Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo trung tâm điều khiển định lượng và cấp phối, chuyên dùng cho hệ thống 4 cân công nghiệp, ứng dụng trong sản xuất vật liệu xây dựng

t BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN MÁY VÀ DỤNG CỤ CÔNG NGHIỆP BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI MÃ SỐ: 176.09RD/ HĐ-KHCN Tên đề tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO TRUNG TÂM ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH LƯỢNG VÀ CẤP PHỐ

t

BỘ CÔNG THƯƠNG

VIỆN MÁY VÀ DỤNG CỤ CÔNG NGHIỆP

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

MÃ SỐ: 176.09RD/ HĐ-KHCN

Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO TRUNG TÂM ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH LƯỢNG VÀ CẤP PHỐI, CHUYÊN DÙNG CHO HỆ THỐNG 4 CÂN CÔNG NGHIỆP ỨNG

DỤNG TRONG SẢN XUẤT VẬT LIỆU XÂY DỰNG

ThS PHAN ANH DŨNG

7751

02/3/2010

Hà Nội, tháng 12/2009

BÁO CÁO TÓM TẮT TÌNH HÌNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP BỘ NĂM 2009

1 Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo trung tâm điều khiển định lượng và

cấp phối, chuyên dùng cho hệ thống 4 cân công nghiệp ứng dụng trong sản xuất vật liệu xây dựng

2 Chủ nhiệm đề tài: ThS Phan Anh Dũng

3 Thời gian thực hiện đề tài: Từ 01/01/2009 đến 30/11/2009

4 Nội dung và kết quả đạt được

Sau thời gian nghiên cứu và triển khai đề tài, nhóm nghiên cứu đã thực hiện được các công việc sau:

+ Thu thập, tìm tài liệu, nghiên cứu về thiết bị và công nghệ, khảo sát các thiết bị cùng loại của nước ngoài

+ Nghiên cứu, lựa chọn xây dựng cấu hình thiết bị phù hợp với điều kiện sản xuất, ứng dụng tại Việt nam

+ Nghiên cứu, thiết kế tổng thể nguyên lý và công nghệ cho hệ thống đồng bộ

+ Thiết kế mạch nguyên lý các mô đun chức năng

+ Thiết kế chế tạo hệ thống phát đa nhiễu công nghiệp và thiết bị mô phỏng động

+ Thiết kế mạch in và các giao diện lắp ráp cho hệ thống

+ Lắp ráp linh kiện, nạp phần mềm cho từng cụm thiết bị

+ Lắp ráp tổng thể thiết bị

+ Khảo nghiệm đánh giá chất lượng của hệ thống

+ Hoàn thiện thiết kế nguyên lý, thiết kế mạch in, phần mềm xử lý và quy trình lắp ráp sản phẩm

5 Tài chính

Kinh phí của đề tài đã được sử dụng hết phục vụ cho công tác khảo sát nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và hoàn thiện sản phẩm Kinh phí sử dụng theo đúng quy định của nhà nước

6 Kiến nghị

Nhóm thực hiện đề tài đã thực hiện đúng các yêu cầu của đề tài đã đăng

ký, các nội dung công việc về khảo sát, thiết kế, chế tạo và hoàn thiện sản phẩm Hiện nay các nội dung cơ bản của đề tài đã được hoàn thành Đề nghị cho phép báo cáo nghiệm thu đề tài

Chủ nhiệm đề tài

ThS.Phan Anh Dũng

DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN CHÍNH

STT Họ và tên Học hàm, học vị, chuyên môn Cơ quan

Chủ nhiệm đề tài

Viện Máy và DCCN

4 Phạm Văn Bỉnh Kỹ sư Điện tử - Viễn thông Viện Máy và DCCN

6 Nguyễn Hữu Vĩnh Kỹ sư Công nghệ thông tin Viện Máy và DCCN

7 Nguyễn Văn Đông Kỹ sư Điện tử - Viễn thông Viện Máy và DCCN

10 Trịnh Công Dũng Kỹ sư Điện tử - Viễn thông Viện Máy và DCCN

MỤC LỤC

Phần 1: Tổng quan công nghệ chế tạo trung tâm điều khiển

3 Một số thiết bị đo lường và điều khiển đang được sử dụng 11

3 Thiết kế mạch nguyên lý các mô đun 17

Phụ lục 2: Mã nguồn phần mềm điều khiển hệ thống 51

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời gian qua, cùng với sự phát triển của đất nước, các sản phẩm cơ điện tử công nghệ cao có mặt ở khắp mọi nơi Đặc biệt là trong các công trình xây dựng và giao thông

Ban đầu, các sản phẩm này được nhập nguyên bộ từ nước ngoài, mà chủ yếu là từ châu Âu Sự có mặt của những sản phẩm này đã làm thay đổi cơ bản phương thức và năng suất của công việc xây dựng, góp phần quan trọng cho thành công ban đầu của nền công nghiệp hoá, hiện đại hoá mà chúng ta đang xây dựng

Sau một thời gian nghiên cứu các sản phẩm của nước ngoài, chúng ta đã từng bước nội địa hoá sản phẩm và đã có nhiều thành công ban đầu, đó là thiết

kế chế tạo hầu hết các thành phần cơ khí, thiết kế chế tạo toàn bộ các hệ thống điện, Việt hoá các phần mềm đo lường điều khiển và lưu giữ dữ liệu

Phần điều khiển tự động cũng có nhiều thành tựu tích cực Trên cơ sở sử dụng máy tính công nghiệp, PLC, hoặc các bộ điều khiển đơn giản của nước ngoài, chúng ta đã xây dựng được các hệ thống điều khiển có tính chính xác cao,

ổn định không thua kém các sản phẩm của các nước phát triển

Tuy nhiên, do nhu cầu nội địa hoá ngày càng tăng cùng với sự phát triển

về trình độ điện tử và tự động hoá trong nước nên chúng ta luôn luôn mong muốn xây dựng các hệ thống điều khiển được chế tạo hoàn toàn trong nước

