ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ KHOA CƠ HỌC KỸ THUẬT VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRẠM TRỘN BÊ TÔNG MÔ PHỎNG TRÊN PLC S71200 Giảng viên hướng dẫn: TS. Phạm Văn Bạch Ngọc Họ và tên sinh viên: Môn học: Ngành học: Phạm Duy Hoàng – 19021596 Vũ Mạnh Cường – 19021582 Trần Hải Đăng – 19021584 Nguyễn Mạnh Toàn 19021630 Trần Văn Thịnh 19021626 Tự động hóa trong quy trình sản xuất Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa HÀ NỘI 2022 Mục lục Chương I Tổng quan về hệ thống trạm trộn bê tông 3 I.1. Lý do chọn đề tài 3 I.2. Khái niệm và thành phần 4 I.2.1. Khái niệm 4 I.2.2. Vật liệu làm bê tông 4 I.3. Tổng quan về trạm trộn bê tông 6 I.3.1. Khái niệm và chức năng của trạm trộn bê tông 6 I.3.2 Cấu tạo chung của hệ thống 6 Chương II Phân tích công nghệ của hệ thống 8 II.1. PLC S71200 CPU 1214C ACDCRLY 8 II.1.1. Các module mở rộng (SM 1231) 10 II.1.2. Các chức năng nổi bật của PLC S7 1200 (6ES72141BG400XB0) 11 II.1.3. Ứng dụng của bộ lập trình PLC S71200 12 II.2. Nguyên lý hoạt động 12 II.3. Kiểm tra điều kiện làm việc 12 II.4. Các phần tử đóng cắt, bảo vệ, đo lường 14 II.4.1. Thiết bị bảo vệ 14 II.4.2. Thiết bị đo lường 16 II.5 Sơ đồ nguyên lý 16 II.5.1. Sơ đồ khối 16 II.5.2. Sơ đồ thuật toán 17 II.5.3. Sơ đồ mạch điều khiển và mạch động lực 19 Chương III Mô phỏng hệ thống 25 III.1. Màn hình giám sát HMI 25 III.2. Lập trình PLC S71200 28 Chương IV Kết luận và hướng phát triển của đề tài 51 IV.1. Kết luận 51 IV.2. Hướng phát triển của đề tài 51 Tài liệu tham khảo 52 I.2. Khái niệm và thành phần I.2.1. Khái niệm Bê tông là một hỗn hợp được tạo thành từ cát, đá, xi măng, nước. Trong đó cát, đá chiếm 80% 85%, xi măng chiếm 8% 15%, còn lại là khối lượng nước. Ngoài ra còn có thêm phụ gia vào để thoả mãn yêu cầu đặt ra. Hỗn hợp vật liệu mới nhào trộn xong gọi là hỗn hợp bê tông, hỗn hợp bê tông phải có độ dẻo nhất định, tạo hình và dầm chặt được dễ dàng. Cốt liệu có vai trò là bộ khung chịu lực, vữa xi măng và nước bao bọc xung quanh đóng vai trò là chất kết dính, đồng thời lấp đầy khoảng trống của cốt liệu. Khi rắn chắc, hồ xi măng kết dính các cốt liệu thành một khối đá và được gọi là bê tông. Bê tông có cốt thép gọi là bê tông cốt thép. I.2.2. Vật liệu làm bê tông Để kết cấu được bê tông nhất thiết cần có các nguyên liệu sau: I.2.2.1. Xi măng Xi măng kết hợp với nước tạo thành hồ xi măng xen giữa các hạt cốt liệu, đồng thời tạo ra tính linh động của bê tông (được đo bằng độ sụt nón) Mác của xi măng được chọn phải lớn hơn mác của bê tông cần sản xuất, sự phân bố giữa các hạt cốt liệu và tính chất của nó ảnh hưởng lớn đến cường độ của bêtông. Bình thường hồ xi măng lấp đầy phần rỗng giữa các hạt cốt liệu và đẩy