Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ điều khiển trạm trộn bê tông trên cơ sở ứng dụng công nghệ nhúng

BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN MÁY VÀ DỤNG CỤ CÔNG NGHIỆP BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI MÃ SỐ : 140.11 RD/HĐ-KHCN Tên đề tài: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ ĐIỀU KHIỂN TRẠM TRỘN BÊ TÔNG TRÊN CƠ SỞ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ NHÚNG Hà nội, tháng 11/2011 CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI Ths. NGUYỄN HOÀI ANH CƠ QUAN CHỦ TRÌ TS. NGUYỄN ĐỨC MINH 9068 2 DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN ĐỀ TÀI STT Họ và tên Học vị, học hàm, chuyên môn Cơ quan 1 Nguyễn Hoài Anh Thạc sỹ kỹ thuật Chủ nhiệm đề tài Viện máy và DCCN 2 Lê Hoàng Hải Kỹ sư TĐH Viện máy và DCCN 3 Nguyễn Trung Kiên Kỹ sư TĐH Viện máy và DCCN 4 Nguyễn Hữu Vĩnh Kỹ sư tin học Viện máy và DCCN 5 Nguyễn Văn Thoại Kỹ sư TĐH Viện máy và DCCN 6 Nguyễn Trí Đồng Kỹ sư TĐH Viện máy và DCCN 7 Đào Nhật Minh Kỹ sư TĐH Viện máy và DCCN 8 Dương Văn Nghĩa Kỹ sư TĐH Viện máy và DCCN 9 Nguyễn Chí Cường Thạc sỹ tin học Viện máy và DCCN 3 BÁO CÁO TÓM TẮT TÌNH HÌNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP BỘ NĂM 2011 1. Tên đề tài: “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ điều khiển trạm trộn bê tông trên cơ sở ứng dụng công nghệ nhúng “ 2. Chủ nhiệm đề tài: Ths Nguyễn Hoài Anh 3. Thời gian thực hiện đề tài: từ 01/01/2011 đến 31/12/2011 4. Nội dung và kết quả đạt được: Sau thời gian nghiên cứu và triển khai thực hiện đề tài nhóm nghiên cứu đã thực hiện được các công việc sau: ¾ Thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển và động lực cho trạm trộn bê tông trên cơ sở hệ thống điều khiển nhúng phù hợp với điều kiện Việt Nam. ¾ Xây dựng phần mềm điều khiển nhúng cho trạm tr ộn bê tông tự động phù hợp với điều kiện Việt Nam đạt tiêu chuẩn Quốc tế trên cơ sở thiết bị phần cứng đã lựa chọn. ¾ Xây dựng qui trình chế tạo và lắp ráp hệ thống điều khiển bao gồm phần cứng, phần mềm và thiết bị động lực phù hợp với điều kiện Việt Nam. ¾ Thi ết kế, chế tạo 01 hệ thống điều khiển cho trạm trộn bê tông tự động trên cơ sở điều khiển nhúng tương đương sản phẩm cùng loại hiện đại nhất hiện nay đủ điều kiện xuất khẩu sản phẩm này ra thị trường thế giới. ¾ Thử nghiệm hệ thống điều khiển trong điều ki ện hoạt động thực tế. 5. Tài chính: Toàn bộ kinh phí thực hiện của đề tài đã sử dụng hết và đúng mục đích theo qui định của Nhà Nước 6. Kết luận và kiến nghị: Nhóm đề tài đã thực hiện đầy đủ nội dung đăng ký cho giai đoạn 2 của đề tài là thiết kế hệ thống điều khiển nhúng cho trạm trộn bê tông. Đ ây là đề tài có tính thực tiễn cao, đã thiết kế được một bộ hồ sơ hoàn chỉnh và chế tạo được 01 hệ thống điều khiển trạm trộn bê tông tự động trên cơ sở điều khiển nhúng với nhiều 4 tính năng hiện đại. Hệ thống điều khiển đã được chạy thử, kiểm tra các tính năng hoạt động với kết quả khả quan, đáp ứng được các yêu cầu của một hệ thống điều khiển trạm trộn bê tông tự động hiện đại. Việc ứng dụng điều khiển nhúng cho các thiết bị cơ - điện tử là công nghệ rất mới ở nước ta, các nghiên cứu trên đây mới chỉ là những ứng dụng thực tế ban đầu đặt nền móng cho những nghiên cứu khác vì vậy nhóm đề tài rất mong được sự ủng hộ của các ngành để có được những ứng dụng sâu hơn ở những nghiên cứu tiếp