Hệ thống cân định lượng
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU PHẦN 1: Tổng quan về đề tài Chương 1: Giới thiệu hệ thống cân định lượng Chương 2: Thiết bị Chương 3: Giới thiệu PLC S7 300 Chương 4: Tổng quan hệ thống SCADA phần mềm WINCC PHẦN 2: Mô phỏng và lập trình Chương 1: Mô phỏng WINCC Chương 2: Lập trình PLC Page 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG LỜI NÓI ĐẦU Trong quá trình sản xuất tại các nhà máy, khu công nghiệp tập trung hiện nay khâu định lượng vô cùng quan trọng. Khâu định lượng giúp xác định chính xác khối lượng nguyên vật liệu, thành phẩm và bán thành phẩm tronng sản xuất. Các thiết bị định lượng có mặt trong hầu hết các khâu trong hệ thống, công đoạn sản xuất: cung ứng tồn trữ nguyên vật liệu, cấp liệu cho từng giai đoạn, cân và đóng gói sản phẩm… Tự động điều khiển giám sát các quá trình sản xuất nói chung và cân định lượng nói riêng là một trong những ưu tiên hàng đầu của cac doanh nghiệp nhằm nâng cao năng suất hạ giá thành sản phẩm, giảm chi phí hoạt động tăng cường khả năng cạnh tranh trong quá trình hội nhập hiện nay. Những ứng dụng và lợi ích của hệ thống cân định lượng là rất lớn vì vậy em đã lựa chọn để tài “ thiết kế hệ thống cân định lượng”. Thông qua những tìm hiểu của em về hệ thống cân định lượng còn nhiều thiếu sót mong nhận được sự đánh giá và góp ý của thầy cô. Em xin trân thành cảm ơn ! Hà nội, ngày tháng năm 2014 Page 2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG 1.1 Giới thiệu chung Cùng với sự phát triển kinh tế, sự mở rộng sản xuất công nghiệp ứng dụng của hệ thống cân định lượng ngày càng lớn. Yêu cầu cho hệ thống ngày càng đòi hỏi độ chình xác cao, sản lượng lớn. Những ứng dụng của hệ thống cân định lượng là rất nhiều, em đã chon cân định lượng trong khâu định lượng bán thành phẩm nhà máy sản xuất thức ăn chăn nuôi là hướng tìm hiểu sâu về đề tài của mình. 1.1.1Sản xuất thức ăn chăn nuôi Thức ăn chăn nuôi là một nhân tố quan trọng trong phát triển chăn nuôi. Ở nước ta hiện nay đã và đang sử dụng thức ăn chăn nuôi hỗn hợp công nghiệp bên cạnh sử dụng thức ăn chăn nuôi truyền thống. Thức ăn công nghiệp cần sản xuất tại các nhà máy thức ăn chăn nuôi quy mô lớn với hệ thống tự động hóa trong đó có hệ thống cân tự động trong phối trộn nguyên liệu thức ăn. Việc áp dụng cân định lượng trong khâu sản xuất giúp giảm lao động , nâng cao hiệu quả, giảm chi phí sản xuất hạ giá thành sản phẩm chăn nuôi. Thức ăn chăn nuôi gồm nhiều thành phần với tỷ lệ khác nhau vì vậy cân định lượng cần đảm bảo tính chính xác và hiệu quả. Page 3 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG 1.1.2 SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ Page 4 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ 2.1. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ CHỈ THỊ KHỐI LƯỢNG: Thiết bị chỉ thị khối lượng (đầu cân) có nhiều loại, do nhiều hãng sản xuất khác nhau. Tuỳ mỗi loại và yêu cầu cho từng công việc mà đầu cân có nhiều chức năng khác nhau. Tuy nhiên các chức năng cơ bản của một đầu cân vẫn là lấy tín hiệu điện áp từ loadcell, biến đổi A/D, xử lý và hiển thị khối lượng cân được ra đèn Led 7 đoạn hoặc màn hình tinh thể lỏng, có thể truyền dữ liệu về máy tính hoặc ra máy in. Ngoài ra còn có các chức năng như “Auto Zero”, “Tare”, “Clear”,… Để thực hiện các chức năng như trên với độ chính xác cao, đầu cân phải có một bộ nguồn chuẩn ổn