chúng ra xa nhau một chút (với cự li bằng 243 lần đường kính hạt xi măng). Trong trường hợp này phát huy được vai trò của cốt liệu nên cường độ của bê tông khá cao và yêu cầu cốt liệu cao hơn cường độ bê tông khoảng 1,5 lần. Khi bê tông chưá lượng hồ xi măng lớn, các hạt cốt liệu bị đẩy ra xa nhau hơn đến mức chúng hầu như không có tác dụng tương hỗ nhau. Khi đó cường độ của đá, xi măng và cường độ của vùng tiếp xúc đóng vai trò quyết định đến cường độ bê tông nên yêu cầu cốt liệu thấp hơn. Tuỳ yêu cầu của loại bê tông có thể dùng các loại xi măng khác nhau, có thể dùng xi măng pô lăng, xi măng pô lăng bền sunfat, xi măng pôlăng xủ, xi măng puzolan và các chất kết dính khác để thoả mãn yêu cầu của chương trình. I.2.2.2. Cốt liệu nhỏ – cát Cát để làm bê tông có thể là cát thiên nhiên hay cát nhân tạo cỡ hạt từ (0,14 5) mm theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN), từ (0,15 4,75) mm theo tiêu chuẩn Mỹ, từ (0,08 5) mm TCVN. Lượng cát khi trộn với xi măng và nước, phụ gia phải được tính toán hợp lý, nếu nhiều cát quá thì tốn xi măng không kinh tế và ít cát quá thì cường độ bê tông giảm. I.2.2.3. Cốt liệu lớn đá dăm hoặc sỏi Sỏi có mặt tròn, nhẵn, độ rộng và diện tích mặt ngoaì nhỏ nên cần ít nước, tốn xi măng mà vẫn dễ đầm, dễ đổ nhưng lực dính bám với vữa xi măng nhỏ nên cường độ bê tông sỏi thấp hơn bê tông đá dăm. Ngược lại đá dăm được đập vỡ có nhiều góc cạnh, diện tích mặt ngoài lớn và không nhẵn nên lực dính bám với vữa xi măng lớn tạo ra được bê tông có cường độ cao hơn. Tuy nhiên mác của xi măng đá dăm phải cao hơn hay bằng mác của bê tông tạo ra hay bê tông cần sản xuất. I.2.2.4. Nước Nước để trộn bê tông (rửa cốt liệu, nhào trộn vệ sinh buồng máy, bảo dưỡng bê tông) phải đảm bảo không ảnh hưởng xấu đến thời gian đông kết và thời gian rắn chắc của xi măng và không ăn mòn thép. Nước sinh hoạt là nước có thể dùng được. Lượng nước nhào trộn là yếu tố quan trọng quyết định tính công tác của hỗn hợp bê tông. Lượng nước dùng trong nhào trộn bao gồm lượng nước tạo hồ xi măng và lượng nước do cốt liệu. Lượng nước trong bê tông xác định tính chất của hỗn hợp bê tông. Khi lượng nước quá ít, dưới tác dụng của lực hút phân tử nước chỉ hấp thụ trên bề mặt vật rắn mà chưa tạo ra độ lưu động của hỗn hợp, lượng nước tăng đến một giới hạn nào đó sẽ xuất hiện nước tự do, màng nước trên mặt vật rắn dày thêm, nội ma sát giảm xuống, độ lưu động tăng thêm, lượng nước ứng với lúc bê tông có độ lưu động lớn nhất mà không bị phân tầng gọi là khả năng giữ nước của hỗn hợp. Nước biển có thể dùng để chế tạo bê tông cho những kết cấu làm việc trong nước bẩn nếu tổng các loại muối trong nước không vượt quá 35g trong một lít nước. Tuy nhiên cường độ bê tông sẽ giảm và không được sử dụng trong bê tông cốt thép.