theo. Nhóm thực hiện đề tài đã thực hiện đầy đủ các nội dung giai đoạ n 2 của đề tài đã đăng ký ban đầu. Kính đề nghị các cấp xem xét cho phép đề tài được nghiệm thu. Hà nội, ngày tháng 11 năm 2011 Chủ nhiệm đề tài Ths. Nguyễn Hoài Anh 5 MỤC LỤC Hạng mục Trang Lời mở đầu 7 CHƯƠNG I TÓM TẮT NỘI DUNG ĐÃ THỰC HIỆN TRONG GIAI ĐOẠN I 9 1.1. Cơ sở xuất phát của đề tài 9 1.2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 9 1.3. Tình hình nghiên cứu ứng dụng của hệ điều khiển nhúng trên thế giới 10 1.4. Tình hình nghiên cứu ứng dụng của hệ điều khiển nhúng trong nước 11 1.5. Khảo sát các hệ thống điều khiển ứng dụng trong trạm trộn bê tông hiện đang sử dụng trong nước và trên thế giới 12  1.6. Thiết kế hệ thống điều khiển trạm trộn bê tông dùng bộ điều khiển nhúng 12 CHƯƠNG 2 BÁO CÁO GIAI ĐOẠN 2 16 2.1. LỰA CHỌN ĐỐI TƯỢNG XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN: TRẠM TRỘN BÊ TÔNG DỰ LẠNH 120 m3/h 16  2.1.1. Lý do lựa chọn đối tượng 16 2.1.2. Cấu hình trạm hiện tại 19 2.1.3. Cấu hình điều khiển nhúng 19 2.2 THIẾT KẾ VÀ QUI TRÌNH CHẾ TẠO, THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRẠM TRỘN BÊ TÔNG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ NHÚNG 20  2.2.1. Thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển và động lực cho trạm trộn bê tông trên cơ sở hệ thống điều khiển nhúng phù hợp với điều kiện Việt Nam. 20  2.2.2. Công nghệ chế tạo tủ điện động lực và điều khiển 23 2.2.3. Thiết kế sơ đồ lắp ráp mạch tủ điện 24 2.2.4. Qui trình công nghệ thi công tủ điện 25 2.2.5. Qui trình công nghệ thử nghiệm tủ điện 26 2.3. XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT CHO TRẠM TRỘN BÊ TÔNG DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN NHÚNG 33  2.3.1 Lựa chọn phần mềm cơ sở 33 2.3.2 Xây dựng các bài toán và phần mềm điều khiển nhúng 44 2.3.3 Xây dựng chương trình phần mềm thu thập dữ liệu, quản lý sản xuất 64 2.4. LẮP ĐẶT TỔNG THỂ TOÀN BỘ TRẠM TRỘN BÊ TÔNG TỰ ĐỘNG 120 m3/h. 73 6 2.5. KẾT QUẢ 73  CHƯƠNG 3 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 PHỤ LỤC I 78 PHỤ LỤC II 78 PHỤ LỤC III 78 7 Lời mở đầu Đất nước ta hiện nay đang trên đà phát triển, hàng loạt các công trình xây dựng đang liên tục mọc lên, rất nhiều các khu chung cư mới, các văn phòng làm việc liên tục được xây dựng đáp ứng nhu cầu phát triển của xã hội. Trước nhu cầu rất lớn của việc xây dựng cơ sở hạ tầng nêu trên đòi hỏi rất nhiều các thiết bị thi công cho các công trình xây dựng trong đ ó có trạm trộn bê tông là thiết bị cơ bản trong việc thi công các công trình xây dựng. Thiết bị trạm trộn bê tông được nghiên cứu tại các nước công nghiệp phát triển từ rất lâu và tạo ra rất nhiều các hãng sản xuất trạm trộn bê tông nổi tiếng trên thế giới như: Kabag, Steter, Libherr, Các hãng này liên tục nghiên cứu và ứng dụng nhiều công nghệ mới để nâng cao chất lượng cho các sản phẩm của mình. Một trong nhữ ng yếu tố cơ bản để nâng cao chất lượng của trạm trộn bê tông là ứng dụng các công nghệ mới nâng cao chất lượng của hệ thống điều khiển. Các công nghệ điều khiển mới như: điều khiển số, điều khiển dựa trên máy tính công nghiệp, điều khiển sử dụng vi xử lý, liên tục được ứng dụng cho hệ thống điều khiển trạm trộn bê tông, gần đây công nghệ điều khiển nhúng đã bắt đầu ứng dụng cho các trạm trộn bê tông của các hãng nổi tiếng. Trong nước ta do nhu cầu xây dựng rất lớn do vậy