Thiết kế hệ thống băng tải định lượng, trộn phân tự động dùng plc s7 1200 điều khiển và giám sát bằng wincc

Tổng quan ngành sản xuất phân bón

Phân bón là chất dùng để cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng và thúc đẩy tăng trưởng và phát triển của chúng Phân bón có các thành phần cần thiết như azot, photpho, kali và các chất dinh dưỡng khác như lưu huỳnh, magie, canxi, sắt, mangan, kẽm,

Phân bón hỗn hợp cần sản xuất tại các nhà máy phân bón quy mô lớn với hệ thống tự động hóa trong đó có hệ thống băng tải định lượng trong phối trộn nguyên liệu phân bón Việc sử dụng băng tải định lượng giúp định lượng nguyên liệu đầu vào sẽ cho ra những mẻ phân bón đạt chuẩn chất lượng.

Phân bón hỗn hợp cần nhiều tỷ lệ thành phần khác nhau nên không thể sử dụng cân tĩnh vào việc cân định lượng, nó sẽ làm tốn rất nhiều thời gian và nhân lực trong quá trình sản xuất Việc áp dụng băng tải định lượng vào sản xuất phân bón giúp giảm lao động, nâng cao hiệu quả công việc, giảm chi phí, hạ giá thành phân bón.

Tổng quan các công đoạn dây truyền sản xuất phân bón

Hình 1 1: Sơ đồ quá trình sản xuất phân bón

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Tiên Người hướng dẫn: TS Nguyễn Đức Quận 1

Thiết kế hệ thống băng tải định lượng, trộn phân tự động dùng PLC S7 – 1200 điều khiển và giám sát bằng wincc

Các nguyên liệu như Đạm Urê, Kali trắng, MAP, và các nguyên tố vi lượng khác,… Được đựng trong các bể cấp liệu Sau khi tính toán tỉ lệ các nguyên liệu trong thành phần phân bón, nguyên liệu được xả từ bể xuống băng tải Băng tải vừa vận chuyển, vừa cân khối lượng nguyên liệu sao cho đúng với tỉ lệ được đặt trước Sau đó nguyên liệu được vận chuyển đến máy nghiền thành dạng bột hoặc hạt nhỏ hơn để dễ dàng trộn lẫn với nhau Tiếp đó, nguyên liệu được cho vào máy trộn cùng một số chất phụ gia để trộn toàn bộ nguyên liệu thành một khối đồng nhất trước khi được đưa đến máy ép viên Cuối cùng sản phẩm được đóng gói và lưu kho

Giới thiệu hệ thống băng tải định lượng [6] 2 1 Giới thiệu chung

Cấu tạo của băng tải định lượng

Cân định lượng gồm có những thành phần cấu tạo chính sau đây:

1 Hệ thống khun cơ khí:

 Hệ thống con lăn tải

 Băng tải vận chuyển nguyên liệu

 Một số linh kiện, phụ kiện hỗ trợ khác

2 Hệ thống cảm biến và điều khiển:

 Hệ thống cảm biến lực

 Thiết bị cảm biến lực (loadcell cân băng định lượng)

 Thiết bị cảm biến tốc độ

 Bộ chỉ thị điều khiển

3 Hệ thống điều khiển tự động hóa

 Hệ thống tủ điện điều khiển trung tâm

 Phần mềm điều khiển cân băng định lượng

Hình 1 2: Cấu tạo của băng tải định lượng

Hiện nay cân băng định lượng đang được sử dụng rất phổ biến trong các dây chuyền sản xuất cần định lượng như: Nhà máy sản xuất thạch cao (cân băng định lượng trong nhà máy thạch cao), nhà máy xi măng, nhà máy phân bón, nhà máy gạch,đóng gói bột, bánh kẹo, sữa, Bên cạnh đó, cân băng tải còn được sử dụng nhiều trong các công ty chế biến, khai thác khoáng sản, nhiệt điện

Quy trình hoạt động của băng tải định lượng

Đầu tiên, người vận hành sẽ lấy giá trị trừ bì của băng tải bằng cách cho băng tải chạy ở trạng thái rỗng ( không có nguyên liệu ở trên băng) Cảm biến Load cell sẽ đo khối lượng của băng tải và bàn cân trong 1000 lần, bộ điều khiển sẽ chia lấy giá trị trung bình để lưu vào bộ nhớ làm giá trị bì ( ) Tiếp đến, người vận hành sẽ đo nhập giá trị năng suất (set point) vào màn hình điều khiển giám sát HMI Nguyên liệu được đổ vào phễu chứa Khi nhấn nút hoạt động, băng tải được truyền động bằng động cơ qua hộp số để tăng momen kéo.