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ KHOA CƠ HỌC KỸ THUẬT VÀ TỰ ĐỘNG HÓA - - NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRẠM TRỘN BÊ TÔNG MÔ PHỎNG TRÊN PLC S7-1200 Giảng viên hướng dẫn: TS Phạm Văn Bạch Ngọc Họ và tên sinh viên: Phạm Duy Hoàng – 19021596 Vũ Mạnh Cường – 19021582 Trần Hải Đăng – 19021584 Nguyễn Mạnh Toàn - 19021630 Trần Văn Thịnh - 19021626 Môn học: Tự động hóa quy trình sản xuất Ngành học: Kỹ tḥt điều khiển và Tự động hóa HÀ NỘI 2022 Học phần: Tự động hóa q trình sản xuất GVHD: TS Phạm Văn Bạch Ngọc Mục lục Chương I Tổng quan về hệ thống trạm trộn bê tông I.1 Lý chọn đề tài I.2 Khái niệm và thành phần .4 I.2.1 Khái niệm I.2.2 Vật liệu làm bê tông I.3 Tổng quan về trạm trộn bê tông I.3.1 Khái niệm chức trạm trộn bê tông I.3.2 Cấu tạo chung hệ thống .6 Chương II Phân tích cơng nghệ hệ thống II.1 PLC S7-1200 CPU 1214C AC/DC/RLY II.1.1 Các module mở rộng (SM 1231) 10 II.1.2 Các chức bật PLC S7 1200 (6ES7214-1BG40-0XB0) 11 II.1.3 Ứng dụng lập trình PLC S7-1200 12 II.2 Nguyên lý hoạt động 12 II.3 Kiểm tra điều kiện làm việc 12 II.4 Các phần tử đóng cắt, bảo vệ, đo lường 14 II.4.1 Thiết bị bảo vệ .14 II.4.2 Thiết bị đo lường 16 II.5 Sơ đồ nguyên lý 16 II.5.1 Sơ đồ khối 16 II.5.2 Sơ đồ thuật toán .17 II.5.3 Sơ đồ mạch điều khiển mạch động lực 19 Chương III Mô hệ thống 25 III.1 Màn hình giám sát HMI 25 III.2 Lập trình PLC S7-1200 28 Chương IV Kết luận và hướng phát triển đề tài 51 IV.1 Kết luận .51 IV.2 Hướng phát triển đề tài 51 Tài liệu tham khảo 52 Học phần: Tự động hóa q trình sản xuất GVHD: TS Phạm Văn Bạch Ngọc Chương I Tổng quan về hệ thống trạm trộn bê tông I.1 Lý chọn đề tài Ngày nay, với ứng dụng khoa học kỹ thuật tiên tiến, giới ngày thay đổi, văn minh đại Sự đời phát triển cơng nghệ chế tạo thiết bị tự động hóa với thành tựu công nghệ điện tử công nghệ thông tin cho phép chuyên gia tích hợp hệ thống, tối ưu tự động hóa hồn tồn Một nhà máy, dây chuyền sản xuất hay hệ thống tự động mà người đóng vai trị giám sát điều khiển Nó khơng làm giảm sức lao động bắp người mà mang lại hiệu kinh tế cao, vận hành linh hoạt Đó mơ hình lý tưởng mục tiêu hướng tới giải pháp tự động hóa công nghiệp Theo thời gian với phát triển kinh tế việc thị hố diễn ngày nhanh Q trình thị hóa kéo theo việc gia tăng dân số, mọc lên ngày nhiều, nhà cửa, đường sá, cầu cống cơng trình giao thơng cơng cộng.Việc xây dựng cơng trình địi hỏi nhiều thời gian phải có độ bên cao, bê tông thành phần ko thể thiếu cơng trình Việc ứng dụng PLC vào trạm trộn bê tông tự động giúp cho q trình trộn bê tơng tự động hóa, cịn giúp cho tăng suất, tăng độ xác, đảm bảo độ bền mẻ bê tơng, tiết kiệm nhân lực Từ đó, em chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế trạm trộn bê tông tự động mô PLC S7-1200” hướng dẫn thầy giáo Phạm Văn Bạch Ngọc Học phần: Tự động hóa q trình sản xuất GVHD: TS Phạm Văn Bạch Ngọc I.2 Khái niệm và thành phần I.2.1 Khái niệm Bê tông hỗn hợp tạo thành từ cát, đá, xi măng, nước Trong cát, đá chiếm 80% - 85%, xi măng chiếm 8% - 15%, lại khối lượng nước Ngồi cịn có thêm phụ gia vào để thoả mãn yêu cầu đặt Hỗn hợp vật liệu nhào trộn xong gọi hỗn hợp bê tông, hỗn hợp bê tơng phải có độ dẻo định, tạo hình dầm chặt dễ dàng Cốt liệu có vai trị khung chịu lực, vữa xi măng nước bao bọc xung quanh đóng vai trị chất kết dính, đồng thời lấp đầy khoảng trống cốt liệu Khi rắn chắc, hồ xi măng kết dính cốt liệu thành khối đá gọi bê tơng Bê tơng có cốt thép gọi bê tông cốt thép I.2.2 Vật liệu làm bê tông Để kết cấu bê tông thiết cần có nguyên liệu sau: I.2.2.1 Xi măng Xi măng kết hợp với nước tạo thành hồ xi măng xen hạt cốt liệu, đồng thời tạo tính linh động bê tông (được đo độ sụt nón) Mác xi măng chọn phải lớn mác bê tông cần sản xuất, phân bố hạt cốt liệu tính chất ảnh hưởng lớn đến cường độ bêtơng Bình thường hồ xi măng lấp đầy phần rỗng hạt cốt liệu đẩy chúng xa chút (với cự li 243 lần đường kính hạt xi măng) Trong trường hợp phát huy vai trò cốt liệu nên cường độ bê tông cao yêu cầu cốt liệu cao cường độ bê tông khoảng 1,5 lần Khi bê tông chưá lượng hồ xi măng lớn, hạt cốt liệu bị đẩy xa đến mức chúng tác dụng tương hỗ Khi cường độ đá, xi măng cường độ vùng tiếp xúc đóng vai trị định đến cường độ bê tông nên yêu cầu cốt liệu thấp Tuỳ yêu cầu loại bê tơng dùng loại xi măng khác nhau, dùng xi măng pơ lăng, xi măng pô lăng bền sunfat, xi măng pôlăng xủ, xi măng puzolan chất kết dính khác để thoả mãn yêu cầu chương trình I.2.2.2 Cốt liệu nhỏ – cát Cát để làm bê tơng cát thiên nhiên hay cát nhân tạo cỡ hạt từ (0,14 - 5) mm theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN), từ (0,15 - 4,75) mm theo tiêu chuẩn Mỹ, từ (0,08 - 5) Học phần: Tự động hóa q trình sản xuất GVHD: TS Phạm Văn Bạch Ngọc mm TCVN Lượng cát trộn với xi măng nước, phụ gia phải tính tốn hợp lý, nhiều cát q tốn xi măng khơng kinh tế cát q cường độ bê tông giảm I.2.2.3 Cốt liệu lớn - đá dăm sỏi Sỏi có mặt trịn, nhẵn, độ rộng diện tích mặt ngo nhỏ nên cần nước, tốn xi măng mà dễ đầm, dễ đổ lực dính bám với vữa xi măng nhỏ nên cường độ bê tông sỏi thấp bê tông đá dăm Ngược lại đá dăm đập vỡ có nhiều góc cạnh, diện tích mặt ngồi lớn khơng nhẵn nên lực dính bám với vữa xi măng lớn tạo bê tơng có cường độ cao Tuy nhiên mác xi măng đá dăm phải cao hay mác bê tông tạo hay bê tông cần sản xuất I.2.2.4 Nước Nước để trộn bê tông (rửa cốt liệu, nhào trộn vệ sinh buồng máy, bảo