Thiết kế bộ điều khiển mờ nâng cao chất lượng hệ thống cân băng định lượng

Có nhiều c ch để x c định tốt độ của động cơ: có thể dùng m y ph t tốc một chiều, xoay chiều, hay m y ph t tốc xung được sử dụng trong hệ thống ít chịu ảnh hưởng của nhiễu b n ngoài, tốc

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Th i Nguy n – 2021

1

LỜ CAM OAN

Tôi là Lục Tiến Anh Toàn sinh ngày 17 th ng 11 năm 1995, học viên cao học lớp CH-K22 tại trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên Tôi xin cam

đoan đề tài " Thiết kế bộ điều khiển mờ Nâng cao chất lượng hệ thống cân băng

định lượng " là kết quả nghiên cứu của ri ng tôi dưới sự hướng dẫn của TS Lê Thị

Thu Hà Các nguồn tài liệu tham khảo li n quan đều được trích xuất rõ ràng

Nếu có điều gì không đúng với lời cam đoan tôi xin chịu theo quy chế hiện

1.1 Giới thiệu về hệ thống cân băng định lượng 12

1.1.1 Giới thiệu chung 12

1.1.2 Giới thiệu hệ thống cân băng định lượng trong nhà m y xi măng Bỉm Sơn 12

1.2 Hệ thống cân băng định lượng cấp liệu cho máy nghiền liệu 15

1.2.1 Nhiệm vụ của hệ thống cân băng 15

1.2.2 Thông số kỹ thuật của hệ thống 16

1.2.3 Hệ thống cân băng định lượng trong công đoạn cấp liệu cho máy nghiền liệu 17

1.3 Hệ thống cân băng định lượng cấp sét cho máy nghiền liệu 18

1.3.1 Cấu tạo cân băng định lượng cấp sét cho máy nghiền 18

1.3.2 Các thiết bị đo lường 19

1.3.3 Nguyên tắc tính to n lưu lượng băng tải 24

1.3.4 Cấu trúc hệ thống điều khiển cân băng định lượng 31

1.4 Tính toán tải trọng trên sàn của cân băng tải 33

1.5 Xây dựng hàm truyền của hệ thống 34

1.5.1 Hàm truyền đạt của biến tần WBT 35

1.5.2 Hàm truyền của động cơ không đồng bộ 35

1.5.3 Hàm truyền của khâu đo tốc độ băng tải (v) 36

3

1.5.4 Hàm truyền của băng tải 37

1.5.5 Hàm truyền đạt của Loadcell WL(p) 37

2.1.2 Phương ph p Chien – Hrones – Reswick 42

2.1.3 Phương ph p tổng T của Kuhn 44

2.1.4 Phương ph p tối ưu độ lớn 46

2.1.5 Phương ph p tối ưu đối xứng 49

2.3.2 Bộ điều khiển mờ thích nghi 55

2.3.3 Chỉnh định thích nghi PID nhờ suy luận logic mờ 59

2.4 Điều khiển thích nghi 64

2.5 Kết luận 64

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHO HỆ THỐNG CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG 65

3.1 Mô hình hàm truyền của hệ thống cân băng định lượng nhà máy xi măng 65

3.2 Xây dựng bộ điều khiển PID theo lý thuyết kinh điển 66

4

3.2.1 Phương ph p theo thời gian tổng Kuhn 66

3.2.2 Phương ph p p đặt thời gian qu độ 70

3.3 Xây dựng bộ điều khiển mờ theo phương ph p Zhao-Tomizuka-Isaka 76

3.3.1 Giới thiệu về phương ph p 76

3.3.2 Nội dung chính của phương ph p được ứng dụng cho hệ truyền động có khe hở 78

3.3.3 Kết quả Mô phỏng hệ thống trên Matlab/Sumilink 80

3.4 So sánh kết quả của 2 phương ph p 83

Hình 2.2: X c định tham số cho mô hình xấp xỉ đối tượng 40

Hình 2.4: Hàm qu độ đối tượng thích hợp cho phương ph

6

Hình 2.8: Minh họa thiết kế bộ điều khiển PID tối ưu đối xứng 51

Hình 2.9: Bộ điều khiển mờ lai có khâu tiền xử lý m 54

Hình 2.11: Phương ph p điều khiển thích nghi trực tiếp 56

Hình 2.12: Phương ph p điều khiển thích nghi gi n tiếp 56

Hình 2.13: Điều khiển thích nghi có mô hình theo dõi 58

Hình 2.14: Cấu trúc hệ PID thích nghi tr n nền suy luận logic mờ 59

Hình 2.15: Giải thích kh i niệm gi trị ngôn ngữ (tập mờ) 60

Hình 2.16: Minh họa nguy n lý làm việc của động cơ suy diễn 63

Hình 2.17: Minh họa nguy n tắc giải mờ theo phương ph p điểm trọng tâm 64

Hình 3.2: Biến đổi về phản hồi cơ bản theo lý thuyết điều khiển tự động 66 Hình 3.3: Sơ đồ cấu trúc hàm truyền sau khi biến đổi 66 Hình 3.4: Sơ đồ mô phỏng với bộ điều khiển PID theo phương ph p tổng

Hình 3.5: Đ p ứng lưu lượng Q hệ thống với bộ điều khiển PID 67 Hình 3.6: Đ p ứng vận tốc dài v (m/s)băng tải với bộ điều khiển PID theo

Hình 3.7: Tín hiệu khối lượng q (kg) tr n băng tải với bộ điều khiển PID theo 68

7

phương ph p tổng Kuhn với tín hiệu đặt là hàm 1(t)