Với mong muốn trên cùng kinh nghiệm trong lĩnh vực điều khiển và cấp

phối, chúng tôi đã quyết định lựa chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo

trung tâm điều khiển định lượng và cấp phối, chuyên dùng cho hệ thống 4 cân công nghiệp ứng dụng trong sản xuất vật liệu xây dựng”

Mục đích của đề tài là sử dụng vi điều khiển và các linh kiện phụ trợ để xây dựng một hệ thống đo lường điều khiển và cấp phối được sản xuất hoàn toàn tại Việt Nam như sau:

+ Nghiên cứu, thiết kế hoàn chỉnh 01 trung tâm điều khiển định lượng và cấp phối, chuyên dùng cho hệ thống 4 cân công nghiệp

+ Chế tạo hoàn chỉnh 01 hệ thống điều khiển hoạt động cho trạm trộn bê tông đa thành phần: định lượng 4 cân đồng thời và có thể mở rộng; điều khiển

tử công nghiệp tại Việt nam

Nhóm đề tài xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ cũng như những ý kiến đóng góp của Lãnh đạo Viện, lãnh đạo Trung tâm và các đồng nghiệp trong quá trình thực hiện đề tài

Hà nội, ngày 02 tháng 12 năm 2009

TM Nhóm đề tài Chủ nhiệm đề tài

ThS Phan Anh Dũng

Phần 1 TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO TRUNG TÂM ĐIỀU

KHIỂN ĐỊNH LƯỢNG VÀ CẤP PHỐI

1 Công nghệ điều khiển định lượng và cấp phối

Việc điều khiển định lượng và cấp phối các vật liệu xây dựng đã được chuyển đổi từ cơ sang điện tử hiển thị số trong một khoảng thời gian dài Nhờ đồng hồ hiển thị số và phần mềm điều khiển chuyên dụng, khối lượng vật liệu xây dựng được xác định một cách khá chính xác khi định lượng

Khi một hệ thống cần sử dụng nhiều vật liệu xây dựng hoặc một hệ thống cần điều khiển định lượng và cấp phối nhiều thành phần, hệ thống đó phải có một trung tâm điều khiển chung Các hãng sản xuất thiết bị ở các nước khác nhau đã nghiên cứu chế tạo các trung tâm điều khiển khác nhau

Về mặt công nghệ, một hệ thống đo lường điều khiển định lượng thường

+ Nhận dữ liệu nhập theo yêu cầu của người dùng

+ Hiển thị thông tin trạng thái

+ Truyền tín hiệu về máy tính cho việc thu thập và xử lý dữ liệu

Ngoài ra, một hệ thống phối hợp điều khiển nhiều thành phần còn có bộ điều khiển logic chung, phối hợp sự hoạt động nhịp nhàng của hệ thống, việc thiết kế phần cứng cũng như phần mềm của các mô đun tạo nên sự linh hoạt trong việc đáp ứng các nhu cầu khác nhau của các hệ thống điều khiển định lượng

Các trung tâm điều khiển có thể ở một trong các dạng sau:

+ Sử dụng máy tính kết hợp các mô đun thu thập xử lý dữ liệu cho việc điều khiển chung

+ Sử dụng PLC kết hợp với các mô đun I/O và ADC, DAC cho việc quản

lý dữ liệu và điều khiển

dễ dàng được nhiều hãng lựa chọn như là một giải pháp tối ưu

2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước và ngoài nước

Tại các nước công nghiệp phát triển đã chế tạo các trung tâm điều khiển định lượng và cấp phối Các hãng này đã chế tạo ra các trung tâm điều khiển định lượng và cấp phối có tính năng tốt và độ linh hoạt cao Tuy nhiên, giá thành các bộ thiết bị này khá cao, khi đưa về sử dụng trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt của Việt Nam thì vẫn có một số sai hỏng mà nhà sản xuất không lường đến

Việc nhập khẩu một loạt các trạm trộn bê tông tươi và trạm trộn bê tông nhựa những năm giữa thập kỷ 90 đã đem lại sự thay đổi lớn trong việc định lượng và cấp phối, cho phép nâng cao năng lực sản xuất, năng suất và độ chính xác lên rất nhiều lần Cùng với đó, các công trình xây dựng, giao thông đòi hỏi khối lượng vật liệu lớn được tiến hành nhanh hơn, tốt hơn

Ngoài các trạm trộn bê tông tươi và trạm trộn bê tông nhựa thì các hệ thống điều khiển cân đóng bao xi măng, đóng bao đạm, cũng rất cần được điều khiển tự động Tuy nhiên, do các hệ thống đó có số lượng nhỏ so với các hệ thống trạm trộn bê tông tươi và trạm trộn bê tông nhựa nên ít được phát triển Cho đến đầu thế kỷ 21, một số nhà máy đóng bao còn sử dụng phương pháp đóng thủ công, các công nhân cho vật liệu vào bì rồi cho lên cân để kiểm tra lại trước khi đóng bao

Để thực hiện tự động quá trình định lượng, trộn lẫn vật liệu hay đóng gói bao bì, ngoài hệ thống cơ khí phù hợp, cần thiết phải có hệ thống điều khiển định lượng và cấp phối chuyên dùng

Ban đầu, khi bán các hệ thống định lượng, các hãng nước ngoài bán kèm các thiết bị điều khiển định lượng chuyên dùng của họ Ví dụ: BUCODAT2, BUCODAT3, WLC2, EM321, Trong giai đoạn đầu chế tạo phần cơ khí của các hệ thống định lượng, chúng ta vẫn phải nhập ngoại các thiết bị điều khiển định lượng chuyên dùng đó