định cấp cho loadcell và A/D. Thông thường A/D sử dụng là loại 16 bits hoặc cao hơn sẽ cho độ phân giải là lớn hơn một phần 65536 (216) và như vậy độ chính xác sẽ rất cao. Ngoài bộ vi xử lý đủ mạnh, đầu cân nhất thiết phải có bộ nhớ để lưu trữ số liệu sau khi cân chỉnh. Ngoài ra tuỳ theo yêu cầu của trạm cân mà có thể có thêm thiết bị hiển thị từ xa hay không. Sau đây giới thiệu hình ảnh một số đầu cân và thiết bị hiển thị từ xa trong thực tế : Page 5 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG Hình 2.1: Giới thiệu hình ảnh một số loại đầu cân có trong thực tế 2.1.1. Đặc điểm đầu cân BDI –9301: - Điều chỉnh hoàn toàn dùng kỹ thuật số làm cho việc chỉnh điểm 0 và định bước cân (span) trở nên dễ dàng. Không cần phải nạp và xoá trọng lượng đặt một cách liên tục. - Có 16 hàm chức năng được điều chỉnh thông qua 16 phím nhấn. Có thể sử dụng cho rất nhiều ứng dụng cân tĩnh cũng như cân động. - Cho phép khởi động lại các giá trị mặc định tạo bởi nhà sản xuất khi có sự cố đối với hoạt động bình thường. - Chức năng kiểm tra hệ thống sẽ kiểm tra từng bộ phận của hệ thống để bảo đảm hoạt động đúng. - Hai chương trình chứa các giá trị như: Final Weight (SETPOINT), Upper Limit (HI), Lower Limit (LO), Preliminary Weight (PRELIM) và tầm bù rơi tự do (FreeFall) có thể được lưu trữ. 2.1.2. Giải thích cách chỉnh cân: - Chỉnh độ phân giải: Khối lượng hiển thị lên màn hình thì dựa vào độ phân giải này. Đây là khoảng thay đổi nhỏ nhất mà thiết bị có thể nhận biết được. Ví dụ nếu đặt độ phân giải nhỏ nhất là 1 thì thiết bị sẽ hiển thị cách nhau 1 đơn vị như là 101, 102, 103.… Nếu độ phân giải nhỏ nhất là 2 thì sẽ hiển thị 100, 102, 104… Có thể lựa chọn độ phân giải này là 1, 2, 5, 10, 20 hay 50 và được giới hạn theo khối lượng tối đa được cho trong catalogue của BDI-9301. - Chỉnh Zero: Đây là cách chỉnh khi trên bàn không có vật cần cân. Thực hiện việc này là để BDI-9301 biết được một giá trị cơ sở để so sánh với khối lượng thêm vào. Có thể phải chỉnh Zero theo một chương trình thường xuyên để tránh ảnh hưởng của việc thay đổi theo nhiệt độ hay các ảnh hưởng khác. - Khối lượng tối đa: Đây là cách chỉnh khối lượng lớn nhất mà người sử dụng muốn cân. Điều này phụ thuộc vào tải trọng của loadcell hay là những giới hạn khác mà người dùng đặt. Độ phân giải sẽ phụ thuộc vào khối lượng lớn nhất này. Page 6 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG - Cân chỉnh bước cân (Span Calibration): Với việc chỉnh Zero nhằm mục đích đặt giá trị ban đầu là không, cân chỉnh bước cân là xác định điểm giới hạn mà có thể cân được (khối lượng lớn nhất). Điều này là để cho BDI-9301 biết hai đầu mút mà có thể cân được chính xác. BDI-9301 sẽ tính toán giá trị cân được nếu khối lượng cần cân nằm trong hai giới hạn này. Tuy nhiên, trong thực tế có thể dùng các khối lượng chuẩn để cân chỉnh cho việc này mà không nhất thiết phải dùng khối lượng tối đa (nhưng khối lượng chuẩn càng gần giới hạn lớn nhất thì cho kết quả càng chính xác). - Sở dĩ cần cân chỉnh Zero là để A/D đọc giá trị sai lệch điện áp ban đầu khi không có vật gì ở trên bàn cân. Chỉnh bước cân là cho A/D biết được giá trị điện áp ứng với một khối lượng chuẩn đặt lên bàn cân. Từ đó, bộ xử lý sẽ lấy hiệu số hai giá trị điện áp này và chia khối lượng chuẩn để ra một hệ số tương ứng cho mỗi đơn vị cân và lưu các giá trị này vào bộ nhớ. Khi có khối lượng cần cân, bộ xử lý sẽ đọc giá