Hình 3.8: Sơ đồ mô phỏng tr n Matlab/simulink với bộ điều khiển PID theo phương ph p tổng Kuhn khi đ p ứng là hàm có bước nhảy 69 Hình 3.9: Đ p ứng lưu lượng Q hệ thống với bộ điều khiển PID

theo phương ph p tổng Kuhn khi tín hiệu đặt hàm có bước nhảy 69 Hình 3.10: Đ p ứng vận tốc dài v (m/s) băng tải với bộ điều khiển PID theo phương ph p tổng Kuhn khi tín hiệu đặt hàm có bước nhảy 70 Hình 3.11: Tín hiệu khối lượng q (kg) tr n băng tải với bộ điều khiển PID theo phương ph p tổng Kuhn khi tín hiệu đặt là hàm có bước nhảy 70 Hình 3.12: Điều khiển theo mô hình mẫu tương ứng với thời gian qu độ đặt

Hình 3.14: Sơ đồ mô phỏng tr n Matlab/simulink với bộ điều khiển PID theo

Hình 3.15: Đ p ứng lưu lượng Q hệ thống với bộ điều khiển PID theo phương

Hình 3.16: Đ p ứng vận tốc dài v (m/s)băng tải với bộ điều khiển PID theo

Hình 3.17: Tín hiệu khối lượng q tr n băng tải với bộ điều khiển PID theo

Hình 3.24: Đ p ứng lưu lượng Q (T/h) hệ thống với bộ điều khiển mờ theo phương ph p mờ theo phương ph p Zhao-Tomizuka-Isaka 81 Hình 3.25: Đ p ứng vận tốc dài v (m/s) hệ thống với bộ điều khiển mờ theo phương ph p mờ theo phương ph p Zhao-Tomizuka-Isaka 81

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Lê Thị Thu Hà

10

MỞ ẦU 1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm gần đây, với sự ph t triển mạnh của khoa học kĩ thuật, công cuộc công nghiệp ho , hiện đại ho đất nước đang được Đảng và nhà nước chú trọng Trước tình hình đó th ch thức đặt ra phải nắm bắt công nghệ mới để đưa vào phục vụ sản suất thay thế cho công nghệ cũ, thủ công, lạc hậu nhằm tăng năng suất và chất lượng ổn định, tăng khả năng cạnh tranh cho hàng ho trong nước

Công nghệ cân băng tải đã từ lâu là cần thiết và không thể thiếu trong c c dây chuyền công nghiệp, đặc biệt là trong c c nhà m y sản xuất xi măng, trong c c nhà m y sản suất đ granite

C c hệ điều khiển như PID,Vi xử lý, PLC … không mới nhưng đang đổi mới rất nhanh về công nghệ phần cứng và c c tính năng ứng dụng Nó có nhiều ưu việt trong c c qu trình điều khiển tự động, thay thế rất nhiều thiết bị phức tạp để thực hiện c c công việc phức tạp, biến nó trở thành đơn giản Ngày nay việc ứng dụng c c thiết bị điều khiển như PID, Vi xử lý, PLC… hết sức rộng rãi trong c c thiết bị công nghiệp Cùng với đó, công nghệ biến tần ph t triển cũng đă giúp điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều 3 pha một c ch linh hoạt, thay thế c c động cơ một chiều phức tạp và đắt đỏ, với một dải điều chỉnh kh rộng

Vì vậy nghi n cứu thiết kế nâng cao chất lượng hệ thống cân băng định lượng trong nhà máy sản xuất xi măng, c c nhà m y chế biến thức ăn gia xúc, chế biến thực phẩm là cấp thiết

2 Mục tiêu nghiên cứu

Xây dựng mô tả công nghệ và nguy n lý điều khiển của hệ thống cân băng định lượng

Tính to n, thiết kế, Mô phỏng cấu trúc tr n Matlab/simulink

11

3 Phương pháp nghiên cứu

- Nghi n cứu tài liệu khoa học (Tr n mạng internet, Trung tâm học liệu Đại học Th i Nguy n)

- Nghi n cứu thực tế Cân băng định lượng của Tập đoàn SSG về khai th c kho ng sản và Công ty xi măng Bỉm Sơn

12

C ƯƠN : Ớ T U VỀ N À M SỬ DỤN T ỐN CÂN BĂN ỊN LƯỢN

1.1 Giới thiệu về hệ thống cân băng định lượng 1.1.1 Giới thiệu chung

Hệ thống cân băng đinh lượng là một trong c c hệ thống có vai trò rất quan trọng trong c c dây truyền công nghệ hầu hết c c qu trình công nghệ đều sử lý từ c c nguy n liệu thô ban đầu để cung cấp ra c c thành phần Mọi công đoạn sử lý nguy n liệu chúng cũng cần phải định lượng Từ những lĩnh vực đơn giản đến phức tạp như pha chế một hỗn hợp đảm bảo sự chính x c cao c c thành phần và đồ đồng nhất do đó c c nguy n liệu thô ban đầu được định lượng

Vai trò tự động ho của việc cân định lượng không thể thiếu được trong hệ thống có mức độ tự động ho cao

Một trong c c hệ thống cân định lượng nổi bật là hệ thống cân băng định lượng trong nhà m y xi măng Bỉm Sơn, nó tham gia vào nhiều công đoạn quan trọng trong công nghệ sản xuất xi măng

Công nghệ sản xuất xi măng là một công nghệ phức tạp bao gồm nhiều qu trình và có nhiều nguy n liệu tham gia như: đ vôi, đ sét, quặng, phụ gia…với khối lượng tương đối lớn

1.1.2 Giới thiệu hệ thống cân băng định lượng trong nhà máy xi măng Bỉm Sơn

Hệ thống cân băng định lượng là hệ thống cân băng tải động li n tục là thiết bị đầu vào bộ phận tiếp nhi u liệu có thể thấy rõ hơn nhiệm vụ của cân băng định lượng trong nhà m y qua c c sơ đồ tổng quan sau:

Mỏ khai th c đ sét Mỏ khai th c đ vôi Mỏ khai th c Perit Phụ gia

Cân băng định lƣợng đ vôi Cân băng định lƣợng Perit Cân băng định lƣợng phụ gia

14 3 Lò nung 9000C - 11000C

4 Làm nguội Clinker 5,6 Silô chứa Clinker 7 Silô chứa thạch cao

8 Silô chứa Basalt

16 Cân băng định lƣợng Clinker 17 Cân băng định lƣợng Thạch Cao 18 Cân băng định lƣợng Basalt

Nhìn vào sơ đồ tr n ta thấy công đoạn nghiền liệu có dùng hệ thống cân Harler gồm 4 cân Harler:

 Cân băng định lƣợng cấp đ vôi

 Cân băng định lƣợng cấp đ sét

 Cân băng định lƣợng cấp quặng

 Cân băng định lƣợng cấp phụ gia

Nhìn vào sơ đồ nghiền xi măng ta thấy ở công đoạn nghiền xi măng có dùng hai hệ thống cân do hai hãng cân sản xuất

15  Hệ thống cân Harler

 Hệ thống cân Xanh

Cân Xanh có nhiệm vụ cấp than vào m y nghiền than

Hệ thống cân Harler có nhiệm vụ cấp thạch cao, Clinker, phụ gia cho m y nghiền xi măng

1.2 Hệ thống cân băng định lượng cấp liệu cho máy nghiền liệu 1.2.1 Nhiệm vụ của hệ thống cân băng

Hệ thống cân băng định lương cấp liệu cho m y nghiền liệu có nhiệm vụ x c định lượng đ vôi, đ sét, phụ gia cấp cho m y nghiền liệu sao cho đảm bảo về khối

Đối với 2 phương ph p tính to n theo giản đồ và phương ph p tính to n theo to n đồ không thường được sử dụng vì hay bị sai số trong qu trình tiến hành n n trong phối liệu sản xuất xi măng hay sử dụng phương ph p phân tích, đem lai hiệu quả cao hơn, độ chính x c cao hơn

Hiện nay nhà m y xi măng Bỉm Sơn sản xuất hai loại xi măng chính đó là xi măng hỗn hợp PC30 và PC40 Mỗi loại xi măng này có tỷ lệ kh c nhau do đó tỷ lệ lượng cấp vào m y nghiền cũng kh c nhau

Trong luận văn này em nghi n cứu về loại xi măng hỗn hợp PC30 để cho ra sản phẩm xi măng hỗn hợp PC30 nhà m y thường dùng tr n cơ sở đ vôi Hang Nước, đ sét Quyền Cây, xỉ Pyrit Lâm Thao và than Antrasit loại 4A

16 Theo b o c o thí nghiệm số 970314

Mà lò nung làm việc 24/24 và 315 ngày/năm vậy hệ thống cân băng định lượng cấp liệu cho m y nghiền có nhiệm vụ cấp đều và đủ theo tỷ lệ tr n với thời gian 24/24 và 315 ngày/năm

1.2.2 Thông số kỹ thuật của hệ thống

Để tạo ra loại xi măng hỗn hợp thì clinker phải có đủ 4 thành phần n u ở tr n.c c thành phần này được định lượng với sai số  3%

Tất cả c c động cơ của c c băng tải được điều khiển tốc độ qua bộ biến tần, c c tham số chính cuả hệ thống có thể cho phép đổi bằng chương trình tr n m y tính Ngoài việc định mức năng suất của hệ thống có thể thay đổi dễ dàng từ bàn phím m y tính hay trực tiếp điều khiển tr n bộ điều khiển HF9

Khi kết thúc một ca làm việc hay một ngày sản xuất m y tính tự động hiển thị số liệu, về năng suất, chất lượng y u cầu kỹ thuật để thuận tiện việc theo dõi hệ thống

17

1.2.3 Hệ thống cân băng định lượng trong công đoạn cấp liệu cho máy nghiền liệu

Để thực hiện được nhiệm vụ tr n ở nhà m y xi măng Bỉm Sơn thiết kế hệ cân gồm 7 cân băng kh c nhau:

- Ba cân băng định lượng cấp đ vôi vào m y nghiền liệu với công suất 30 đến 350 T/h

- Một cân băng định lượng cấp đ sét vào m y nghiền liệu với công suất 10 đến 100 T/h

- Một cân băng định lượng cấp siliccat vào m y nghiền liệu với công suất 2 đến 50 T/h

- Một cân băng định lượng cấp siliccat vào m y nghiền liệu với công suất 10 đến 50 T/h

- Một cân băng định lượng cấp than, phụ gia vào m y nghiền liệu với công suất 1 đến 20 T/h

Tuy có bảy hệ thống cân băng định lượng nhưng chỉ có năm băng cân hoạt động còn hai băng cân đ vôi để dự chữ Bốn băng cân nói tr n có cùng cấu tạo và nguy n tắc hoạt động chỉ kh c nhau ở lưu lượng đặt ở mỗi băng cân kh c nhau vì tỉ lệ và lưu lượng của đ vôi sét, quặng và phụ gia kh c nhau

C c băng cân này sẽ vận chuyển nguy n liệu từ c c silô tới m y nghiền liệu theo tỷ lệ mà c c kỹ sư vận hành đã đặt trước

Vì c c cân băng định lượng này có cấu tạo và nguy n lý làm việc giống nhau chỉ kh c nhau ở công xuất động cơ, chiều dài, chiều rộng băng tải… do đó trong luận văn này em chỉ nghi n cứu cân băng định lượng cấp sét cho m y nghiền liệu, c c cân băng định lượng kh c tương tự