Sau giai đoạn làm quen với các thiết bị điều khiển định lượng chuyên dùng của các nước tiên tiến, cùng với sự phát triển của công nghệ trong nước, chúng ta đã tiến hành nghiên cứu chế tạo thiết bị điều khiển định lượng chuyên dùng Kết quả là một số thiết bị điều khiển định lượng chuyên dùng sử dụng cho các trạm trộn bê tông tươi, các trạm trộn bê tông nhựa nóng, các hệ thống cân đóng bao, đã được nghiên cứu chế tạo Một số đơn vị nghiên cứu sử dụng máy tính công nghiệp kết hợp các mô đun thu thập xử lý dữ liệu cho việc điều khiển định lượng và cấp phối hay sử dụng PLC để lập trình điều khiển hệ thống Ngoài ra, cũng có những đơn vị mua bộ điều khiển định lượng rời của nước ngoài rồi xây dựng các hệ thống kết nối các thiết bị lại với nhau, cùng với các

mô đun thu nhận dữ liệu để thực hiện việc điều khiển định lượng và cấp phối

Sự chủ động về mặt công nghệ đo lường điều khiển trong các thiết bị này giúp chúng ta không bị phụ thuộc vào phần mềm nước ngoài quá nhiều, thuận tiện cho quá trình làm việc cũng như bảo hành bảo dưỡng

Các thiết bị phần cứng đã nhập về để thiết kế chế tạo các thiết bị điều khiển định lượng gồm: Máy tính công nghiệp, PLC S7-200, S7-300, K3MA, K3HB, Các hệ thống chúng ta sản xuất trên cơ sở các phần cứng đó phần nào

đã đáp ứng nhu cầu kỹ thuật về các hệ thống định lượng hiện nay tại Việt Nam

Dù vậy, các thiết bị này vẫn còn một hạn chế cơ bản, là dựa quá nhiều vào phần cứng nhập khẩu từ nước ngoài, ảnh hưởng đến giá thành cũng như khả năng bảo hành bảo dưỡng cho người sử dụng

Các đơn vị đã có nhiều thời gian nghiên cứu theo các hướng trên là Công

ty Cổ phần xây dựng và thiết bị công nghiệp CIE, Công ty 1-5, Viện Điện tử - tin học, Viện Khoa học Giao thông vận tải Đặc biệt là Viện máy và Dụng cụ công nghiệp là một trong những đơn vị đi đầu trong cả nước trong lĩnh vực cơ điện tử, đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng phối hợp giữa các ngành cơ khí, tự động hóa, tin học và điện tử, đã tiến hành nghiên cứu rất nhiều trong lĩnh vực này

Xuất phát từ tính kinh tế, ổn định và khả năng tùy biến linh hoạt của các trung tâm điều khiển định lượng và cấp phối sử dụng vi điều khiển, Viện IMI tiến hành nghiên cứu chế tạo các Trung tâm điều khiển định lượng và cấp phối, chuyên dùng cho hệ thống 4 cân công nghiệp ứng dụng trong sản xuất vật liệu xây dựng nhằm thay thế các hệ thống nhập ngoại, đảm bảo tính linh hoạt khi sử dụng sản phẩm, thuận tiện cho việc bảo hành bảo trì và tiết kiệm ngoại tệ cho đất nước

3 Một số thiết bị đo lường và điều khiển đang được sử dụng

3.1 Bộ điều khiển định lượng BUCODAT 2

+ Tín hiệu đầu vào: tín hiệu khởi động cân 1, cân 2

+ Các trạng thái đầu ra cho mỗi cân: EMPTY, COARSE, FINE, PAUSE,

PE, TOL+, STOP Tổng số đầu vào ra là 20

+ Hiển thị dữ liệu bằng 02 màn hình LCD 2 x 20

+ Giao tiếp máy tính cho thu thập và quản lý dữ liệu

Đây là bộ điều khiển định lượng dùng vi điều khiển, có tốc độ làm việc khá cao, điều khiển định lượng nhanh và chính xác Có khả năng điều khiển định lượng 02 cân, nhưng nó chỉ điều khiển được độc lập, không có khả năng phối hợp điều khiển hai cân Ngoài ra, việc khởi động hệ thống cân cũng phải nhờ hệ thống ngoài mà không tự khởi động khi đã có đủ các điều kiện khởi động

Về mặt kỹ thuật, thiết bị này sử dụng một vài linh kiện dán nên trong điều kiện ẩm, bụi, rung khi sử dụng tại Việt Nam, linh kiện này nhanh chóng hỏng và khiến cho việc kết nối máy tính bị gián đoạn

Khi sử dụng BUCODAT2, có thể kết hợp thêm 01 PLC để điều khiển logic của trạm Với sự kết hợp này, trạm hoạt động rất ổn định và tin cậy Tuy nhiên, chi phí để mua thiết bị phần cứng khá cao, tăng chi phí đầu vào của hệ thống

3.2 Thiết bị điều khiển mẻ BC-52P

Nước sản xuất: Mỹ

Các tính năng cơ bản:

+ Điều khiển định lượng 1 cân

+ Hiển thị dữ liệu bằng 01 màn hình LED

+ Giao tiếp máy tính cho thu thập và quản lý dữ liệu

+ Tín hiệu đầu vào: các tín hiệu trạng thái

+ Các trạng thái đầu ra cho mỗi cân: Điều khiển các đầu ra hệ thống trạm trộn

+ Tổng số đầu vào ra: 48 Vào ra dạng rơ le On/Off

+ Hiển thị dữ liệu bằng 01 màn hình LCD 4 hàng

+ Giao tiếp máy tính cho thu thập và quản lý dữ liệu

Đây là một hệ thống khá ổn định và có giá cả vừa phải Các mô đun được tách rời thuận tiện cho việc mở rộng hệ thống Tuy vậy, khả năng xử lý dữ liệu tương tự chậm khiến cho độ chính xác khi định lượng của hệ thống không cao Ngoài ra, việc phụ thuộc hoàn toàn vào phần cứng và thậm chí cả phần mềm lập trình nhập ngoại cũng ảnh hưởng đến khả năng sửa chữa, bảo hành bảo dưỡng

và tốn khá nhiều ngoại tệ để mua thiết bị

3.4 Máy tính công nghiệp kết hợp các mô đun thu thập xử lý dữ liệu

Nước sản xuất: Việt Nam

Các tính năng cơ bản:

+ Điều khiển định lượng 3-4 cân

+ Tín hiệu đầu vào: các tín hiệu trạng thái

+ Các trạng thái đầu ra cho mỗi cân: Điều khiển các đầu ra hệ thống trạm trộn

+ Tổng số đầu vào ra: 64 Vào ra dạng rơ le On/Off

+ Hiển thị dữ liệu bằng 01 màn hình máy tính

+ Sử dụng máy tính công nghiệp cho thu thập và quản lý dữ liệu

Hệ thống này đảm bảo khả năng linh hoạt rất cao, tốc độ xử lý nhanh, dễ dàng mở rộng cấu trúc hệ thống bởi phần mềm trên máy tính Các đầu vào ra được chia thành các mô đun và được chế tạo đồng loạt

Việc sử dụng máy tính vừa có chức năng đo lường điều khiển vừa có chức năng thu thập xử lý dữ liệu giúp hệ thống điều khiển được ở tốc độ cao, khả năng lưu giữ dữ liệu tốt, không xảy ra hiện tượng nhiễu đường truyền Do đó, đảm bảo dữ liệu luôn đầy đủ khi tiến hành điều khiển tự động

Tuy nhiên, hệ thống này cũng có hai nhược điểm chính sau:

+ Giá thành: giá của 01 bộ máy tính công nghiệp rất cao và hoàn toàn phụ thuộc của nước ngoài Khi sửa chữa khá tốn kém, ảnh hưởng đến khách hàng + Công nghệ: việc chế tạo các rãnh giao tiếp giữa máy tính và các mô đun được thực hiện trong nước, chất lượng không đảm bảo Do đó, trong quá trình hoạt động, hệ thống có thể mất ổn định do các lỗi tiếp xúc

Tổng kết:

Qua tìm hiểu một vài thiết bị nếu trên, có thể rút ra một số đặc điểm cần phải có đối với một hệ thống đo lường điều khiển và cấp phối để đảm bảo khả năng kỹ thuật và kinh tế Đó là:

+ Có khả năng định lượng 3- 4 thành phần

+ Có khả năng kết nối máy tính

+ Độ ổn định cao: khả năng chống nhiễu điện và nhiễu rung tốt

+ Tính chủ động trong sửa chữa, lắp đặt tốt

+ Chia thành các mô đun thuận tiện cho việc mở rộng hệ thống

+ Giá thành phù hợp

PHẦN 2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

1 Lựa chọn cấu hình thiết bị phù hợp điều kiện Việt Nam

Để chế tạo một hệ thống phù hợp điều kiện Việt Nam, cần nghiên cứu

một số đặc trưng về môi trường và công nghệ tại nước ta

1.1 Môi trường sử dụng thiết bị

Khác với thiết bị được sử dụng tại các nước phát triển, thiết bị được sử dụng tại Việt Nam phải chịu đựng môi trường làm việc khá khắc nghiệt Đó là:

+ Hoá chất ăn mòn nhiều (ví dụ: hơi mặn từ biển)

+ Độ rung lớn: do kết cấu cơ khí không hoàn toàn vững chắc

+ Công nghệ chế tạo mạch in: một số công ty đã nhập về các máy móc chế tạo mạch in hiện đại, có thể chế tạo mạch in nhiều lớp

+ Công nghệ hàn: hiện nay trình độ hàn linh kiện khá cao với sự trợ giúp đắc lực của các mỏ hàn mũi nhỏ nhưng nhiệt độ cao

+ Công nghệ đo kiểm: với sự trợ giúp của các thiết bị đo kiểm có độ chính xác cao như ô xy lô, đồng hồ vạn năng, việc kiểm tra độ chính xác các thiết bị được thực hiện khá dễ dàng

1.3 Cấu hình thiết bị phù hợp tại Việt Nam

Hiện nay, một trong các sản phẩm định lượng và cấp phối được sử dụng nhiều nhất là các trạm trộn bê tông tươi với 3 cân vật liệu cần định lượng là cốt liệu, xi măng, nước, mỗi cân có thể có 2 hoặc 4 thành phần; các trạm trộn bê tông nhựa nóng với 4 cân vật liệu; các cân đóng bao với 4 hay 8 cửa Ngoài ra, một số trạm trộn bê tông tươi sử dụng thêm cân phụ gia Tất cả các hệ thống

+ Dùng vi xử lý cho việc đo lường điều khiển hệ thống

+ Hệ thống được chia thành nhiều mô đun nhỏ có các tính năng khác nhau Thuận tiện cho việc mở rộng, kiểm tra, thay thế các mô đun

+ Điều khiển toàn bộ hệ thống bao gồm cả điều khiển định lượng và điều khiển logic hệ thống

+ Có khả năng định lượng tối thiểu 4 thành phần Tín hiệu cân đưa về có thể ở dạng áp, hoặc dạng xung Độ phân giải ADC là 12 bit, hoặc có thể là 10 bit (của VĐK PIC) với những thành phần không cần độ chính xác quá cao

ICL7109 là một IC chuyển đổi ADC theo phương pháp tích phân 2 sườn dốc, hạn chế nhiều xung khá tốt nên được lựa chọn làm linh kiện ADC cho mô đun điều khiển cân

+ Các mô đun xử lý tín hiệu tương tự được chia thành các nhóm xử lý 02 thành phần Do vậy có thể mở rộng trong trường hợp yêu cầu 06 thành phần, 08 thành phần, hoặc cao hơn nữa

+ Số đầu vào ra là 32 hoặc hơn, đảm bảo khả năng linh hoạt khi mở rộng các thành phần của hệ thống

+ Có khả năng phối hợp điều khiển hệ thống định lượng nhằm cung cấp một quá trình đo lường điều khiển kín cho hệ thống định lượng cấp phối

+ Có khả năng kết nối máy tính, đảm bảo cho việc thu thập dữ liệu và quản lý dữ liệu

1.4 Lựa chọn công nghệ và thiết bị cho đề tài

- Lựa chọn vi điều khiển: Hiện nay có nhiều dòng vi điều khiển khác nhau như họ 8051, AVR, PIC, PSOC, Lựa chọn dòng PIC vì các lý do sau:

+ Độ ổn định cao, khả năng chống nhiễu tốt

+ Có nhiều tính năng tiên tiến như ADC 10 bit, 3 timer, ngắt

+ Có khả năng kết nối USB với máy tính

+ Phần mềm hỗ trợ lập trình, mô phỏng đầy đủ, dễ sử dụng

+ Mạch nạp dễ chế tạo, nhỏ gọn, dễ mang đi thử nghiệm

- Lựa chọn loại linh kiện: các linh kiện được chọn là linh kiện chân cắm,

có khoảng cách chân khá rộng, đảm bảo không bị chập cháy khi muốn cho dây dẫn chạy ở giữa

- Lựa chọn phương pháp thiết kế mạch in: mạch in thiết kế có đường mạch không nhỏ hơn 0,3 mm, đảm bảo mạch không bị đứt khi thuê gia công

- Lựa chọn phương pháp kết nối: dùng chuẩn giao tiếp RS-485 giữa các

mô đun nhằm đảm bảo việc mở rộng các mô đun được dễ dàng, từ đó dễ dàng nâng cấp hệ thống lên nhiều thành phần

Dữ liệu được kết nối giữa trung tâm điều khiển với máy tính qua cổng COM thông qua bộ chuyển đổi RS-232/RS-485

- Lựa chọn tốc độ truyền và khung truyền dữ liệu: dữ liệu được truyền qua cổng COM tại tốc độ 9600 kb/s và định dạng của khung truyền là 9600, N, 8, 1 Định dạng này được dùng cho cả truyền thông tin giữa các mô đun với nhau cũng như giữ các mô đun với PC Trong trường hợp cần mở rộng hệ thống lên nhiều mô đun tương tự, ta có thể thay đổi tốc độ đường truyền lên 19.200 kb/s

để đảm bảo tốc độ truyền

2 Thiết kế tổng thể trung tâm điều khiển

Sơ đồ khối của hệ thống được mô tả trong Hình 1:

Trong đó:

Mô đun điều khiển trung tâm

Mô đun hiển thị

Mô đun Bàn phím

Mô đun điều

Hình 1: Sơ đồ khối trung tâm điều khiển định lượng

+ Mô đun điều khiển: là mô đun có chức năng điều khiển chung, phối hợp logic sự hoạt động của các mô đun khác như mô đun điều khiển logic, mô đun cân, mô đun hiển thị, bàn phím,

+ Mô đun cân: là mô đun có các tín hiệu đầu vào tương tự, đầu vào khởi động cân, các đầu ra là các tín hiệu số điều khiển cân Để thực hiện chức năng

đó thì mô đun này cần có các bộ khuyếch đại và các bộ chuyển đổi ADC với độ

ổn định cao, đồng thời cần vi điều khiển và các bộ dồn kênh, phân kênh cho việc thu nhận dữ liệu

khiển định lượng của 02 cân

+ Mô đun điều khiển logic: là mô đun kết hợp các đầu ra của các mô đun cân và các tín hiệu đầu vào trạng thái khác để điều khiển quá trình hoạt động logic bên ngoài hệ thống

+ Mô đun truyền thông: có nhiệm vụ tạo đường truyền vật lý cho việc kết nối giữa các mô đun khác Mô đun này dùng chuẩn truyền thông RS-485 và bộ

bộ chuyển đổi RS-232/RS-485 để đồng bộ thông tin truyền trên bus

Đây là một mô đun phân tán, các thành phần con của mô đun này có thể được ghép vào các mô đun khác và coi như là một thành phần của các mô đun khác

+ Mô đun bàn phím: các dữ liệu, thông số hệ thống và các thông số định mức của người dùng được nhập qua mô đun này

+ Mô đun hiển thị: hiển thị trạng thái, giá trị các cân, trạng thái thiết bị, công thức, số mẻ,

+ Mô đun nguồn: cung cấp nguồn đầy đủ cho các mô đun khác Từ nguồn đầu vào 220 Vac, qua mô đun này chuyển thành các nguồn 24Vdc, ±12Vdc,

±5Vdc có độ ổn định cao và dòng lớn

Ngoài các mô đun trên, hệ thống cần các mạch nạp dữ liệu, các mô đun

mô phỏng hệ thống ngoài, mô đun tạo nhiễu kiểm tra hệ thống,

3 Thiết kế mạch nguyên lý các mô đun

Các mô đun cần thiết kế bao gồm:

+ Mô đun điều khiển trung tâm

+ Mô đun điều khiển cân

+ Mô đun điều khiển logic

+ Mô đun truyền thông

Sơ đồ mạch nguyên lý các mô đun được mô tả trong các Hình 2 đến Hình

7 Trong một vài trường hợp, các mô đun con của mô đun truyền thông được ghép nối các mô đun khác và được vẽ chung trong một hình

3.1 Mô đun điều khiển trung tâm

Sơ đồ nguyên lý được mô tả trong Hình 2:

Hoạt động:

Khi bật nguồn, mô đun điều khiển trung tâm điều khiển hiển thị các giá trị trạng thái các cân, khối lượng cân, trạng thái số mẻ định mức, thực tế, Giao tiếp giữa trung tâm điều khiển với mô đun hiển thị được thực hiện qua 02 jắc cắm 14 chân LCD1 và LCD2

Mô đun điều khiển trung tâm giám sát sự ấn phím được gửi về từ mô đun bàn phím và thực hiện các chức năng xử lý dữ liệu tương ứng Trên mô đun điều khiển có mạch chống rung chống nẩy phím Giao tiếp giữa trung tâm điều khiển với mô đun bàn phím được thực hiện qua jắc cắm 5 chân BPHIM