Khi băng tải hoặt động, nguyên liệu được kéo ra và dẫn lên một bàn cân được bố trí dưới băng tải Lượng vật liệu này cùng băng tải và bàn cân tác dụng lên loadcell. Tín hiệu điện áp ra của loadcell được khuếch đại và đưa đến bộ điều khiển đế tính ra khối lượng loadcell cân được (Qa) Bộ điều khiển sẽ lấy giá trị Qa vừa đo được trừ đi giá trị bì Q0 đã lưu trong bộ nhớ để xác định được khối lượng nguyên liệu (Qb) đang chạy trên băng tải tại thời điểm đo Cùng lúc đó cảm biến tốc độ sẽ đo tốc độ quay của tang bị động và gửi truyền về bộ điều khiển để tính được tốc độ dài ( V ) của băng tải theo công thức :

Với : 𝐷: đường kính tang bị động (𝑚)

RRP 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑖𝑜𝑛: độ phân giải của encoder (𝑥𝑢𝑛𝑔/𝑣ò𝑛𝑔) 𝐶𝑜𝑢𝑛𝑡𝑃𝑢𝑙𝑠𝑒: số xung Encoder đếm được

Thiết bị điều khiển đưa ra năng suất nguyên liệu thực tế dựa vào tín hiệu khối lượng nguyên liệu và tốc độ băng tải:

Q : lưu lượng nguyên liệu ( kg/s)

: chiều dài lớp liệu được cân trên băng tải(m)

Bộ điều khiển sẽ so sánh lưu lượng nguyên liệu thực tế (actual value) với giá trị cài đặt Bộ điều khiển xử lý tính toán theo thuật toán PID để luôn đảm bảo lưu lượng nguyên liệu đúng với giá trị cần thiết Khi mà lưu lượng nguyên liệu trên băng tải nhỏ hơn giá trị đặt thì đòi hỏi phải tăng tốc độ động cơ lên để băng tải chuyển động nhanh hơn, nhầm cung cấp đủ lượng nguyên liệu cần thiết Ngược lại khi lượng nguyên liệu trên băng tải vận chuyển với lưu lượng nhiều hơn thì bộ điều khiển sẽ tự động điều khiển cho động cơ quay với tốc độ chậm lại.

Nghiên cứu một hệ thống băng tải định lượng và trộn phân tự động cụ thể 4 1.4 Mục tiêu, phạm vi nghiên cứu của đề tài 5 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6 2.1 Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ [13] 6 2.1.1 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ

Điều chỉnh động cơ bằng cách thay đổi tần số nguồn

Như ta đã biết, tốc độ đồng bộ của động cơ phụ thuộc vào tần số nguồn và số đôi cực từ được tính theo công thức

Mà ta lại có, tốc độ của rotor động cơ quan hệ với tốc độ đồng bộ được tính theo công thức

Do đó bằng việc thay đổi tần số nguồn f1 hoặc thay đổi số đôi cực từ có thể điều chỉnh được tốc độ của động cơ không đồng bộ Khi động cơ đã được

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Tiên Người hướng dẫn: TS Nguyễn Đức Quận 6 chế tạo thì số đôi cực từ không thể thay đổi được do đó chỉ có thể thay đổi tần số nguồn f1 Bằng cách thay đổi tần số nguồn có thể điều chỉnh được tốc độ của động cơ Nhưng khi tần số giảm, trở kháng của động cơ giảm theo

(X=2πfL) Kết quả là làm cho dòng điện và từ thông của động cơ tăng lên.