trị điện áp và trừ đi điện áp ở trạng thái Zero rối chia cho hệ số đã lưu trước đó sẽ ra được khối lượng cần cân. Ngoài ra, khi cần chỉnh cho đầu cân nếu điện áp ngõ ra loadcell quá lớn lúc chỉnh Zero thì thêm một điện trở giữa EXC+ và SIG- của Loadcell như hình 2.2a. Hoặc ngược lại nếu tín hiệu ra của Loadcell quá nhỏ (lệch âm) khi cân chỉnh Zero thì trong trường hợp này phải mắc thêm một điện trở phụ giữa EXC+ và SIG+ như trong hình 2.2b. Các điện trở mắc thêm này phải có giá trị điện trở lớn (thường là từ 50KΩ đến 500KΩ); có chất lượng cao và có hệ số nhiệt thấp. Các lỗi khi cân chỉnh trên đây và một số lỗi khác sẽ được báo lên màn hình và cách xử lý đã được hướng dẫn trong “Operation Manual” của BDI-9301. Hình 2.2: Sơ đồ chỉnh điện áp đầu cân ngõ ra loadcell Page 7 R1 R2 R4 R3 V + - Zm ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG 2.2. GIỚI THIỆU VỀ LOADCELL 2.2.1. Lý thuyết về loadcell: Cảm biến lực dùng trong việc đo khối lượng được sử dụng phổ biến là loadcell. Đây là một kiểu cảm biến lực biến dạng. Lực chưa biết tác động vào một bộ phận đàn hồi, lượng di động của bộ phận đàn hồi biến đổi thành tín hiệu điện tỉ lệ với lực chưa biết. Sau đây là giới thiệu về loại cảm biến này. Bộ phận chính của loadcell là những tấm điện trở mỏng loại dán. Tấm điện trở là một phương tiện để biến đổi một biến dạng nhỏ thành sự thay đổi tương ứng trong điện trở. Một mạch đo dùng các miếng biến dạng sẽ cho phép thu được một tín hiệu điện tỉ lệ với mức độ thay đổi của điện trở. Mạch thông dụng nhất sử dụng trong loadcell là cầu Wheatstone. - Nguyên lý: Cầu Wheatstone là mạch được chọn dùng nhiều nhất cho việc đo những biến thiên điện trở nhỏ (tối đa là 10%), chẳng hạn như việc dùng các miếng đo biến dạng. Phần lớn các thiết bị đo đạc có sẵn trên thị trường đều không ít thì nhiều dùng phiên bản của cầu Wheatstone đã được sàng lọc. Như vậy, việc tìm hiểu nguyên lý cơ bản của loại mạch này là một điều cần thiết. Page 8 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG Cho một mạch gồm bốn điện trở giống nhau R1, R2, R3, R4 tạo thành cầu Wheatstone như trên hình trên. Đối với cầu Wheatstone này, bỏ qua những số hạng bậc cao, hiệu thế đầu ra Em thông qua thiết bị đo với trở kháng Zm sẽ là: Em = ] 4 4 3 3 2 2 1 1 [ )1(4 R R R R R R R R Zm R V ∆ − ∆ + ∆ − ∆ + (V) Với: - Ġ là biến đổi đơn vị của mỗi điện trở Ri - R là điện trở danh nghĩa ban đầu của các điện trở R1, R2, R3, R4 (thường là 120 ohms, nhưng có thể là 350 ohms dành cho các bộ cảm biến). - V là hiệu thế nguồn. Điện thế nguồn có thể thuộc loại liên tục với điều kiện là dùng một nguồn năng lượng cung cấp thật ổn định. Các thiết bị trên thị trường đôi khi lại dùng nguồn cung cấp xoay chiều. Trong trường hợp đó phải tính đến việc sửa đổi mạch cơ bản để có thể giải điều chế thành phần xoay chiều của tín hiệu. Trong phần lớn các trường hợp, Zm rất lớn so với R (ví dụ như Volt kế số, bộ khuếch đại với phần nối trực tiếp) nên biểu thức trên có thể viết lại là: Em = ] 4 4 3 3 2 2 1 1 [ 4 R R R R R R R RV ∆ − ∆ + ∆ − ∆ (V) Phương trình trên cho thấy là sự biến đổi đơn vị điện trở của hai điện trở đối mặt nhau, ví dụ là R1 và R3, sẽ là cộng lại với nhau trong khi tác động của hai điện trở kề bên nhau, ví dụ là R1 và R2, lại là trừ khử nhau. Đặc tính này của cầu Wheatstone thường được dùng để bảo đảm tính ổn định nhiệt của các mạch miếng đo và cũng để dùng cho các thiết kế đặc biệt . 2.2.2. Một số Loadcell thực tế: Có nhiều loại loadcell do các hãng sản xuất khác nhau như KUBOTA (của Nhật), Global Weighing (Hàn Quốc), Transducer Techniques. Inc, Tedea – Huntleigh Mỗi loại loadcell được chế tạo cho một yêu cầu riêng biệt theo tải trọng chịu đựng, chịu lực kéo hay nén. Tùy hãng sản xuất mà các đầu dây ra của loadcell có màu sắc khác nhau. Các màu sắc này đều được cho trong bảng thông số kỹ thuật khi mua từng loại loadcell. Trong thực tế còn có loại loadcell sử dụng kỹ thuật 6 dây cho ra 6 đầu dây. Sơ đồ nối dây của loại loadcell này có thể có hai dạng như sau: Page 9 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG a. Dạng nối dây1 b.Dạng nối dây 2 Hình 2.4: Các dạng nối dây của loadcell Như vậy, thực chất loadcell cho ra 6 dây nhưng bản chất vẫn là 4 dây vì ở cả hai cách nối ta tìm hiểu ở trên thì các dây +veInput (Exc+) và +veSense (Sense+) là nối tắt, các dây -veInput (Exc-) và -veSense (Sense-) là nối tắt. Có nhiều kiểu hình dạng loadcell cho những ứng dụng khác nhau. Do đó cách kết nối loadcell vào hệ thống cũng khác nhau trong từng trường hợp. Thông số kỹ thuật của từng loại loadcell được cho trong catalogue của mỗi loadcell và thường có các thông số như: tải trọng danh định, điện áp ra danh định (giá trị này có thể là từ 2 miliVolt/Volt đến 3 miliVolt/Volt hoặc hơn tuỳ loại loadcell), tầm nhiệt độ hoạt động, điện áp cung cấp, điện trở ngõ ra, mức độ chịu được quá tải (Với giá trị điện áp ra danh định là 2miliVolt/Volt thì với nguồn cung cấp là 10 Volt thì điện áp ra sẽ là 20 miliVolt ứng với khối lượng tối đa). Tuỳ ứng dụng cụ thể mà cách chọn loại loadcell có thông số và hình dạng khác nhau. Hình dạng loadcell có thể đặt cho nhà sản xuất theo yêu cầu ứng dụng riêng. Sau đây là hình dạng của một số loại loadcell có trong thực tế. Page 10 [...]... EEPROM pin Khối vào ra Nguồn CPU bộ vi xử lý Clock Bộ đệm Bộ đệm Bus địa chỉ Bus hệ thống vào/ra Mạch chốt Bộ đệm Mạch giao tiếp Mạch cách ly Mạch cách ly Kênh ngõ vào Page 12 Kênh ngõ ra Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc bên trong PLC Panel lập trình ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG Page 13 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG 3.1.2 Bộ nguồn: Bộ nguồn cung cấp điện cho PLC hoạt động, việc chọn bộ nguồn... tương tự của module Page 21 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG Tuy nhiên miền địa chỉ PI và PQ lại được cung cấp nhiều hơn là số các cổng vào/ra tương tự có thể có của một trạm Điều này tạo khả năng kết nối các cổng vào/ra số với những địa chỉ dôi ra đó trong PI/PQ giúp chương trình ứng dụng có thể truy nhập trực Page 22 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG tiếp các module DI/DO mở rộng để có... lồng nhau vượt quá con số giới hạn cho phép, PLC sẽ chuyển sang chế độ STOP và đặt cờ báo lỗi Page 24 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG Process image input table (I) Hình 3.9: Lập trình có cấu trúc Chương trình ứng dụng (user program) Page 25 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG 3.1.8 Bộ thời gian (Timer): Bộ thời gian là bộ tạo thời gian trễ τ mong muốn giữa tín hiệu logic đầu vào u(t) và... chương trình này trao đổi tham trị với hệ điều hành và với các khối chương trình khác (Local Block) Tại một thời điểm nhất định vùng Work memory chỉ chứa một khối chương trình Sau khi khối chương trình đó