đã hình thành một số cơ sở sản xuất trạm trộn bê tông, chất lượng các sản phấm trạm trộn bê tông sản xuất trong nước đã cạnh tranh với các s ản phẩm nhập ngoại từ các hãng nổi tiếng của các nước công nghiệp phát triển. Hiện nay các sản phẩm trạm trộn bê tông sản xuất trong nước đã chiếm đến 95% thị phần trong nước và một số đã xuất khẩu ra thị trường thế giới, các đơn vị lớn sản xuất trong lĩnh vực này phải kế đến là: viện máy và dụng cụ công nghiệp, công ty CP tậ p đoàn xây dựng và thiết bị công nghiệp (CIE), viện nghiên cứu điện tử, tin học, tự động hóa (VIELINA), Hiện nay chất lượng các trạm trộn bê tông của các đơn vị này cần nâng cao để nâng cao chất lượng sản phẩm bê tông xi măng bình thường và cung cấp các bê tông đặc biệt như: bê tông lạnh, bê tông đầm lăn, bê tông khối lớn, ngoài ra nhiều công trình lớn cần thiết bị trạm trộn bê tông rất lớn như : công trình thủy điện Đồng Nai 4 sử dụng trạm trộn bê tông 360 m3/h, công trình thủy điện Bản Chát sử dụng 8 trạm trộn bê tông đến 500 m3/h, Do vậy trong quá trình sản xuất các trạm trộn bê tông trong nước đang rất cần sự đầu tư nghiên cứu để nâng cấp sản phẩm hiện tại đáp ứng nhu cầu thực tế. Trước nhu cầu cấp bách trên việc nghiên cứu thành công đề tài: “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ điều khiển trạm trộn bê tông trên cơ sở ứng dụ ng công nghệ nhúng“ có một ý nghĩa rất lớn đáp ứng yêu cầu cấp bách của sản xuất trong nước và là bước đi đầu tiên đặt nền móng cho các nghiên cứu ứng dụng của điều khiển nhúng cho các thiết bị cơ-điện tử công nghệ cao khác. Do thời gian có hạn nên đề tài không tránh khỏi những sai sót, nhóm đề tài rất mong được sự đóng góp của các cấp và các đồng nghiệp để đề tài hoàn thiện hơn. Thay mặt nhóm đề tài chúng tôi xin chân thành cảm ơn sự ủng hộ của các ngành, các cấp đặc biệt là Bộ Công Thương, Viện máy và dụng cụ Công nghiệp và các đồng nghiệp đã giúp đỡ chúng tôi hoàn thành đề tài này. 9 CHƯƠNG I TÓM TẮT NỘI DUNG ĐÃ THỰC HIỆN TRONG GIAI ĐOẠN I 1.1. Cơ sở xuất phát của đề tài • Ngày nay các yêu cầu của sản xuất ngày càng cao và mẫu mã liên tục thay đổi để phù hợp với khách hàng do vậy thiết bị sản xuất đặc biệt là hệ thống điều khiển phải rất linh hoạt. • Trong thời gian gần đây các hãng sản xuất thiết bị điều khiển lớn trên thế giới như: Siemens, Hitachi, đã đầu tư rất nhiều vào nghiên cứu điều khiển nhúng và đã ứng dụng giải quyết rất nhiều các bài toán tự động hóa trong thực tế. Trong thời gian tới rất nhiều hệ thống điều khiển cho thiết bị sẽ sử dụng điều khiển nhúng. • Sau thời gian sản xuấ t các trạm trộn bê tông, viện IMI đã chế tạo được một số trạm bê tông năng suất lớn và bê tông đặc biệt như: bê tông lạnh, bê tông đầm lăn, Những bộ điều khiển trước đây như: bộ điều khiển chuyên dụng (vi xử lý), PC base, PLC, đã xuất hiện các hạn chế vì vậy cần những bộ điều khiển mới khắc phục những nh ược điểm này 1.2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài • Ứng dụng các công nghệ điều khiển tiên tiến và hiện đại nhất hiện nay để tạo ra các sản phẩm cơ - điện tử công nghệ cao ngang tầm với các nước công nghiệp phát triển. Cụ thể là nghiên cứu chế tạo 01 hệ điều khiển trạm trộn bê tông trên cơ sở ứng dụ ng công nghệ nhúng. • Tạo tiền đề cho việc xây dựng các hệ thống điều khiển cho các sản phẩm cơ - điện tử công nghệ cao khác ứng dụng công nghệ điều khiển nhúng – một công nghệ điều khiển mới được ứng dụng mạnh mẽ trên thế giới trong tương lai. 10 • Các hệ nhúng là những hệ kết hợp phần cứng và phần mềm một cách tối ưu, nó thường hoạt động trong chế độ thời gian thực, bị hạn chế về bộ nhớ nhưng chúng hoạt động tin cậy và tiêu tốn ít năng lượng. Các hệ nhúng rất đa dạng và có nhiều kích cỡ, khả năng tính toán khác nhau. Ngoài ra các hệ nhúng thuờng phải hoạt động trong môi trường khắc nghiệ t có độ nóng ẩm, rung xóc cao. 1.3. Tình hình nghiên cứu ứng dụng của hệ điều khiển nhúng trên thế giới • Trong thời gian gần đây do yêu cầu ngày càng cao của thực tế các bài toán điều khiển, tự động hóa ngày càng lớn và phức tạp vì vậy các hệ thống điều khiển cũ bắt đầu xuất hiện các hạn chế, Do đó các hãng tự động hóa lớn trên thế gi ới đầu tư nghiên cứu và đưa ra hệ thống điều khiển mới gọi là “điều khiển nhúng” . • Với sự phát triển của công nghệ thông tin và điện tử, hệ thống nhúng trong công nghiệp với thuật ngữ “Embedded Automation”. Hệ thống điều khiển nhúng của hãng SIEMENS – CHLB Đức là ví dụ cho điều khiển nhúng ứng dụng trong công nghiệp. Theo hang SIEMENS hệ thống điều khi ển nhúng là hệ thống điều khiển mở như PC-Based và ổn định như PLC tiêu chuẩn, và được SIEMENS phát triển và đưa ra thị trường vào năm 2008. Bộ điều khiển mới này là bộ điều khiển “modular Embedded Controller” viết tắt là (S7-mEC). Đây là bộ điều khiển dựa trên thiết kế của bộ PLC nổi tiếng S7- 300 với công nghệ nhúng trên PC. Được định nghĩa là bộ “Embedded Controller” hay t ạm dịch là bộ điều khiển nhúng. Bộ điều khiển này kết hợp được ưu điểm nổi trội của PLC S7-300 và PC trên cùng một thiết bị. Đây là một trong những sản phẩm nằm trong dòng sản phẩm SIMATIC Embedded Automation. Ngoài ra trong các dòng sản phẩm này còn có các sản phẩm SIMATIC Microbox, SIMATIC Panel PC, SIMATIC Multi Panel. [...]... BÊ TÔNG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ NHÚNG 2.2.1 Thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển và động lực cho trạm trộn bê tông trên cơ sở hệ thống điều khiển nhúng phù hợp với điều kiện Việt Nam a Tính toán thiết kế bộ điều khiển Do môi trường làm việc của trạm trộn bê tông tương đối khắc nghiệt và hệ thống trạm trộn này thường đặt tại những vùng xa trung tâm do vậy yêu cầu đầu tiên đối với thiết bị điều khiển là hoạt... vài ứng dụng của bộ điều khiển nhúng 1.4 Tình hình nghiên cứu ứng dụng của hệ điều khiển nhúng trong nước • Các cơ sở, các viện nghiên cứu trong nước đang đầu tư mạnh mẽ để ứng dụng các kỹ thuật mới nhằm tạo ra sức cạnh tranh với các thiết bị nhập ngoại Đặc biệt hệ thống điều khiển nhúng đang rất được đầu tư nghiên cứu ứng dụng cho các sản phẩm của mình do hệ điều khiển này có nhiều ưu điểm • Các nghiên. .. luận: Hệ thống điều khiển nhúng với cấu hình như trên đã đáp ứng được yêu cầu về bài toán điều khiển đồng bộ hệ thống trạm trộn bê tông dự lạnh 120m3/h Hệ thống có khả năng điều khiển và giám sát hoàn toàn hệ thống từ điều khiển quá trình trạm trộn, quá trình sản xuất nước lạnh đến quá trình sản xuất đá mảnh, đá vẩy 19 2.2 THIẾT KẾ VÀ QUI TRÌNH CHẾ TẠO, THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRẠM TRỘN BÊ TÔNG... nhất, nhờ vậy hệ thống điều khiển sẽ hoạt động ổn định hơn rất nhiều, giảm bớt sự cồng kềnh trước đây của phần điều khiển trạm trộn bê tông tự động Với phần mềm điều khiển trạm trộn ứng dụng công nghệ nhúng trên