Báo cáo kỹ thuật lập trình plc Để tài nghiên cứu hệ thống cân băng Định lượng

Các thiết bị định lượng có mặt trong hầu hết các khâu trong hệ thống, công đoạn sản xuất: cung ứng nguyên vật liệu, cấp liệu cho từng giai đoạn, cân và đóng gói sản phẩm… Tự động điều kh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

KHOA CƠ KHÍ -

BÁO CÁO KỸ

THUẬT

LẬP TRÌNH PLC

LỜI NÓI ĐẦU

Trong quá trình sản xuất tại các nhà máy, khu công nghiệp tập trung hiện nay khâu định lượng vô cùng quan trọng Khâu định lượng giúp xác định chính xác khối lượng nguyên vật liệu, thành phẩm và bán thành phẩm tronng sản xuất Các thiết bị định lượng

có mặt trong hầu hết các khâu trong hệ thống, công đoạn sản xuất: cung ứng nguyên vật liệu, cấp liệu cho từng giai đoạn, cân và đóng gói sản phẩm…

Tự động điều khiển giám sát các quá trình sản xuất nói chung

và cân định lượng nói riêng là một trong những ưu tiên hàng đầu của các doanh nghiệp nhằm nâng cao năng suất hạ giá thành sản phẩm, giảm chi phí hoạt động tăng cường khả năng cạnh tranh trong quá trình hội nhập hiện nay

Những ứng dụng và lợi ích của hệ thống cân định lượng là rất

lớn vì vậy em đã lựa chọn để tài “Nghiên cứu hệ thống cân băng định lượng” Thông qua những tìm hiểu của em về hệ thống cân

định lượng còn nhiều thiếu sót mong nhận được sự đánh giá và góp

ý của thầy cô

Em xin trân thành cảm ơn !

Chương 1 Tổng quan về hệ thống cân

băng định lượng

1.Tổng quan về hệ thống :

Hệ thống cân băng định lượng  trong các nhà máy thường là hệthống cân động, tham gia vào quá trình cân đo các nguyên liệu theocác tỷ lệ, thành phần và năng suất đặt trước, cung cấp nguyên liệuđảm bảo lưu lượng sao cho phù hợp với điều kiện trước khi tạo ra sảnphẩm mới từ nguyên liệu đã cấp

Hình ảnh cân băng định lượng trong thực tế

Trong quá trình sản xuất đòi hỏi tính liên tục, pha trộn nguyênliệu có độ chính xác, cân được khối lượng nguyên vật liệu đã được vận chuyển theo yêu cầu của thành phẩm Cân băng định lượng là một trong những khâu quan trọng giúp cho nhà máy hoạt động một cách liên tục, cung cấp chính xác lượng nguyên liệu cần thiết cho nhà máy, lượng nguyên liệu này đã được người lập trình cài đặt một giá trị trước

Với mỗi hệ thống cân băng định lượng sẽ có một thống số kỹ thuật riêng của nó để phù hợp cho loại nguyên liệu, sản phẩm và dây truyền của doanh nghiệp Hiện nay cân băng định lượng đang được ứng dụng rất rộng rãi trong các nhà máy dây truyền như: Nhà máy sản xuất thạch cao, nhà máy xi măng, nhà máy phân bón, nhà máy gạch Ngoài ra, cân băng còn được ứng dụng vào trong các doanh nghiệp chế biến, khai thác khoáng sản, nhiệt điện Tuỳ vào điều kiện môi trường, nguyên liệu, mà từ đó các doanh nghiệp sẽ lựa chọn cho mình một hệ thống cân băng phù hợp Về kỹ thuật cânbăng định sẽ khác nhau, còn về nguyên lý hoạt động thì các hệ thống cân băng là tương tự nhau

Vai trò của băng tải trong các nhà máy công nghiệp là vô cùngquan trọng, điều này được thể hiện rõ nét trong nhà máy xí nghiệp

xi măng, các nhà máy chế biến thức ăn gia súc, các nhà máy chế biến thực phẩm….Các băng tải đóng vài trò vận chuyển nguyên vật liệu, thành phần thay đổi cho sức người và phương tiện vận chuyển

cơ động khác Trong khuôn viên nhà máy, phân xưởng để vận

chuyển vật liệu từ nơi này đến nơi khai thác, bến bãi tập kết hoặc kho chứa nguyên vật liệu để phục vụ cho quá trình sản xuất