Nếu điện áp nguồn cấp không giảm sẽ làm cho mạch từ bị bão hòa và động cơ không làm việc ở chế độ tối ưu, không phát huy được hết công suất

Vì vậy người ta đặt ra vấn đề là khi thay đổi tần số cần có một luật điều khiển nào đó sao cho từ thông của động cơ không đổi Từ thông này có thể là từ thông stato Φ1, từ thông của rotor Φ2, hoặc từ thông tổng của mạch từ hóa Φà Vỡ momen động cơ tỉ lệ với từ thụng trong khe hở từ trường nờn việc giữ cho từ thông không đổi cũng làm giữ cho momen không đổi Có thể kể ra các luật điều khiển như sau:

- Luật hệ số quá tải không đổi: λ = Mth/Mc = const

- Luật dòng điện không tải không đổi: I0 = const

- Luật điều khiển dòng stato theo hàm số của độ sụt tốc: I1 = f(Δω) Đây chính là phương án được sử dụng rộng rãi ngày nay trong các hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ của các nhà máy sản xuất

Phương pháp điều chỉnh U/f = const

Sức điện động của cuộn dây stato E1 tỷ lệ với từ thông Φ1 và tần số f1 được tính theo công thức

Nếu bỏ qua sụt áp trên tổng trở stato Z1, ta có E1 ≈ U1 được tính theo công thức

2- Như vậy để giữ từ thông không đổi ta cần giữ tỷ số U1/f1 không đổi Trong phương pháp U/f = const thì tỷ số U1/f1 được giữ không đổi và bằng tỷ số này ở định mức Cần lưu ý khi momen tải tăng, dòng động cơ tăng làm tăng sụt áp trên điện trở stato dẫn đến E1 giảm, nghĩa là từ thông động cơ giảm Do dó động cơ không hoàn toàn làm việc ở chế độ từ thông không đổi

Ta có công thức tính momen cơ của động cơ như sau:

Momen tới hạn được tính theo công thức

Khi hoạt động ở định mức được tính theo công thức

2- Với f1 là tần số làm việc của động cơ, f1dm là tần số định mức Theo luật U/f const ta có công thức

Ta thu được công thức

Phân tích tương tự, ta cũng thu được:

Thay các giá trị trên ta thu được công thức tính momen và momen tới hạn của động cơ ở tần số khác định mức được tính theo công thức

Với K là một hằng số được chọn sao cho giá trị U1 cấp cho động cơ U=Udm tại f = fdm Khi a > 1 (f > fdm ), điện áp được giữ không đổi và bằng định mức Khi

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Tiên Người hướng dẫn: TS Nguyễn Đức Quận 8 đó động cơ hoạt động ở chế độ suy giảm từ thông Sau đây là đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa momen và điện áp theo tần số trong phương pháp điều khiển U/f=const:

Hình 2 1: Đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa momen và điện áp theo tần số theo luật điều khiển U/f=const

Từ đồ thị ta có nhận xét sau:

+ Dòng điện khởi động yêu cầu thấp hơn

+ Vùng làm việc ổn định của động cơ tăng lên Thay vì chỉ làm việc ở tốc độ định mức, động cơ có thể làm việc từ 5% của tốc độ đồng bộ đến tốc độ định mức Momen tạo ra bởi động cơ có thể duy trì trong vùng làm việc này

+ Chúng ta có thể điều khiển động cơ ở tần số lớn hơn tần số định mức bằng cách tiếp tục tăng tần số Tuy nhiên do điện áp đặt không thể tăng trên điện áp định mức Do đó chỉ có thể tăng tần số dẫn đến momen giảm Ở vùng trên vận tốc cơ bản các hệ số ảnh hưởng đến momen trở nên phức tạp

+ Việc tăng tốc giảm tốc có thể được thực hiện bằng cách điều khiển sự thay đổi của tần số theo thời gian

Kết luận: Sau khi so sánh phân tích, giới thiệu các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ em nhận thấy phương pháp thay đổi tần số cho phép điều chỉnh cả momen và tốc độ với chất lượng cao nhất Đây cũng chính là phương án tối ưu nhất được sử dụng rộng rãi ngày nay trong các hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ của các nhà sản xuất.