được thực hiện xong thì hệ điều hành sẽ xoá nó khỏi Work memory và nạp vào đó khối chương trình kế tiếp đến lược thực hiện Page 19 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG VÒNG QUÉT Chuyển dữ liệu từ cổng... THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG này phân biệt với các loại module khác bằng cụm từ DP (Distributed Port) như là module CPU315-DP 3.1.3.2 Module mở rộng: Thiết bị điều khiển khả trình SIMATIC S7-300 được thiết kế theo kiểu module Các module này sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau Việc xây dựng PLC theo cấu trúc module rất thuận tiện cho việc thiết kế các hệ thống gọn nhẹ và dễ dàng cho việc mở rộng hệ thống Số... thời gian vòng quét (Scan time) Thời gian vòng quét không cố định, không phải vòng quét nào cũng thực hiện trong một khoảng thời gian như nhau Mà tuỳ thuộc vào số lệnh trong chương trình được thực hiện, vào khối lượng dữ liệu được truyền thông trong vòng quét đó Hình 3.6: Vòng quét chương trình Page 20 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG Như vậy, việc đọc dữ liệu từ đối tượng để xử lý, tính toán... là rack Trên mỗi rack có nhiều nhất là 8 module mở rộng (không Page 15 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG kể module CPU, module nguồn nuôi) Một module CPU S7-300 có thể làm việc trực tiếp với nhiều nhất 4 rack và các rack này phải được nối với nhau bằng module IM Các module ghép nối (IM) cho phép thiết lập hệ thống S7_300 theo nhiều cấu hình S7-300 cung cấp 3 loại module ghép nối sau: - IM 360:... ứng dụng (do người sử dụng viết) bao gồm tất cả các khối chương trình ứng dụng OB, FC, FB, các khối chương trình trong thư viện hệ thống được sử dụng (SFC, SFB) và các khối dữ liệu DB Page 18 Data block register Status word DI (instance) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG Status System memory: Là vùng nhớ chứa các bộ đệm vào/ra số (Q, I), các biến cờ (M), thanh Hình 3.5: Phânghi T-Word,ôPV, T-bit... dữ liệu đến PC Máy Chương trình tính nhận dữ liệu từ PLC gử đến và nó sẽ thông báo cho PLC biết là đã nhận được dữ Hệ điều hành liệu Yêu cầu Dữ liệu Hệ điều hành Đáp ứng Chương trình Page 33 Dữ liệu Bộ chuyển đổi tín hiệu (Card MPI) Đọc Bộ nhớ dữ liệu ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG Hình 3.14: Mô tả PC đọc thông tin về bộ nhớ và trạng thái hoạt động của PLC + Máy tính gửi dữ liệu đến PLC: Để... rồi ấn phím OK Khai báo một Project mới Mở một Project đã có Ngoài ra ta còn có thể chọn nơi Project sẽ được cất lên đĩa Mặc định, nơi cất sẽ là thư mục đã được quy định khi cài đặt Step7, ở đây là thư mục c:\siemens\step7\s7proj Page 35 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG Các Project đã có trong đĩa Nơi Project sẽ được lưu giữ trong đĩa Sau khi khai báo xong một Project mới, trên màn hình sec . gian cần thiết để PLC thực hiện được một vòng quét gọi là thời gian vòng quét (Scan time). Thời gian vòng quét không cố định, không phải vòng quét nào cũng thực hiện trong một khoảng thời gian. hỏi CPU phải có tốc độ xử lý nhanh để có thể mô phỏng các hiện tượng logic vật lý xảy ra nhanh trong thế giới thực, CPU có tần số nhịp càng cao thì xử lí càng cao. Tuy nhiên tốc độ cũng bị ảnh. (M), thanh ghi T-Word, PV, T-bit của Timer, thanh ghi C-Word, PV, C-bit của Counter. Work memory: Là vùng nhớ chứa các khối DB đang được mở, khối chương trình (OB, FC, FB, SFC hoặc SFB) đang được