máy tính nhúng ta có thể vừa giám sát, vận hành được trạm trộn, vừa quản lí tốt các thông tin dữ liệu của trạm trộn Phần mềm điều khiển trạm trộn bê tông được lập trên phần mềm gốc của hãng... đối tượng Bộ điều khiển nhúng là thế hệ điều khiển tiên tiến có khả năng đáp ứng tốt với các đối tượng điều khiển tương đối phức tạp với khả năng ghép nối các mô đun phân tán Nhóm đề tài đã chọn đối tượng điều khiển là hệ thống trạm trộn bê tông dự lạnh 120m3/h bao gồm: Hệ thống trạm trộn 120m3/h Hình 4 Bản vẽ tổng thể trạm trộn bê tông năng suất 120 m3/h Trạm trộn bê tông lạnh 120 m3/h như trên bao gồm... toán ứng dụng hệ điều khiển nhúng chủ yếu là các bài toán nhỏ và các ứng dụng đơn giản Trong xu thế hội nhập hiện nay nhu cầu xây dựng các hệ thống điều khiển đặc biệt là điều khiển nhúng cho các dây chuyền và thiết bị lớn, phức tạp trong nước rất lớn nhằm chủ động sản xuất và làm chủ công nghệ trong sản xuất của mình 1.5 Khảo sát các hệ thống điều khiển ứng dụng trong trạm trộn bê tông hiện đang sử dụng. .. SÁT CHO TRẠM TRỘN BÊ TÔNG DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN NHÚNG 2.3.1 Lựa chọn phần mềm cơ sở a Phần mềm điều khiển nhúng IPC427C chạy hệ điều hành Window XP Embeded SP2 của Microsoft Trên môi trường này, ta có thể dễ dàng cài đặt các phần mềm của Siemens hỗ trợ cho công việc thiết kế, xử lí phần mềm, giao diện cho hệ thống trạm trộn bê tông tự động Các phần mềm điều khiển thông thường bao gồm bộ điều khiển thường... trạm trộn bê tông dùng bộ điều khiển nhúng a) Nhiệm vụ của hệ thống điều khiển bao gồm: • Điều khiển hệ thống cân: cân cốt liệu, cân xi măng, cân nước,… • Điều khiển hệ thống chuyển cốt liệu lên cối trộn: băng tải, skip • Điều khiển hệ thống cửa xả: xả xi măng, xả nước, xả bê tông, xả phụ gia,… Với việc thực hiện các mô hình và hệ thống điều khiển trên xác định được đầu vào ra của bộ điều khiển như... Các nghiên cứu về điều khiển nhúng trong nước đã bước đầu có những công trình đưa vào ứng dụng thực tế và đạt được các kết quả nhất định như: Viện công nghệ thông tin xây dựng hệ thống đo và điều khiển nhúng trên cơ sở mạng Ethernet và giao thức TCP/IP”, Hệ thống cảnh báo đường ngang và cảnh báo vượt tốc tàu hỏa ứng dụng cho ngành đường sắt của công ty cổ phần CadPro, gia công phần mềm nhúng cho các... cơ lớn chủ yếu là các thiết bị sau: động cơ băng tải, động cơ cối trộn, động cơ vít tải, động cơ bơm nước, đặc tuyến tải của các thiết bị này là mô men tỷ lệ thuận với tốc độ Để giảm dòng điện khởi động cho các động cơ lớn trong trạm trộn bê tông nhóm đề tài sử dụng phương pháp khởi động đổi nối sao/tam giác (Y/∆) 22 2.2.2 Công nghệ chế tạo tủ điện động lực và điều khiển Dựa trên sơ đồ nguyên lý thiết . là nghiên cứu chế tạo 01 hệ điều khiển trạm trộn bê tông trên cơ sở ứng dụ ng công nghệ nhúng. • Tạo tiền đề cho việc xây dựng các hệ thống điều khiển cho các sản phẩm cơ - điện tử công nghệ. THIẾT KẾ VÀ QUI TRÌNH CHẾ TẠO, THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRẠM TRỘN BÊ TÔNG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ NHÚNG 2.2.1. Thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển và động lực cho trạm trộn bê tông trên cơ. HÌNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP BỘ NĂM 2011 1. Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ điều khiển trạm trộn bê tông trên cơ sở ứng dụng công nghệ nhúng “ 2. Chủ nhiệm