2.2 Giới thiệu chung về biến tần [14]

Trong thực tế có rất nhiều hoạt động trong công nghiệp có liên quan đến tốc độ động cơ điện Ví dụ: máy ép nhựa làm đế giầy, cán thép, hệ thống tự động pha trộn nguyên liệu,… Vì thế, việc điều khiển và ổn định tốc độ

Thiết kế hệ thống băng tải định lượng, trộn phân tự động dùng PLC S7 – 1200 điều khiển và giám sát bằng wincc động cơ được xem như vấn đề chính yếu của các hệ thống điều khiển trong công nghiệp. Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thông… Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu của phụ tải cơ Có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ:

+ Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyển tiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản xuất.

+ Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện.

Phương pháp biến đổi tốc độ góc làm giảm tính phức tạp của cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh, đặc biệt linh hoạt khi ứng dụng các hệ thống điều khiển bằng điện tử Vì vậy, bộ biến tần được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ theo phương pháp này.

+ Chiếm 30% thị trường biến tần là các bộ điều khiển moment.

+ Điều chỉnh lưu lượng tương ứng với điều chỉnh tốc độ bơm và quạt + Điều chỉnh áp suất tương ứng với điều chỉnh góc mở của van.

+ Giảm tiếng ồn công nghiệp

+ Năng lượng sử dụng tỉ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của tốc độ động cơ

+ Giúp tiết kiệm điện năng tối đa.

+ Như tên gọi, bộ biến tần sử dụng trong hệ truyền động, chức năng chính là thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ để thay đổi tốc độ động cơ.

- Biến tần thường được chia làm hai loại:

- Biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp.

Nguyên lý hoạt động

Cấu trúc cơ bản của một biến tần:

Hình 2 2: Cấu trúc cơ bản của biến tần

Tín hiệu vào là điện áp xoay chiều một pha hoặc ba pha Bộ chỉnh lưu có nhiệm biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều.

Bộ lọc có nhiệm vụ san phẳng điện áp một chiều sau chỉnh lưu.

Nghịch lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều có tần số có thể thay đổi được Điện áp một chiều được biến thành điện áp xoay chiều nhờ việc điều khiển mở hoặc khóa các van công suất theo một quy luật nhất định.

Bộ điều khiển có nhiệm vụ tạo tín hiệu điều khiển theo một luật điều khiển nào đó đưa đến các van công suất trong bộ nghịch lưu

Mạch kích là bộ phận tạo tín hiệu phù hợp để điều khiển trực tiếp các van công suất trong mạch nghịch lưu

Mạch cách ly có nhiệm vụ cách ly giữa mạch công suất với mạch điều khiển để bảo vệ mạch điều khiển.

Màn hình hiển thị và điều khiển có nhiệm vụ hiển thị thông tin hệ thống như tần số, dòng điện, điện áp,… và để người sử dụng có thể đặt lại thông số cho hệ thống.

Chuẩn truyền thông công nghiệp Modbus – Giao thức RTU [15] 12 1 Khái niệm

Phân loại

Hiện nay có 3 chuẩn modbus đang được sử dụng phổ biến trong công nghiệp – tự động hóa là: Modbus RTU, Modbus ASCII, Modbus TCP được mô tả như sau:

- Modbus RTU: Dữ liệu được mã hóa theo hệ nhị phân, và chỉ cần một byte truyền thông cho một byte dữ liệu.

- Modbus TCP: Modbus TCP/IP đơn giản là Modbus truyền thông qua Ethernet trên nền sử dụng IP cho mỗi thiết bị Slave.

- Modbus ASCII: Mọi thông điệp được mã hóa bằng hexadeci-mal, sử dụng đặc tính ASCII 4 bit.

Giao thức RTU

Giao thức Modbus RTU là một giao thức mở, sử dụng đường truyền vật lý RS-232 hoặc RS485 và mô hình dạng Master-Slave Đây là một giao thức được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực tự động hóa, công nghiệp vì những ưu điểm ổn định - đơn giản - dễ dùng.