Việc đo lường và kiểm soát khối lượng trong các nhà máy, xí nghiệp là hết sức quan trọng Trong rất nhiều quá trình, việc đo lường và kiểm soát khối lượng là không thể thiếu để có thể đạt đượcchất lượng sản phẩm cuối cùng là tốt nhất, với năng suất cao nhất

và giá thành thấp nhất Trước kia chúng ta có các hệ thống đo khối lượng dùng đối trọng hoặc lò xo bằng các kết cấu cơ khí, việc sử dụng các loại cân này rất cồng kềnh và độ chính xác không cao

Ngày nay các quá trình sản xuất trong hệ thống hiện đại đòi hỏi phải có độ chính xác rất cao trong việc đo lường của thiết bị Vấn đề công nghệ đó phù hợp, hiển thị chính xác các thông số đo lường hiện đang là vấn đề được rất nhiều kỹ sư tích hợp, đo lường

và điều khiển quan tâm

2.Cấu tạo của hệ thống :

Hình ảnh cấu tạo cân băng định lượng

Cấu tạo của cân băng định lượng gồm các phần sau cơ bản :1: Cảm biến tốc độ

2: Tang bị động

3: Phễu cấp liệu

4: Cảm biến trọng lượng ( Load cell)- biến đổi trọng lượng

nhận được trên băng thành tín hiệu điện đưa về bộ khuyếch đại.5: Băng truyền

6: Tang chủ động

7: Hộp số - giảm số vòng quay , tăng momen kéo của động cơ.8: Động cơ – truyền động chính cho băng tải

9: Biến tần – điều khiển động cơ

10: Bộ điều khiển PLC – nhận tín hiệu từ cảm biến, xuất tín hiệu điều chỉnh tốc độ của băng tải và lưu lượng liệu ở điểm đổ liệusao cho tương ứng với giá trị đặt

11: Màn hình điều khiển - giám sát HMI : cho phép giám sát liên tục các thông số trong hệ thống để điều khiển , chỉ thị các giá trị đo lường , cài đặt năng suất

12: Bộ khuếch đại tín hiệu Loadcell – biến đổi tín hiệu

Loadcell sang tín hiệu mà bộ điều khiển đọc được

3 Quy trình hoạt động của hệ thống :

Bước 1 : Cấp liệu

 Vật liệu được cấp vào từ nguồn như phễu hoặc băngtải khác.Trong giai đoạn này, cảm biến trọng lượng

sẽ bắt đầu đo trọng lượng của vật liệu trên băng tải

Bước 2 : Đo lường

 Cảm biến trọng lượng Loadcell sẽ cảm nhận được tácđộng từ trọng lượng của vật liệu và chuyển đổi lựcnày thành tín hiệu điện Tín hiệu này để xác địnhkhối lượng thực tế của vật liệu đang được cấp vào

Bước 3 : Xử lý tín hiệu

 Tín hiệu từ cảm biến được gửi đến bộ điều khiển Bộđiều khiển sẽ xứ lý tín hiệu này để xác định khốilượng thực tế của vật liệu đang được cấp vào.

Bước 4: So sánh và điều chỉnh

 Bộ điều khiển so sánh khối lượng thực tế với giá trịkhối lượng mong muốn (setpoint) mà người vận hành

đã thiết lập

 Nếu khối lượng thực tế thấp hơn giá trị mong muốn :

Bộ điều khiển sẽ kích hoạt thiết bị cấp liệu để cungcấp thêm nguyên liệu

 Nếu khối lượng thực tế cao hơn giá trị mong muốn :

Bộ điều khiển sẽ giảm tốc độ cấp liệu hoặc ngừngcấp liệu

Bước 5 : Cập nhật và hiển thị

 Thông tin về khối lượng thực tế , khối lượng mongmuốn và trạng thái của hệ thống sẽ được hiển thịtrên màn hình điều khiển Người vận hành có thểtheo dõi và điều chỉnh các thông số nếu cần

Bước 6 : Ghi nhận dữ liệu

 Dữ liệu về khối lượng và các thông số khác có thểđược ghi lại để phân tích và báo cáo Điều nàygiúp cải thiện quy trình sản xuất và kiểm soát chấtlượng