18

Hình 1.2: Hệ thống cân bằng định lượng trong nhà máy

1.3 Hệ thống cân băng định lƣợng cấp sét cho máy nghiền liệu

Trong nhà m y xi măng Bỉm Sơn đang sản xuất hai loại xi măng chính PC30 và PC40, ở đồ n này em nghi n cứu cân băng định lƣợng cấp sét cho m y nghiền liệu để sản xuất ra xi măng hỗn hợp PC30

1.3.1 Cấu tạo cân băng định lƣợng cấp sét cho máy nghiền

1 Phễu cung cấp nguy n liệu

1.3.2.1 SFT – Thiết bị đo trọng lượng dạng số (Loadcell dạng số )

SFT là ba chữ viết tắt của ba từ tiếng anh tương ứng: Smart-Force-Transducer, dịch một c ch nôm nà là: Thiết bị đo lường trọng lượng thông mịnh Vậy thực chất nó thông mịnh ở điểm nào

Cấu trúc của SFT có dạng như hình sau đây:

20  Đầu đo nhiệt độ:

Nhằm x c định nhiệt độ của môi trường, phục vụ cho công việc hiệu chỉnh trọng lượng của tải trọng do đầu đo trọng lượng x c định được

 Đầu đo trọng lượng:

Đầu đo trọng lượng gồm một cầu cân, nơi mà tải trọng cần đo được đặt l n đó, cầu cân làm nhiệm vụ truyền lực t c dụng của tải trọng l n đầu của một dây dẫn, dây dẫn này sẽ thay đổi độ căng dưới t c động của trọng tải Dây dẫn được đặt trong từ trường không đổi tạo bởi nam châm vĩnh cửu, khi độ căng của dây dẫn thay đổi, tần số rung của dây dẫn cũng thay đổi theo, do đó điện p mà nó cảm ứng được do cắt c c đường sức từ cũng thay đổi theo Điện p mà do dây rung sinh ra có quan hệ mật thiết với tải trọng

 Bộ chuyển đổi:

Nhằm chuyển đổi c c tín hiệu đo lường của c c đầu đo nhiệt độ và đầu đo trọng lượng thành c c tín hiệu số

 Bộ vi sử lý:

Thực hiện việc bù nhiệt, tuyến tính ho , trọng lượng của tải trọng đã được x c định nhờ đầu đo trọng lượng Đồng thời bộ vi sử lý cũng thực hiện công việc trao đổi thông tin với b n ngoài qua giao diện nối tiếp dạng RS-485, với tốc độ truyền

SFT là thiết bị đo lường trọng lượng chuy n dụng đựơc trang bị kèm theo với HF9 QUADRO Trong một hệ thống cân định lượng có thể dùng tối đa 5SFT; 2SFT được lắp đặt để cân băng tải ( Trong trường hợp tải trọng đủ nhỏ chỉ cần dùng một SFT ), 3SFT được lắp đặt để cân phễu Có thể có tới 15SFT cùng truy nhập thông tin qua một đường giao diện nối tiếp, điều này giảm được đ ng kể số dây nối được dùng trong hệ thống

1.3.2.2 Đo lường trọng lượng dùng cầu điện trở – Loadcell dạng tương tự

Khi cầu đo có tải trọng lớn, số SFT đã được x c định trong hệ thống cân định lượng qua tải, lúc này cần c c thiết bị cân bổ xung th m để chia sẻ sự qu tải của c c SFT C c thiết bị phụ trợ này chính là c c Loadcell tương tự

23

Loadcell tương tự có cấu trúc nhu hình tr n Nó chính là một cầu điện trở, c c điện trở trong cầu có khả năng thay đổi gi trị điện trở của nó nhờ vào biến dạng khi có một tải trọng đè l n nó Tín hiệu đo lường là điện p Ud1, ở điều kiện bình thường (khi không tải trọng t c động l n c c điện trở), Ud1 = 0 Khi đi n trở R1 và R2 chịu t c động của cùng mọi tải trọng, đi n trở của chúng thay đổi, lượng thay đổi này tỉ lệ với tải trọng đặt l n nó, và tỉ lệ với gi trị của Ud1 (khi điện p nguồn Un

không đổi) Hai điện trỏ R3, R4 dùng để bù nhiệt cho qu trình

Loadcell dạng tương tự không phải là thiết bị chuy n dụng cho HF9 QUADRO Khi sử dụng chúng, người dùng cần phải cung cấp c c thông tin cho HF9 QUADRO giúp cho việc biến đổi tín hiệu đo lường dạng tương tự của loadcell sang tín hiệu số, cũng như phải tự hiệu chỉnh chúng

1.3.2.3 Đo lường tốc độ của băng tải

Việc đo lường tốc độ của băng tải là rất cần thiết khi cần điều chỉnh lưu lượng của dòng nguy n liệu mà nó cung cấp Tốc độ của động cơ (khi đã qua hộp số) và tốc độ của băng tải là bằng nhau nếu như băng tải không bị trượt tr n tang quay chủ động (trục quay của tang quay này được nối với trục động cơ qua hộp số) Khi có sự trượt băng tr n tang chủ động, sẽ dẫn đến sai lệch giữa tốc độ của băng tải và tốc độ động cơ Hơn nữa, sự trượt băng tải tr n c c tang quay sẽ gây n n momen cản lớn do ma s t trượt sinh ra