Cụm mạch truyền thông với linh kiện chủ yếu là Max485 có nhiệm vụ truyền các dữ liệu cân, các thông số làm việc và quá trình cài đặt từ mô đun điều khiển về các mô đun con Trong quá trình làm việc, dữ liệu cân được cập nhật thường xuyên từ các mô đun cân về mô đun điều khiển trung tâm để hiển thị lên màn hình theo dõi

Mô đun điều khiển trung tâm với thành phần chính là vi điều khiển PIC18F4550 có các tính năng sau:

+ Gồm 5 cổng vào ra với tối đa 35 chân I/O

+ Có 4 timer, cho phép xây dựng 4 luồng điều khiển độc lập

Mô đun điều khiển trung tâm kết nối dữ liệu từ các mô đun khác thông qua mạch truyền thông Max485 và truyền dữ liệu về máy tính qua mạch giao tiếp 232/485

Khi kết nối với mô đun điều khiển cân, các dữ liệu được truyền xuống gồm có các thông tin sau:

+ Yêu cầu chuyển trạng thái của mô đun cân khi bấm bàn phím

+ Yêu cầu lưu các dữ liệu cân được nhập vào từ bàn phím

+ Yêu cầu và nhận về các thông tin về số liệu cân và trạng thái ở chế độ hoạt động bình thường

Khi kết nối với mô đun điều khiển logic, các dữ liệu được truyền xuống bao gồm:

+ Các thông số đặt thời gian

+ Các thông số hệ thống

Các thông số cân cần xác định là:

+ Khối lượng các cân

+ Trạng thái cân tương ứng

3.2 Mô đun điều khiển cân

Mô đun này có chức năng sau:

+ Nhận các thông số làm việc như định mức, thời gian từ mô đun điều khiển trung tâm để phục vụ cho quá trình xử lý

+ Chuyển đổi các tín hiệu cân, là các tín hiệu điện áp nhỏ hoặc các tín hiệu xung, thành dữ liệu số

+ Quyết định các trạng thái cân tương ứng với dữ liệu được chuyển về từ

mô đun điều khiển trung tâm và dữ liệu nhận được từ cân

+ Quyết định các đầu ra tương ứng với các đầu vào khởi động của cân cũng như giá trị thực tế đang có

Sơ đồ nguyên lý được mô tả trong Hình 3

Sử dụng PIC16F877A với những đặc điểm nổi bật như sau:

+ Tốc độ hoạt động : lên tới 20Mhz

+ Gồm 14,3 kbytes bộ nhớ flash

+ 368 x 8 bytes bộ nhớ SRAM

+ 256 x 8 bytes bộ nhớ EEPROM

+ 33 cổng vào ra chia làm 5 port

+ Gồm 3 timer: 2 timer 8 bit và 1 timer 16bit

+ Có cổng giao tiếp đồng bộ nối tiếp ( Synchronous Serial Port ) với 2 chế

độ Master (SPI) và Master/ Slave (I2C)

+ Có bộ chuyển đổi tương tự / số 10 bit gồm 8 kênh đầu vào tương tự + Bộ nhớ flash có khả năng ghi/đọc 100.000 lần

+ Bộ nhớ EEPROM có khả năng ghi/đọc 1000.000 lần

Các công tắc lựa chọn cho phép xác định là hệ thống sử dụng định lượng 3 hay 4 thành phần, linh hoạt trong việc thu thập và xử lý dữ liệu Việc nhận dữ liệu được thực hiện thông qua các bộ đệm số SN74LS574 như được thực hiện trong Hình 3

Trong sơ đồ trên có Jắc PULSE IN cho trường hợp tín hiệu đầu vào không phải dạng tín hiệu tương tự mà là tín hiệu xung Khi đó, nhờ có các bộ PMW của PIC16F877A mà mạch có thể nhận trực tiếp dữ liệu xung, không cần qua các bộ xử lý đếm truyền thống Điều này cũng góp phần làm mạch nhỏ gọn hơn,

ổn định hơn Tín hiệu đầu vào chân PMW là chân ANT (chân 33 của PIC16F877A)

Các tín hiệu khởi động cân là các tín hiệu số đầu vào cho cân được đưa ra

từ mô đun điều khiển logic trên cơ sở các đầu vào thỏa mãn điều kiện khởi động Trong qua trình làm việc, mô đun này liên tục gửi giá trị thu thập được về mô đun vi điều khiển trung tâm cũng như đưa ra các rơ le trạng thái cân tương ứng

Do PIC16F877A có đến 8 kênh ADC 10 bit nên trong những ứng dụng có

độ sai số yêu cầu nhỏ hơn 10 bit thì không cần sử dụng thêm các bộ ADC khác, điều này giúp giảm bớt kích thước và tăng độ ổn định của mạch Sơ đồ thể hiện

mạch không dùng bộ chuyển đổi ADC ICL 7109 được thể hiện trên Hình 4

3.3 Mô đun điều khiển logic

Mô đun này có nhiệm vụ nhận các tín hiệu trạng thái từ các mô đun cân, lệnh điều khiển từ mô đun điều khiển chung và các tín hiệu trạng thái ngoài của

hệ thống, quyết định các trạng thái điều khiển đầu ra, giúp cho hệ thống hoạt động đồng bộ

Sơ đồ nguyên lý được mô tả trên Hình 5

mạch truyền thông Max485 để truyền dữ liệu về mô đun điều khiển Tín hiệu vào ra các mô đun này bao gồm:

+ Các tín hiệu đầu ra trạng thái các mô đun cân

+ Các tín hiệu đầu ra điều khiển hoạt động hệ thống

+ Các tín hiệu đầu vào khởi động cân

+ Các tín hiệu đầu vào trạng thái của hệ thống

Do số lượng đầu vào và đầu ra của mô đun này là khá lớn, do vậy ta dùng phương pháp dồn kênh và phân kênh để nhận dữ liệu