Cấu trúc của Modbus RTU

Modbus RTU bao gồm: 1 byte địa chỉ - 1 byte mã hàm - n byte dữ liệu - 2 byte CRC như hình ở dưới:

Hình 2 4: Cấu trúc của Modbus RTU

Chức năng và vai trò cụ thể như sau:

- Byte địa chỉ: xác định thiết bị mang địa chỉ được nhận dữ liệu (đối với

Slave) hoặc dữ liệu nhận được từ địa chỉ nào (đối với Master) Địa chỉ này được quy định từ 0 - 254

- Byte mã hàm: được quy định từ Master, xác định yêu cầu dữ liệu từ thiết bị

Slave Ví dụ mã 01: đọc dữ liệu lưu trữ dạng Bit, 03: đọc dữ liệu tức thời dạng Byte, 05: ghi dữ liệu 1 bit vào Slave, 15: ghi dữ liệu nhiều bit vào Slave

- Byte dữ liệu: xác định dữ liệu trao đổi giữa Master và Slave. o Đọc dữ liệu:

 Master: 2 byte địa chỉ dữ liệu - 2 byte độ dài dữ liệu

 Slave: 2 byte địa chỉ dữ liệu - 2 byte độ dài dữ liệu - n byte dữ liệu đọc được o Ghi dữ liệu:

 Master: 2 byte địa chỉ dữ liệu - 2 byte độ dài dữ liệu - n byte dữ liệu cần ghi

 Slave: 2 byte địa chỉ dữ liệu - 2 byte độ dài dữ liệu

- Byte CRC: 2 byte kiểm tra lỗi của hàm truyền cách tính giá trị của ByteCRC 16 Bit

Ưu điểm của Modbus RTU

Đơn giản về kết nối vì chỉ với 2 dây chúng ta có thể giao tiếp master với nhiều node.

Phần cứng giá rẻ, hệ sinh thái tốt, dùng phổ biến trong công nghiệp.

Cách giao tiếp Modbus RTU

Modbus RTU có mô hình dạng Master-Slave, dùng đường truyền vật lý RS485 nên để giao tiếp được giữa master và slave ta phải cài đặt các thông số về tốc độ truyền baudrate (4800.9600.115200 ), số data bit (7-8), bit stop (0-1-2) , Flag Parity kiểm tra chẵn lẻ (None, Event, Odd) Ngoài các thông số trên phản giống nhau giữa master và slave, thì bên master phải biết được ID của slave cần giao tiếp.

Mỗi thiết bị trong mạng modbus được cung cấp một địa chỉ duy nhất Trong mạng modbus chỉ có 1 node được gán là Master (ta gọi là Master, các node còn lại gọi là Node) mới có thể khởi tạo lệnh Trong frame truyền có chứa địa chỉ của thiết bị slave (1 đến 247), chỉ thiết bị có ID tương ứng mới đáp ứng, mặc dù các thiết bị khác có thể nhận được nó (một ngoại lệ là các lệnh có thể phát được cụ thể được gửi đến nút 0, được thực hiện nhưng không được xác nhận) Tất cả các lệnh Modbus chứa thông tin tổng kiểm tra (check sum CRC) để cho phép người nhận phát hiện lỗi truyền Master sẽ đọc và ghi các dữ liệu vào thanh ghi của thiết bị slave.

Cách đấu nối A- (Master) < -> A- (Slave) B+ (Master) < -> B+ (Slave) GND (Master) < -> GND (Slave)

TÍNH TOÁN, PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ BĂNG TẢI ĐỊNH LƯỢNG VÀ TRỘN PHÂN TỰ ĐỘNG 15 3.1 Thiết kế hệ thống băng tải định lượng và trộn phân tự động 15 3.2 Lựa chọn thiết kế băng tải 15 3.3 Tính chọn công suất động cơ cho cân băng định lượng 15 3.4 Lựa chọn biến tần: 17 3.3.1 Vai trò của biến tần trong hệ thống băng tải định lượng

Tính toán công xuất biến tần

Động cơ sử dụng trong đề tài có công suất 18,5kW Để chọn được công suất của biến tần điều khiển động cơ ta lấy công suất động cơ nhân thêm hệ số k (1

Tiêu đề	Thiết Kế Hệ Thống Băng Tải Định Lượng, Trộn Phân Tự Động Dùng PLC S7- 1200 Điều Khiển Và Giám Sát Bằng WinCC
Tác giả	Nguyễn Văn Tiên
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Đức Quận
Trường học	Đại học Đà Nẵng
Chuyên ngành	Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
Thể loại	Đồ Án Tốt Nghiệp
Năm xuất bản	2023
Thành phố	Đà Nẵng

Định dạng
Số trang	94
Dung lượng	13,77 MB