dưỡng bê tông) phải đảm bảo không ảnh hưởng xấu đến thời gian đông kết thời gian rắn xi măng khơng ăn mịn thép Nước sinh hoạt nước dùng Lượng nước nhào trộn yếu tố quan trọng định tính cơng tác hỗn hợp bê tông Lượng nước dùng nhào trộn bao gồm lượng nước tạo hồ xi măng lượng nước cốt liệu Lượng nước bê tông xác định tính chất hỗn hợp bê tơng Khi lượng nước ít, tác dụng lực hút phân tử nước hấp thụ bề mặt vật rắn mà chưa tạo độ lưu động hỗn hợp, lượng nước tăng đến giới hạn xuất nước tự do, màng nước mặt vật rắn dày thêm, nội ma sát giảm xuống, độ lưu động tăng thêm, lượng nước ứng với lúc bê tông có độ lưu động lớn mà khơng bị phân tầng gọi khả giữ nước hỗn hợp Nước biển dùng để chế tạo bê tơng cho kết cấu làm việc nước bẩn tổng loại muối nước không vượt 35g lít nước Tuy nhiên cường độ bê tơng giảm không sử dụng bê tông cốt thép I.2.2.5 Phụ gia Phụ gia chất vơ hố học cho vào bê tơng cải thiện tính chất hỗn hợp bê tơng bê tơng cốt thép Có nhiều loại phụ gia cho bê tơng để cải thiện tính dẻo, cường độ, thời gian rắn tăng độ chống thấm Thông thường phụgia sử dụng có hai loại: Loại rắn nhanh loại hoạt động bề mặt Phụ gia rắn nhanh thường loại muối gốc (CaCl 2) hay muối Silic Do chất xúc tác tăng nhanh trình thuỷ hoá C 3S C2S mà phụ gia CaCl2 có khả rút ngắn q trình rắn bê tông điều kiện tự nhiên mà không làm giảm cường độ bê tông tuổi 28 ngày Học phần: Tự động hóa q trình sản xuất GVHD: TS Phạm Văn Bạch Ngọc Hiện người ta sử dụng loại phụ gia đa chức năng, hỗn hợp phụ gia rắn nhanh phụ gia hoạt động bề mặt phụ gia tăng độ bền nước I.3 Tổng quan về trạm trộn bê tông I.3.1 Khái niệm và chức trạm trộn bê tông Trước khoa học kĩ thuật chưa phát triển, máy móc cịn nhiều lạc hậu việc có khối lượng bê tơng lớn chất lượng tốt điều khó khăn Chính để thiết kế dây chuyền bê tông tự động điều cần thiết cho công trường cũng ngành xây dựng nước Một trạm trộn gồm có phận chính: Bộ phận chứa vật liệu nước, phận định lượng máy trộn Giữa phận có thiết bị nâng, vận chuyển phễu chứa trung gian Công nghệ sản xuất bê tông nói chung tương tự nhau: Vật liệu sau định lượng đưa vào trộn Trong trường hợp kết hợp sản xuất bê tông vữa xây dựng dây chuyền giảm 32% diện tích mặt bằng, từ 30% - 50% cơng nhân, từ 8% - 19% vốn đầu tư thiết bị Một nhà máy bê tơng vữa liên hiệp có hiệu cao lượng bê tông vữa cung cấp không 300.000 m3/năm I.3.2 Cấu tạo chung hệ thống Một trạm trộn gồm có phận chính: Bãi chứa cốt liệu, hệ thống máy trộn bê tông hệ thống cung cấp điện I.3.2.1 Bãi chứa cốt liệu Bãi chứa cốt liệu khoảng đất trống dùng để chứa cốt liệu (cát, đá to đá nhỏ) cát, đá to, đá nhỏ chất thành đống riêng biệt Yêu cầu bãi chứa cốt liệu phải rộng thuận tiện cho việc chuyên chở cũng lấy cốt