Có nhiều c ch để x c định tốt độ của động cơ: có thể dùng m y ph t tốc một chiều, xoay chiều, hay m y ph t tốc xung (được sử dụng trong hệ thống) ít chịu ảnh hưởng của nhiễu b n ngoài, tốc độ đo được có thể biến đổi trực tiếp thành số bằng c ch đếm số xung trong một đơn vị thời gian Tuy nhi n, khi dùng m y ph t tốc xung, tốc độ đo được của động cơ đồng thời bị số ho , độ phân giải của phép đo phụ thuộc vào số xung ph t ra trong một vòng quay của động cơ, mà số xung này là hữu hạn, vì phụ thuộc số khe hở và độ nhậy của c c Transitor quang

Trục động cơ Vòng tròn

có đục lỗ

Xung ra

24

Hình 1.6 Máy phát tốc xung

Tốc độ của băng tải cũng được x c định nhờ vào m y ph t tốc xung Trục của m y ph t tốc xung được li n động trực tiếp với băng tải

1.3.3 Nguyên tắc tính toán lưu lượng băng tải

1.3.3.1 Nguy n lý đo lưu lượng

Hình 1.7: Nguyên lý đo lưu lượng

Để đảm bảo ổn định lưu lượng Q cho qu trình công nghệ, từ đó phối liệu để làm n n sản phẩm, ta có hai c ch:

- Điều chỉnh sao cho P cung cấp không đổi

25

Có nghĩa là bằng c ch nào đó ta làm cho khối lượng ra khỏi Silô xuống băng tải là không đổi, phương ph p này thường p dụng cho vật liệu rất mịn và nhỏ

Có 3 phương ph p điều chỉnh cấp liệu cho băng cân

+ Cấp liệu gi n đoạn: dùng sensor ph t hiện mức của vật liệu

+ Cấp liệu li n tục: sử dụng bộ điều chỉnh PID để điều chỉnh thiết bị cấp liệu, thiết bị ở đây là van cấp liệu hoặc van quay

+ Kết hợp cả hai phương ph p tr n

- Điều chỉnh tốc độ động cơ

Thay đổi tốc độ của băng tải để đảm bảo lưu lượng ra không đổi

+ Ta có thể dùng động cơ 1 chiều với bộ băm xung để điều chỉnh tốc độ (Hệ T-Đ), hoặc dùng hệ m y ph t - Động cơ (F-Đ)

+ Ta có thể dùng động cơ xoay chiều ba pha với bộ biến tần

Ngày nay, với công nghệ biến tần ph t triển việc dùng biến tần với động cơ xoay chiều ba pha có nhiều ưu điểm, tuy bộ điều chỉnh không bằng dùng động cơ một chiều những dùng phương ph t này động cơ rẻ và sẵn có hơn, thay thế và mua mới dễ ràng, kết nối biến tần với bộ vi điều khiển dễ ràng

Để có độ chính x c và dải điều chỉnh lưu lượng cao thì cần phải kết hợp cả điều chỉnh tốc độ động cơ và điều chỉnh lưu lượng li u đổ xuống băng trong đồ n này chỉ đề cập đến việc điều chỉnh tốc độ động cơ

Để tính được lưu lượng vật liệu tr n băng cân biến, ta dùng cảm đo trọng lượng Loadcell gắn tr n gi mang con lăn chịu tải Trọng lượng của vật liệu tr n băng cân được Loadcell chuyển thành tín hiệu đưa về bộ sử lý để tính to n ổn định lưu lượng

Để x c định lưu lượng liệu tại thời điểm đổ liệu, cần x c định động thời vận tốc dài của băng cân và trọng lượng liệu tr n một đơn vị chiều dài của băng cân Tốc độ đo được bằng cảm biến tốc độ li n động với trục của băng cân

Trọng lượng đo đựơc nhờ tín hiệu tỷ lệ từ Loadcell Tín hiệu đưa về dạng p qua chuẩn ho , biến đổi A/D về VĐK Biểu thị cho trọng lượng của băng tải tr n một đơn vị chiều dài

Loadcell đo tải trọng tr n đơn dài của băng tải (đơn vị: Kg/m)

1.3.3.2 Tính to n ổn định lưu lượng của cân băng tải

Cân băng tải đo tải trọng tr n băng truyền và điều chỉnh tốc độ băng đảm bảo lưu lượng ở thời điểm đổ liệu là không đổi bằng QĐ

Khi có sự ch nh lệch không đúng với lưu lượng đặt trong bộ vi sử lý thì sẽ có tín hiệu điều chỉnh đưa vào bộ điều khiển để điều chỉnh động cơ

Cân băng tải thực hiện cân băng và ổn định tốc độ theo nguy n tắc tích phân, lấy gi trị trung bình trong một chu kỳ lấy mẫu T ứng với mỗi phân đoạn của băng tải để so s nh với lượng đặt, từ đó đưa tín hiệu điều khiển biến tần, với chu kỳ lấy mẫu càng nhỏ thì độ chính x c trong ổn định lưu lượng càng cao nhưng có nghĩa là

27

phải đưa tín hiệu điều khiển về biến tần càng nhiều Nếu có ch nh lệch tr n mỗi lần đo thì chắc chắn độ nhạy của động cơ cũng không thể đ p ứng

Trong đồ n này ta lấy chu kỳ lấy mẫu tích phân T số xung từ ENCODER

Lưu lượng tức thời tr n từng phân đoạn của băng tải được đưa về bộ điều khiển qua Loadcell để x c định lưu lượng trung bình trong một chu kỳ lấy mẫu

Qtb này sau mỗi chu kỳ sẽ được so s nh với lưu lượng đặt Từ đó đưa ra tín hiệu điều khiển bộ điều khiển

