 100 mV; +/- 200 mV; +/- 500 mV; +/- 1 V; +/- 2.5 V; +/-5 V; +/- 10V + Thời gian biến đổi tương tự sang số: <250us + Số đầu ra tương tự : 1 + Dải đầu ra: Dòng: 0 đến 20 mA. Áp : -10 đến +10 V + Độ phân giải: Đầu ra áp: 12 bit. Đầu ra dòng: 11 bit + Dải giá trị biến đổi: Tín hiệu đơn cực: 0 đến 32 000. Tín hiệu hai cực: - 32000 đến + 32000 + Công suất: 2W XÁC ĐỊNH VÀ PHÂN CÔNG I/O Bảng phân công I/O, PLC s7-200 CPU224 và modul mở rộng EM235 Địa chỉ Ký hiệu Chú thích I0.0 Nút bấm Start , thường hở (NC) I0.1 Nút bấm Stop , thường hở (NO) I0.2 Cảm biến báo dung lượng thùng trộn 9(NC) I0.3 Nút bấm Stop khẩn cấp , thường hở (NO) Q0.0 Động cơ băng tải 3 Q0.1 Động cơ băng tải 4 Q0.2 Động cơ băng tải 6 Q0.3 Van 11 Q0.4 Van 12 Q0.5 Van 13 Q0.6 Động cơ máy bơm nước Q0.7 Động cơ máy trộn Q1.0 Đèn báo hệ thống đang hoạt động Q1.1 Đèn báo hệ thống dừng A+ , A- Cảm biến trọng lượng thùng 7 ( ngõ vào EM235) B+, B- Cảm biến trọng lượng thùng 8( ngõ vào EM235) THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN 4.1 Thiết kế sơ đồ mạch lực Hệ thống trộn bê tông sử dụng các động cơ 3 pha và 1 pha cho băng tải , máy trộn ,và máy bơm nước , cụ thể như sau: + Băng tải 3 , 4, 6 và động cơ máy trộn sử dụng động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc. + Động cơ máy bơm nước M5 sử dụng động cơ điện 1 pha. 4.2 Thiết kế sơ đồ mạch điều khiển a. Mạch kết nối Loadcell với modul EM235 Loadcell sẽ chuyển hóa tín hiệu vật lý (trọng lượng) sang tín hiệu điện áp . Tín hiệu điện áp này rất nhỏ ta có thể khuếch đại điện áp này trước khi đưa vào EM235 để đọc analog, nhờ vào bộ khuếch đại TW-35-023 , hoặc không cần sử dụng cũng được vì dải do của EM235 có rất nhiều các nấc để ta chọn. b. Mạch điện kết nối CPU-224 Mạch điện kết nối CPU-224 với ngõ vào là các nút nhấn và cảm biến và ngõ ra kết nối với các rơ le trung gian , kết nối giữa CPU-224 và modul mở rộng EM235. c. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VỚI PLC S7-200 GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN MÔ PHỎNG BẰNG PC - SIMU KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO Phạm Thị Thanh Loan; “Thiết kế hệ thống điều khiển tự động”; Microsoft PowerPoint; 2014. Thái Duy Thức, Phan Minh Tạo; “Thiết kế truyền động điện tự động”; Nhà xuất bản giao thông vận tải; 2000. Nguyễn Phùng Quang; “Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha”; Nhà xuất bản giáo dục; 1996.