Tại đầu vào, các tín hiệu đầu vào ở dạng điện áp 24Vdc được đưa qua mạch cách ly và đồng thời hạ áp tín hiệu về mức TTL, dữ liệu sau đó được đưa qua các bộ đệm SN74HC245 và vi điều khiển đọc lần lượt nhóm 8 tín hiệu

Tại đầu ra, các tín hiệu đầu ra lần lượt được đưa ra 03 bộ đệm chốt dữ liệu SN74HC574 rồi được đưa qua mạch đệm cách ly 4N35 để nâng mức điện áp điều khiển lên 24Vdc Các giá trị điện trở và đèn LED sử dụng được tính toán để đảm bảo dòng điều khiển phù hợp là 2,2K

Các thông số làm việc như thời gian và cấu hình của hệ thống được nhận

từ mô đun điều khiển trung tâm Vi điều khiển trung tâm thực hiện việc quét trạng thái các tín hiệu đầu vào, kiểm tra các thông số thời gian hệ thống rồi quyết định các tín hiệu trạng thái đầu ra

3.4 Mô đun truyền thông: gồm các bộ chuyển đổi 485/TTL được tích hợp trên

các mô đun điều khiển trung tâm, mô đun điều khiển cân và mô đun điều khiển logic Ngoài ra, bộ chuyển đổi RS232/RS485 được lắp đặt riêng nhằm đảm bảo tính linh hoạt khi lắp đặt Với mô đun điều khiển trung tâm là master, các mô đun còn lại là Slaver, đảm bảo linh loạt trong việc mở rộng hệ thống

Dữ liệu từ các mô đun được gửi về PC thông qua mô đun RS232/RS485, phần mềm máy tính căn cứ theo giá trị gửi về và giao thức định sẵn (gồm: địa chỉ gửi, trạng thái, giá trị) sẽ tính toán và đưa các trạng thái cũng như giá trị cân lên màn hình

Sơ đồ thiết kế bộ chuyển đổi RS232/RS485 được thể hiện ở Hình 6

Hình 6: Mạch chuyển đổi RS232/RS485

3.5 Mô đun bàn phím: được tích hợp trên mô đun điều khiển trung tâm Dữ

liệu được nhận thông qua các ngắt tại các phím ở sườn lên Ngoài các biện pháp

xử lý chống rung bằng phần cứng, việc xử lý chống rung bằng phần mềm cũng rất quan trọng Cụm này được vẽ chung trong sơ đồ Hình 2: mô đun vi điều khiển trung tâm

3.6 Mô đun hiển thị: gồm 02 màn hiển thị LCD 20 x2 (hoặc có thể mở rộng

thêm) Việc hiển thị mỗi cân được thể hiện trên 01 dòng, cho phép người sử dụng quan sát đầy đủ trạng thái cân

3.7 Mô đun nguồn: sử dụng nguyên lý thiết kế nguồn Switch thông thường

Ngoài các mô đun trên, hệ thống còn xử lý những công việc sau:

+ Chống nhiễu rung:

+ Chống nhiễu điện: Nhiễu điện được hạn chế trong hệ thống nhờ các biện

pháp sau:

+ Dùng tụ lọc nhiễu nguồn 104: lắp sát vào chân nguồn các IC

+ Thiết kế mạch nguồn Switch để chống ảnh hưởng thay đổi nguồn điện áp + Lắp các Diod chống ngược để dập xung trước các rơ le

Ngoài ra

+ Việc lựa chọn PIC làm vi điều khiển trung tâm cũng góp phần chống nhiễu đáng kể do cấu tạo của họ PIC

+ Mạch chống rung ở trên cũng góp phần hạn chế nhiễu điện ở tần số thấp

4 Thiết bị mô phỏng và tạo nhiễu

4.1 Thiết bị mô phỏng hệ thống ngoài

Bộ mô phỏng hệ thống ngoài bao gồm mô phỏng các cữ hành trình và mô phỏng tín hiệu của các cân, do vậy cần xây dựng 02 bộ mô phỏng kết nối với nhau: + Bộ mô phỏng logic: lấy một số các tín hiệu đầu ra của hệ thống làm tín hiệu đầu vào và xử lý dữ liệu để đưa ngược tín hiệu trở lại phục vụ cho đầu vào

hệ thống Khi đó hệ thống hoạt động như là một hệ khép kín và dễ dàng kiểm tra chức năng đúng sai của thiết bị

Để đáp ứng đầu vào và đầu ra của thiết bị, bộ mô phỏng cũng cần 32 tín hiệu đầu vào số và 32 tín hiệu đầu ra số ở mức điện áp 24Vdc Do đó, sơ đồ nguyên lý của bộ mô phỏng logic giống như sơ đồ nguyên lý của Mô đun điều khiển logic Điểm khác ở đây chính là phần mềm của vi điều khiển của mạch mô phỏng được lập trình theo bài toán thực tế của thiết bị

Mạch khuếch đại tín hiệu xoay chiều K= -1

+

Hình 7: Mạch triệt tiêu nhiễu rung

Trong nhiều trường hợp, một số tín hiệu đầu ra của thiết bị có thể được làm đầu vào cho chính thiết bị đó Ví dụ: tín hiệu khởi động cân, Do vậy, khi

vẽ mạch mô phỏng có thể giảm bớt một số tín hiệu đầu vào và đầu ra

+ Bộ mô phỏng tín hiệu cân: tự động tăng giảm tín hiệu cân đầu vào như

là trong hệ thống thực tế, điều này đảm bảo cho các giá trị cân thay đổi theo quá trình làm việc Sử dụng bộ mô phỏng này sẽ không cần lắp các thiết bị cân tại đầu vào mà vẫn có thể kiểm tra hoạt động của các mạch ADC cũng như khả năng điều khiển của các hệ thống cân Sơ đồ mạch mô phỏng tín hiệu cân được đưa ra trong Hình 8