4 Bộ điều khiển của hệ thống :

4.1 Lựa chọn PLC

Thiết bị điều khiển Logic khả trình PLC được các hãng sản xuấtthiết kế và kiểm định thỏa mãn các tiêu chuẩn nhất định trongcông nghiệp để phù hợp với môi trường hoạt động theo yêu cầu.PLC có ngôn ngữ lập trình xác định như LAD, STL,

FPD nên dù có nhiều hãng sản xuất PLC nhưng cách lập trình lại gần như nhau nên tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình lập trình.Xét về tính tiện dụng thì PLC là thiết bị được tích hợp sẵn, còn vi xử

lý thì phải chế tạo mạch và các linh kiện khác Như vậy, với chương trình điều khiển, PLC là bộ điều khiển nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh (với các PLC khác hoặc với máy tính ) Toàn bộ chương trình được lưu trong bộ nhớ dưới dạng khối chương trình ( OB, FC, FB… ) và được thực hiện với chu kỳ quét Bên cạnh đó, nhằm phục vụ bài

toán điều khiển số, PLC phải có các khối hàm chức năng như Timer,Counter và các hàm chức năng đặc biệt khác.

Từ yêu cầu của hệ thống và những phân tích trên chọn bộ điêu khiển cho hệ thống điều khiển trong mô hình cân băng đinh lượng

-Micro PLC - điều khiển từ 128 đến 512 điểm I/O: 200,

S7-1200 ( Siemens); MELSEC FX Series (Mitsubishi ); Twido( Schneider); CP1H ( Omron)

-Great PLC - có thể thực hiện tới trên 512 điểm I/O : 300,

S7-400, S7-1500 ( Siemens); CJ1M ( Omron) ; MELSEC Q , MELSEC A(Mitsubishi)

Tuy nhiên, Siemen là hãng sản xuất PLC đã có mặt ở Việt Nam từlâu, hỗ trợ thiết bị cho nhiều trường đại học để giảng dạy và được khánhiều trường học lựa chọn là hãng thiết bị để sinh viên tiếp cận, học.Ngoài ra, trong các nhà máy sản xuất hiện nay chủ yếu sử dụng PLCcủa hãng Seimens do vậy khả năng tiếp cận thiết bị PLC Siemen dễdàng và thuận lợi hơn

Các dòng Siemen có mặt ở Việt Nam hiện nay như:

+ S7-200: dòng sản phẩm trung bình có ứng dụng cho các dự

án với I/O khoảng 128

+ S7-300 và S7-400: là dòng sản phẩm cao cấp cho các dự án vừa đến lớn, có số lượng I/O lớn, viết bằng nhiều ngôn ngữ khác nhau, thời gian đáp ứng nhanh

+ Logo dòng sản phẩm cho các ứng dụng nhỏ khoảng 16-24 I/O

+ S7-1500: là dòng sản phẩm nâng cấp của S7 - 300, S7- 400 vừa được ra mắt trong thời gian gần đây với những ưu điểm vượt trội S7- 1500 có truyền thông profinet với giắc cắm RJ 45, đây là loại giắc cắm tiện dụng, phổ biến nhưng lại có độ bền cơ học không cao bằng giắc cắm chuẩn RS 485 của S7 – 300

+ S7-1200: là dòng sản phẩm nâng cấp của S7-200, tích hợp sẵn giắc cắm RJ 45 cho truyền thông qua cổng Ethernet có thể kết nối PC-PLCs, PLCs-HMI, PLCs-PLCs Tốc độ truyền thông profinet

10/100Mbits/s, tích hợp tính năng đo lường, điều khiển vị trí, điều khiển quá trình.

Nhận thấy hệ thống cân băng định lượng có số lượng đầu vào

ra ít, cần có truyền thông với HMI nên cần bộ điều khiển nhỏ gọn, tích hợp sẵn các tính năng cần thiết trên PLC và giá thành thấp nên

ta lựa chọn dùng trong hệ thống là PLC S7 – 1200 của hãng

- 3 bộ đếm tốc độ cao (high speed counter) 100kHz

3 bộ đếm tốc độ cao (high speed counter) 30kHz

4.2 Cảm biến đo khối lượng.

Hệ thống cân băng định lượng của đề tài cần một thiết bị cảm biến để đo khối lượng nguyên liệu rắn trên băng tải trong khi băng tải hoạt động, chịu được rung lắc, có độ nhạy cao, nhỏ gọn để có khả năng gắn ngay dưới băng tải Có nhiều phương pháp để đo khối lượng thông qua đo thể tích, đo mức hoặc đo lưu lượng Nhưng chính xác nhất vẫn là đo trực tiếp và loại cảm biến để đo khối lượngchất rắn phù hợp và phổ biến nhất hiện nay là Cảm biến lực