liệu đưa lên máy trộn I.3.2.2 Hệ thống máy trộn bê tông Hệ thống máy trộn bê tông bao gồm hệ thống thùng chứa liên kết với hệ thống định lượng dùng để xác định xác tỉ lệ loại nguyên vật liệu cấu tạo nên bê tông Băng tải dùng để đưa cốt liệu vào thùng trộn gồm máy bơm nước, máy bơm phụ gia, xi lơ chứa xi măng, vít tải xi măng, thùng trộn bê tơng, hệ thống khí nén Học phần: Tự động hóa q trình sản xuất GVHD: TS Phạm Văn Bạch Ngọc Giữa phận có thiết bị nâng, vận chuyển phễu chứa trung gian I.3.2.3 Hệ thống cung cấp điện Trạm trộn bê tơng sử dụng nhiều động có cơng suất lớn trạm trộn bê tơng cần có hệ thống cung cấp điện phù hợp để cung cấp cho động nhiều thiết bị khác Học phần: Tự động hóa q trình sản xuất GVHD: TS Phạm Văn Bạch Ngọc Chương II Phân tích công nghệ hệ thống II.1 PLC S7-1200 CPU 1214C AC/DC/RLY - Giới thiệu tổng quan lập trình PLC S7-1200 (6ES7214-1BG40-0XB0) Tính dung lượng dòng sản phẩm PLC S7-1200 (6ES72141BG40-0XB0) Các module mở rộng (6ES7214-1BG40-0XB0) Các chức bật PLC S7 1200 (6ES7214-1BG40-0XB0) Ứng dụng lập trình PLC S7-1200 Cấu hình chi tiết 6ES7214-1BG40-0XB0 – PLC S7-1200 CPU 1214C AC/DC/RLY Chế độ bảo hành Giới thiệu tổng quan lập trình PLC S7-1200 (6ES7214-1BG40-0XB0) Bộ điều khiển logic khả trình (PLC) S7-1200 mang lại tính linh hoạt sức mạnh để điều khiển nhiều thiết bị đa dạng hỗ trợ yêu cầu điều khiển tự động Sự kết hợp thiết kế thu gọn, cấu hình linh hoạt tập lệnh mạnh mẽ khiến cho S7-1200 trở Học phần: Tự động hóa q trình sản xuất GVHD: TS Phạm Văn Bạch Ngọc thành giải pháp hoàn hảo dành cho việc điều khiển nhiều ứng dụng đa dạng khác Sản phẩm PLC S7-1200 Kết hợp vi xử lý, nguồn tích hợp, mạch ngõ vào mạch ngõ kết cấu thu gọn, CPU S7-1200 tạo PLC mạnh mẽ Sau người dùng tải xuống chương trình, CPU chứa mạch logic yêu cầu để giám sát điều khiển thiết bị nằm ứng dụng CPU giám sát ngõ vào làm thay đổi ngõ theo logic chương trình người dùng, bao gồm hoạt động logic Boolean, việc đếm, định thì, phép tốn phức hợp việc truyền thơng với thiết bị thông minh khác Học phần: Tự động hóa q trình sản xuất GVHD: TS Phạm Văn Bạch Ngọc II.1.1 Các module mở rộng (SM 1231) Bộ lập trình PLC S7 1200 thiết kế linh hoạt cho phép người dùng mở rộng thêm tính cách lắp thêm module mở rộng Nhờ người dùng sử dụng nhiều chức từ lập trình Thơng số kỹ thuật Module mở rộng I/O SM 1231 4AI SIMATIC S7-1200 SIEMENS - Tên sản phẩm: Module mở rộng I/O SM 1231 4AI SIMATIC S7-1200 SIEMENS Nguồn điện cung cấp: 24 V DC (20.4-28.8 V DC) Số lượng mở rộng đầu vào/ra: AI, +/-10 V, +/-5 V, +/-2.5 V, 0-20 mA/420 mA, 12 bit+sign (13bit ADC) Trọng lượng: 180 g Hãng sản xuất: Siemens Một số tính Module mở rộng I/O SM 1231 4AI SIMATIC S7-1200 SIEMENS Độ phân giải 13 bit 10