1.3.3.3 X c định trượt băng tải

Độ trượt của băng tải tr n tang quay bị động được x c định nhờ c c cảm biến vị trí của c c kim băng và ph t tốc xung ph t hiện tốc độ của động cơ quay băng tải Một kim băng là một chấm nhỏ kim loại gắn tr n trục của tang quay bị động, kim băng quay theo chiều chuyển động quay của tang bị động Cảm biến vị trí ph t hiện vị trí của kim băng là thiết bị mà nó ph t hiện ra một xung tín hiệu khi kim băng nằm ở vị trí x c định nào đó (Đối diện cảm biến vị trí) Cảm biến vị trí nằm cố định tại một vị trí

Có nhiều c ch để cảm biến vị trí ph t hiện được vị trí của kim băng Cảm biến vị trí đơn giản là một công tắc có phục hồi, khi kim băng ở vị trí đối diện với nó, công tắc sẽ đóng (hoặc mở) tương ứng một xung điện được ph t ra Công tắc có thể được t c động nhờ một thanh gạt (lực cơ) hoặc một lực điện – từ, tương ứng kim băng được dùng là một thanh gạt hay là một thiết bị ph t ra điện – từ trường Khi sử dụng kim băng là thanh gạt, thiết bị đơn giản cho việc thiết kế và chế tạo, nhưng sẽ chịu t c động của mài mòn cơ học nhiều, do đó phải sử dụng vật liệu chế tạo có độ chịu mài mòn và độ bền cơ học cao Đồng thời, trong hệ thống cân định lượng,

28

nhiễu cơ học là rất nhiều do sự rơi vãi của nguy n liệu Khi sử dụng kim băng là thiết bị ph t ra điện từ trường (đơn giản là một nam châm vĩnh cửu), giữa kim băng và cảm biến vị trí được c ch ly nhau về mặt không gian, do đó tr nh được mài mòn cơ học bởi và chạm, tr nh được c c nhiễu cơ học, tuy nhi n lại phức tạp trong thiết kế, chế tạo, và chịu t c động nhiễu điện – từ của môi trường Trong hệ thống cân định lượng trong nhà m y xi măng Bỉm Sơn kim băng được sử dụng là một nam châm vĩnh cửu, nhiễu điện từ của môi trường được hạn chế bằng c nh lọc bỏ vật liệu có từ tính lẫn trong nguy n liệu Sự phục hồi của công t c được thực hiện bằng một lò so (hay một đối trọng)

Độ trượt băng tải tr n tang quay bị động được x c định nhờ vào sự so s nh giữa số xung ph t ra theo lý thuyết và số xung đếm được trong thực tế của m y ph t tốc trong khoảng thời gian giữa hai xung được ph t ra từ cảm biến vị trí Số xung theo lý thuyết, được thiết bị điều khiển HF9 QUADRO tính to n nhờ c c thông số cấu hình sau: chiều dài băng tải, đường kính c c tang quay, và số xung của m y ph t tốc ph t ra trong một vòng quay của tang quay chủ động (Như công thức dưới đây) C c xung của m y ph t tốc xung được đếm bởi một bộ đếm xung tín hiệu của cảm biến vị trí có t c dụng đẩy gi trị của bộ đếm vào một thanh ghi và khởi tạo lại bộ đếm Gi trị chứa trong thanh ghi được so s nh với con số được tính to n theo lý thuyết ở tr n để ph t hiện sự trượt băng tải tr n tang quay bị động

n: Số xung của m y ph t tốc ph t ra trong khoảng thời gian giữa hai xung đưa ra từ cảm biến vị trí (theo lý thuyết)

n0: Số xung của m y ph t tốc ph t ra trong một vòng quay của tang chủ động l: chiều dài của băng tải

R1: B n kính của tang quay chủ động

29 R2: B n kính của tang quay bị động

k: số kim băng gắn tr n trục của tang quay bị động

Ngoài ra, có một kim băng được gắn tr n băng tải Kim băng này dùng để x c định vị trí của băng tải đã được thực hiện Mỗi khi cảm biến vị trí ph t hiện vị trí của kim băng gắn tr n băng tải ph t ra một xung tín hiệu, cũng có nghĩa là nó thông b o: một vòng quay của băng tải đã được hoàn thành Kim băng gắn tr n băng tải hỗ chợ cho nhiều công việc, chủ yếu nó được dùng để loại bỏ sự trượt băng tải tích luỹ trong một vòng quay Khi hệ thống được cấu hình có ph t hiện trượt băng tải tr n băng bị động, kim hãm băng tr n băng tải bắt buộc phải có để đồng bộ mỗi vòng quay của băng tải (m y ph t tốc dùng trong trường hợp này được gắn với trục của động cơ quay băng tải)

s: là độ trượt băng tải tr n tang quay bị động

n: Số xung của m y ph t tốc ph t ra trong khoảng thời gian giữa hai xung đưa ra từ cảm biến vị trí (theo lý thuyết)

N: Số xung đếm được của m y ph t tốc ph t ra (thực tế) trong khoảng thời gian giữa hai xung đưa ra từ cảm biến vị trí

S: Độ trượt băng tải tr n tang quay chủ động

T: Số xung của m y ph t tốc gắn tr n trục động cơ ph t ra trong một đơn vị thời gian

t: Số xung của m y ph t tốc do tốc độ của băng tải ph t ra trong một đơn vị thời gian

30

Khi không có sự trượt băng tải tr n tang quay chủ động số xung ph t ra của hai m y ph t tốc trong một đơn vị thời gian là bằng nhau

Trượt băng tải tr n tang quay chủ động thường sấy ra hơn trượt băng tr n tang quay bị động Nó có thể được ph t hiện li n tục nhờ hai m y ph t tốc xung:

- Một đo tốc độ của tang quay chủ động

- Một đo tốc độ của băng tải (xem công thức tr n)

Nó cũng có thể được ph t hiện một c ch r n đoạn nhờ một kim băng gắn tr n băng tải và m y ph t tốc xung gắn với trục động cơ quay băng tải