Kết luận : Để mục đích phù hợp với mô hình cân băng định

lượng của đề tài nên sử dụng loadcell dạng thanh vào đề tài, vì

nó phù hợp theo thiết kế cơ khí và kiểu lực tác động

Trở kháng ngõ ra (Ω ) 1000 +- 20

Trở kháng cách li (MΩ) 50V 2000

Điện áp hoạt động 5V

Nhiệt độ hoạt động  -20 ~ 65 độ C

Giới hạn khả năng chịu quá tải 150

4.3 Thiết bị khuếch đại tín hiệu Laodcell

Loadcell xuất ra tín hiệu dạng điện áp nhưng rất nhỏ ( cỡ mV)

bộ điều khiển không xử lí được nên để bộ điều khiển đọc được tínhiệu từ loadcell gửi về ta cần một thiết bị khuếch đại tín hiệu loadcell Thiết bị khuếch đại có khối khuếch đại, khối này thực hiện các chức năng là chuẩn hóa các tín hiệu từ loadcell, sau đó biến tín hiệu này thành tín hiệu analog theo chuẩn tương thích cho bộ điều khiển

Nhận thấy bộ điều khiển PLC S7-1200 có hai đầu vào Analogdạng điện áp từ 0– 10V Vì thế, ta lựa chọn bộ khuyếc đại có khảnăng tín hiệu Loadcell sang tín hiệu Analog dạng điện áp từ 0-10V để cho phù hợp với tín hiệu đầu vào analog trên bộ điềukhiển PLC S7-1200

Thiết bị khuếch đại tín hiệu loadcell hoạt động tin cậy, giá thành

rẻ được sử dụng phổ biến hiện nay là bộ khuếch đại tín hiệu

loadcell SMOWO RW-ST01A Bộ khuếch đại tín hiệu loadcell

SMOWO RW-ST01A có khả năng cho ra tín hiệu analog dạngđiện áp 0-10V, mạch điện kháng nhiễu tốt, thiết kế chống thấmnước, bụi, đóng kín tốt, phù hợp với môi trường sản xuất thứcăn

Kết luận : Chọn Bộ khuếch đại tín hiệu loadcell SMOWO RW-ST01A

Bộ khuếch đại tín hiệu loadcell RW-ST01A

Thông số kĩ thuật Bộ khuếch đại tín hiệu loadcell RW-ST01A

Có hai loại cảm biến đo tốc độ vòng quay được sử dụng hiện nay là máy phát tốc ( Tacho generator) và bộ mã hóa vòng quay

( Encoder)

Máy phát tốc có thể dùng để đo tốc độ vòng quay, tín hiệu ra làtín hiệu tương tự nhưng lại không hoàn toàn tuyến tính, vì nó phụthuộc vào đặc tính từ hóa của vật liệu từ Mặt khác ở dải tốc độ thấpđiện áp đầu ra hầu như không có, ở dải vận tốc cao thì điện áp đầu ralại bị bão hòa Máy phát tốc lại có kích thước lớn, cồng kềnh, tốnnhiều vật liệu chế tạo và dải đo hẹp nên bị hạn chế sử dụng trongcông nghiệp Vì thế trong mô hình cân băng định lượng của đề tàikhông sử dụng máy phát tốc để đo tốc độ băng tải

Trong khi đó, Encoder lại nhỏ gọn, có độ chính xác cao, dễ lắp đặt, dải đo tốc độ rộng từ thấp đến cao Tuy nhiên vì Encoder

chuyển đổi tốc độ sang tín hiệu xung nên đòi hỏi bộ xử lí phải có khả năng đếm tốc độ cao để xử lí

Có 2 loại Encoder hiện nay là : Encoder tương đối và Encoder tuyệt đối Encoder tuyệt đối có thể xác định và giữ được giá trị tín hiệu trả về từ encoder hay khi encoder mất nguồn.