4.2 Thiết bị tạo nhiễu

Thiết bị tạo nhiễu giả nhiễu rung, có tần số phát rất thấp và có thể thay đổi dạng tín hiệu nhằm mô phỏng quá trình rung lắc của thiết bị (thường là khoảng 5-9Hz) Sơ đồ thiết bị này được mô tả ở Hình 9 với f0 = 1/(2Л.2.45RC) = 5,4Hz

Hình 9: Sơ đồ mạch phát sóng giả nhiễu

5 Phần mềm điều khiển hệ thống

Phần mềm điều khiển hệ thống được chia làm 03 phần mềm con, tương ứng cho 03 mô đun vi điều khiển, mô đun điều khiển logic, mô đun điều khiển cân Các mô đun truyền thông, hiển thị, bàn phím, nguồn không dùng vi điều khiển nên không cần phần mềm riêng Việc định địa chỉ mô đun sẽ được thực hiện trong phần mềm để đơn giản hóa thuật toán

Để đảm bảo việc định lượng chính xác, thông thường các bộ điều khiển thực hiện điều khiển ngắt thô, tinh Khi đạt được một tỷ lệ khối lượng nhất định, quá trình định lượng ngắt cửa thô và cho phép mở cửa tinh với khối lượng rơi xuống rất chậm, do vậy khối lượng bị sai sẽ bé đi Tuy nhiên, không thể định lượng theo đúng định mức rồi mới ra lệnh ngắt, bởi như vậy sẽ luôn có một lượng vật liệu rơi thêm, khiến cho khối lượng thực bao giờ cũng cao hơn định mức đặt ra

Vì vậy, trong vấn đề định lượng thì luôn luôn phải tính một điểm cắt trước phù hợp để khi đạt đến khối lượng bằng định mức trừ điểm cắt, hệ thống sẽ phát lệnh dừng định lượng

Giá trị của điểm cắt có thể để ngỏ để người sử dụng thay đổi, khi đó độ chính xác của hệ thống phụ thuộc kinh nghiệm người sử dụng và tình trạng vật liệu Ví dụ: độ ẩm, độ kết dính của vật liệu,

Giá trị của điểm cắt trước cũng có thể thực hiện trên cơ sở tính sai số của lần định lượng trước, trên cơ sở đó cộng với giá trị điểm cắt hiện tại Phương án này được thực hiện trên nguyên tắc hàm rơi xuống là một hàm tuyến tính Tuy nhiên, thực tế thì do vật liệu rơi xuống không đều nên dùng hàm tuyến tính không cho độ chuẩn xác cao

Ở trong đề tài này, giá trị điểm cắt trước được tính nhờ tính sai số của lần định lượng trước, và sai số trung bình bình phương của các lần định lượng trước

để xác định giá trị điểm cắt cho lần sau Việc tính toán điểm cắt được xác định trên cơ sở sai số ngẫu nhiên theo hàm bậc hai, phù hợp với hoàn cảnh thực tế của các trạm trộn tại Việt Nam và cho độ chính xác tương đối cao

Gọi:

+ Giá trị định mức là M

+ Số mẻ đã định lượng dùng để tham chiếu là n

+ Giá trị điểm cắt trước khi điều chỉnh là C (dùng cho mẻ trước)

+ Giá trị điểm cắt sau khi điều chỉnh là C’

+ Giá trị lần định lượng thứ i là Mi

Khi đó:

+ Giá trị sai số mẻ trước là:

∆M= Mn - M + Giá trị sai số trung bình bình phương:

k M C

Việc lập trình được tiến hành và biên dịch nhờ PICC, việc mô phỏng phần mềm được thử qua chương trình mô phỏng Protus Sau quá trình mô phỏng phần mềm được nạp vào các mô đun phần cứng để kiểm nghiệm trong thực tế

6 Ứng dụng trung tâm điều khiển trong điều khiển hoạt động trạm trộn bê tông

Một ứng dụng rất quan trọng của trung tâm điều khiển định lượng và cấp phối chính là trong lĩnh vực điều khiển trạm trộn bê tông tự động Do vậy đề tài xây dựng một bộ điều khiển theo hướng này

Cấu hình trạm trộn được lựa chọn như sau:

+ Trạm trộn có 3 hoặc 4 cân: gồm cốt liệu, xi măng, nước và phụ gia (nếu

có)

+ Cân phụ gia có thể cân ở dang dùng loadcell hoặc flowmeter

+ Cốt liệu được định lượng xong dùng gàu (skip) kéo lên đổ vào cối + Việc xả các vật liệu khác hoặc bê tông được thực hiện bằng tay hoặc tự

động

Cấu hình trung tâm điều khiển được lựa chọn như sau:

+ 01 Mô đun điều khiển trung tâm

+ 02 Mô đun điều khiển cân: 01 mô đun loại 12 bít dùng cho cốt liệu và

xi, 01 mô đun loại 10 bít dùng cho nước và phụ gia

+ 01 Mô đun điều khiển logic

+ 01 Mô đun truyền thông

+ 01 Mô đun hiển thị

+ 01 Mô đun bàn phím

+ 01 Mô đun nguồn

Trên cơ sở trung tâm điều khiển được lựa chọn, tiến hành kết nối các mô đun và lập trình phần mềm cho các mô đun

Sơ đồ thuật toán các mô đun được nêu trong các Hình 10, 11 và Hình 12

7 Quy trình chế tạo thiết bị

- Chế tạo mạch: đặt mạch in, lắp ráp linh kiện

- Lắp ráp thành thiết bị hoàn chỉnh: các mô đun tương tự cấu hình chung, riêng

mô đun cân cần theo bài toán cụ thể để lựa chọn, là 4 cân hay nhiều hơn, các cân

cụ thể cần độ phân giải 10 bit hay 12 bit

- Kiểm tra thiết bị:

+ Kiểm tra độ chính xác mạch ADC bằng đồng hồ phát tín hiệu chính xác + Lắp thiết bị vào hệ thống mô phỏng và cho thiết bị chạy, quan sat độ chính xác điều khiển

START

Khởi động các thông số Hiển thị màn hình ban đầu