Nguy n lý của c ch ph t hiện gi n đoạn là tương tự với c ch ph t hiện trượt băng tải tr n tang quay bị động

Khi x c định độ ch nh lệch cho băng tải chạy không tải và so s nh dữ liệu giữa hai lần quay khi có sự sai lệch tức là đã có sự trượt băng cần b o động để kiểm tra lại băng lượng bì sẽ được ghi lại khi cân lại sau mỗi qu trình vận hành để đảo bảo chính x c khi lượng bì không còn đúng như ban đầu trong qu trình vận hành 1.3.3.4 Nguy n tắc trừ bì

Trọng lượng đo về từ Loadcell là bao gồm cả trọng lượng của băng tải và trọng lượng vật liệu, chính vì vậy phải tiến hành trừ bì, tức là trừ đi trọng lượng của băng tải

Bộ vi sử lý đo được tín hiệu từ Loadcell về sẽ tự động trừ bì theo nguy n tắc như sau:

Cho băng tải chạy không tải trọng lượng của mỗi phân đoạn trừ đi lượng bì tương ứng với băng tải đó trong bộ nhớ Điều này đảm bảo độ chính x c trong trường hợp băng tải không đều tr n chiều dài

31

1.3.4 Cấu trúc hệ thống điều khiển cân băng định lượng

Hình 1.8: Sơ đồ cấu trúc điều khiển

Hệ thống điều khiển cân băng định lượng là hệ thống điều khiển vòng kín điều này mang lại cho hệ thống khả năng điều chỉnh chính x c hơn và duy trì được lưu lượng đặt trước khi có nhiều t c động l n như tốc độ động cơ thay đổi do ảnh hưởng của nguồn cung cấp hay hệ thống bôi trơn kém gây tăng ma s t ảnh hưởng tới hệ truyền động cân băng định lượng

Cân băng tải về cơ bản là một cặp cảm biến (loadcell) mang một hay nhiều rulo chịu tải có thể lăn hoặc trượt để cho một phần băng tải khi chuyền tải từ phễu đến nơi đổ Trọng lượng tr n băng tải được bộ cảm biến chuyển đổi thành tín hiệu điện đưa đến bộ nhân để tính to n lượng vật liệu cấp tr n một đơn vị chiều dài băng tải

Để x c định được lưu lượng của vật liệu tr n băng cân cần phải x c định đồng thời vận tốc của chính băng tải và trọng lượng của vật li u tr n một đơn vị chiều dài băng tải

Để x c định được lưu lượng của vật liệu tr n băng tải cần x c định đồng thời vận tốc của chính băng tải và trọng lượng của vật liệu tr n một đơn vị chiều dài Trong đó tốc độ băng tải được đo bằng cảm biến tốc độ có li n hệ động học với tang dẫn động ví dụ m y ph t tốc một chiều hoặc xoay chiều, trục động cơ được

32

gắn được gắn đồng trục với tang dãn hoặc qua bộ giảm tốc Trọng lượng vật liệu được đo bằng loadcell C c loadcell chuyển tín hiệu trọng lượng thành tín hiệu điện Để điều khiển lượng vật liệu chạy tr n băng tải được thực hiện bằng hình thức so s nh lưu lượng đặt và lưu lượng thực tế Tín hiệu sai lệch được sử lý với bộ điều khiển tỷ lệ – tích phân – vi phân (PID) Điểm đặt lưu lượng có thể là một gi trị cố định hay một hàm được lập trình theo thời gian

Tất cả c c tín hiệu này được vào bộ điều chỉnh Bộ điều chỉnh sẽ làm nhiệm vụ điều chỉnh lưu lượng bằng c ch thay đổi tốc độ động cơ chuyển động băng cân trong khi giữ nguy n lượng cấp liệu từ silô xuống băng cân

Trong hệ thống cân băng định lượng tồn tại một thời gian trễ giữa điểm đặt loadcell và điểm đổ liệu( điểm mà liệu rời khỏi băng cân)

Để hệ thống cân băng định lượng hoạt động có hiệu qu cao thì hệ đều khiển cân băng định lượng phải thiết kế theo nguy n tắc điều khiển phân cấp theo từng khối điều khiển

hối quản lý

Với khối này việc quản lý mô phỏng trạng th i hệ thống và in số liệu do một m y tính quản lý cho phép người vận hành nhập số liệu về năng suất, tỷ lệ c c thành phần khi làm việc trong một ca, ngày, th ng…

Trong qu trình làm việc m y tính càn nhận lại thông tin về trạng th i làm việc, lưu lượng… mọi trạng th i này đều được thể hiện tr n màn hình mô phỏng cùng với những thông b o về sự cố Vì vậy tất cả những sự cố sự thay đổi hoạt động của dây chuyền đều được thể hiện tr n màn hình mô phỏng

hối điều khiển

Khối này là bộ điều khiển HF9 nhận c c tham số và lệnh khởi động từ cấp quản lý, kiểm tra trạng th i dây chuyền, tính to n định lượng, định mức c c thành phần đồng thời xử lý c c tín hiệu từ đầu đo trọng lượng Từ đó tính to n và điều khiển tốc độ từng băng cân thông qua bộ biến tần để điều chỉnh lưu lượng thực bằng

33

lưu lượng đặt Tất cả c c số liệu tr n và trạng th i làm việc của c c động cơ được gửi về khối quản lý

Các đối lượng điều khiển

Gồm c c cân băng định lượng cung cấp thành phần đầu vào m y nghiền Ngoài c c chế độ làm việc với m y tính thì bộ HF9 cho phép làm việc ở chế độ độc lập để đảm bảo khi m y tính bị hỏng thì hệ thống van làm việc bình thường trong chế độ này việc vào ra c c thông số và l n khởi động được thực hiện thông qua c c phím chức năng bộ HF9 Tất cả c c thông số kỹ thuật, số liệu trong qu trình làm việc và sự cố được hiển thị tr n màn hình số liệu do bộ HF9 trực tiếp quản lý Toàn bộ số liệu này được gửi sang m y tính khi đường chuyền số được nối