Encoder tuyệt đối lại chế tạo phức tạp khiến giá thành cao, có nhiều tín hiệu ra làm khó khăn để xử lí Encorder tuyệt đối không nên dùng cho các ứng dụng có tốc độ cao và vòng quay >360 độ vì khi hết một vòng vị trí các xung lại trở lại giống hệt vong trước tại

vị trí đó làm phức tạp khi lập trình

Encoder tương đối có giá thành rẻ, có thể đo tốc độ cao, chỉ có

1, 2 hoặc 3 tín hiệu xung giúp đơn giản trong quá trình xử lí tín hiệu Mặt khác, trong mô hình cân băng định lượng của đề tài chỉ cần xác định tốc độ quay của trục tang bị động mà không cần biết

vị trí của nó

Kết luận: Lựa chọn Encoder tương đối để đo tốc độ dịch

chuyển băng tải trong mô hình cân băng định lượng của đề tài

Encoder Omron E6C2-CWZ6C 2000P/R Thông số kĩ thuật Encoder Omron E6C2-CWZ6C 2000P/R

cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc nhưng ưu việt nhất là sửdụng biến tần.]

Biến tần LS 004 IG5A-2 0.4kw

Thông số kĩ thuật biến tần sử dụng trong mô hình :

- Truyền thông : Modbus RTU

- Mô men khởi động: 150% hoặc hơn tại 0.5 Hz

- Khả năng quá tải: 120% trong 60 giây

- Chức năng bảo vệ: Quá áp, thấp áp, quá dòng, qua nhiệtđộng cơ, quá nhiệt inverter, quá tải, lỗi truyền thông, lỗiphần cứng

 Điện áp đầu ra max : 3 pha 200~230V

- Đầu vào danh định

 Điện áp vào : 1 pha/3pha 200~230VAC

 Tần số : 50/60Hz

4.6 Động cơ không đồng bộ 3 pha

Động cơ điện ba pha không đồng bộ có giá thành rẻ , cấu tạođơn giản, dải công suất rộng, có thể thay đổi vận tốc liên tục một cách

nhanh chóng, vận hành ổn định, liên tục lâu dài, dễ bảo trì bảo dưỡng.Động cơ điện ba pha không đồng bộ làm việc được trong nhiều môitrường , đáp ứng được yêu cầu của môi trường sản xuất thức ăn, thựcphẩm.

Tuy trước đây , động cơ ba pha không đồng bộ khó điều chỉnh tốc độ, đặc tính mở máy không tốt, dòng mở máy lớn (gấp 6-7 lần dòng định mức), momen mở máy nhỏ Nhưng ngày nay với sự ra đời của biến tần với giá thành ngày càng hợp lí không chỉ giúp động cơba3 pha không đồng bộ điều chỉnh tốc độ tuyến tính hay nhiều cấp trở nên dễ dàng mà còn giữ được đường đặc tính cơ. Biến tần cho khởi động êm, khởi động với dòng điện thấp hơn dòng điện địnhmức, tiết kiệm lượng điện ở thời điểm này Đồng thời, không gây sụt

áp (thậm chí gây hư hỏng) cho các thiết bị điện khác trong cùng hệ thống

 Từ đó ta thấy động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc đượcđiều khiển bằng biến tần là loại có thể đáp ứng được các yêu cầutruyền động, giá thành của hệ thống cân băng định lượng Vì thế emchọn động cơ không đồng bộ b pha roto lồng sóc cho hệ truyền độngcủa băng tải

Thông số lựa chọn động cơ

Động cơ không đồng bồ ba pha Seimens

1LA2070-4AB12 0.25kW

Giao diện Portal view

Bước 1 Tạo project và cấu hình thiết bị

Ở giao diện Portal view chọn Create new project để bắt đầu

quá trình khởi tạo project mới Thao tác trên sẽ làm xuất hiện giao diện với các thông tin của một project mới như : tên project –

Project name ; đường dẫn để lưu project – Path; tên người khởi tạo project – Author ; thông tin về project – Comment Sau khi điền đầy

đủ thông tin về project, chọn Creat để tiếp tục quá trình khởi tạp

Project

Bước 2 : Lựa chọn cấu hình CPU cho project: Device &

Networks ▶ Add new device , điền các thông tin cho CPU cần

khai báo tại cửa sổ Add new device : tên thiết bị - Device name ; thông số kỹ thuật và dòng CPU được sử dụng

Controllers ▶ SIMATIC S7-1200 ▶ CPU ▶ CPU 1212C