1.4 Tính toán tải trọng trên sàn của cân băng tải

Chuẩn hóa vận tốc băng tải

Tốc độ băng tải khi tốc độ động cơ vượt qu gi trị định mức một lượng là = 50 (vòng)

Vbt max= ( ) .2 60 ( )

= ( ). .2 60 ( )

1.5 Xây dựng hàm truyền của hệ thống

Từ sơ đồ cấu trúc của hệ thống ta xây dựng hàm truyền của tầng khâu nhƣ sau:

Hình 1.9: Cấu trúc hàm truyền của hệ thống

Trong đó:

WBĐK: là hàm truyền của bộ điều khiển

WBT: là hàm truyền của bộ biến đổi - biến tần vector

WĐC: là hàm truyền của động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc Wb tải: là hàm truyền của băng tải

Wph: là hàm truyền của sensor đo tốc độ và hàm truyền của loadcell

35

1.5.1 Hàm truyền đạt của biến tần WBT

Bộ biến đổi cung cấp năng lượng cho động cơ sử dụng biến tần vector Ở đây do y u cầu công nghệ cân băng định lượng thì ta coi biến tần là khâu qu n tính bậc nhất còn tr n thực tế là khâu trễ Do đó có hàm truyền đạt là:

Trong đó:

KB: Là hằng số khuếch đại của biến tần TB: Là hằng số thời gian điện tử của biến tần

Để điều chỉnh tần số của biến tần ta sử dụng đầu vào là Analog frequency của biến tần Khi ta cấp một điện p tương tự biến thi n từ (0 20)V thì tương đương với đầu ra ta có tần số thay đổi từ fmin fmax Với biến tần OMRON SYSDRIVE 3G3MV INVERTER thì fmin = 0 Hz, fmax = 400Hz

Như vậy biến tần có tín hiệu vào là u(t) và tín hiệu ra là f(t) Do đó ta có hệ số khuếch đại của biến tần là:

KB = =

= 20 ( )

Với hệ điều tốc động cơ KĐB dùng biến tần vector có công suất nhỏ thì van b n dẫn thường là Transitor công suất có tần số làm việc từ: 0 500 Hz

Chọn fx = 50 Hz

Ta lấy: TB = 2 (s) Do đó ta có: WBT =

1.5.2 Hàm truyền của động cơ không đồng bộ

Động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc là một đối tượng có mô hình to n học phi tuyến mạnh Do đó không thể x c định hàm truyền chính x c của nó

36

Ở hệ thống cân băng định lượng thì hằng số thời gian điện cơ của hệ thống lớn hơn rất nhiều so với hằng số thời gian điện tử của động cơ, truyền động và biến tần Cho n n nếu bỏ qua hằng số thời gian điện từ của động cơ cũng không ảnh hưởng

Trong đó: K2: Là hệ số khuếch đại của động cơ

T2: Là hằng số thời gian điện cơ của động cơ

Với hệ biến tần động cơ thì đầu vào của động cơ là tần số f(t) và đầu ra của đồng cơ là tốc độ góc w(t)

Chọn một hệ thống cân băng bất kỳ trong năm cân băng làm mục ti u thiết kế thì gi thành của f(t) và w(t) được x c định theo tần số ra của biến tần và tốc độ gốc

Theo công nghệ của hệ thống cân băng định lượng ta chọn hằng số thời gian điện cơ của động cơ là: T2 = 8 (s)

Do đó hàm truyền của hệ thống là: WĐC(p) =

1.5.3 Hàm truyền của khâu đo tốc độ băng tải (v)

Để đo tốc độ dài của băng tải và tự động ổn định băng tải ta thực hiện gi n tiếp qua việc đo tốc độ của động cơ

1.5.4 Hàm truyền của băng tải

Hàm truyền của hộp giảm tốc và băng tải đƣợc x c định là tỷ số của tốc độ dài băng tải tr n tốc độ góc của động cơ xoay chiều Vì vậy sau khi động cơ quay với tốc độ w1 thì qua hộp số giảm tốc thì tốc độ lúc này sẽ là w2 Tốc độ w2 sẽ đƣợc nối cứng trục với tang quay và tang quay lúc này sẽ quay vòng băng Vì vậy tốc độ băng tải sẽ đƣợc x c định bằng c ch quy đổi tốc độ tr n trục số hộp giảm tốc độ dài Do đó hàm truyền đạt của hộp số giảm tốc băng tải là một khâu tỷ lệ

1.5.5 Hàm truyền đạt của Loadcell WL(p)

Hàm truyền loadcell là tỷ số biến thi n của điện p đầu ra UA chia cho biến thi n đầu vào UB Do đó hàm truyền loadcell WL(p) là một khâu tỷ lệ với :

WL(p) = K4

38 K4 =

Điện p đầu vào UB biến thi n từ 0÷12V và điện p đầu ra UA biến thi n từ 0÷10mV Khi đó ta có hàm truyền của Loadcell là:

WL(p) = K4 =

= 0,83.10-3

1.6 Kết luận chương 1

Chương 1 đã giải quyết được một số vấn đề như sau:

- Dựa tr n y u cầu công nghệ của hệ thống điều khiển ta tính to n và chọn được c c thiết bị đ p ứng y u cầu công nghệ

- Xây dựng được c c công thức tính to n

- Xây dựng được hàm truyền của từng khối tr n cơ sở đó xây dựng được cấu trúc hàm truyền của hệ thống