Nghiên cứu khảo sát hệ truyền động biến tần, động cơ điện không đồng bộ xoay chiều ba pha ở phòng thí nghiệm khoa Điện, Điện tử để điều khiển truyền động cho cân băng định lượng trong nhà máy sản xuất xi măng

HOÀNG THỊ NGA NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU BA PHA Ở PHÒNG THÍ NGHIỆM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỂ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG CHO CÂN BĂNG

HOÀNG THỊ NGA

NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT HỆ TRUYỀN ĐỘNG

BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU

BA PHA Ở PHÒNG THÍ NGHIỆM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

ĐỂ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG CHO CÂN BĂNG

ĐỊNH LƯỢNG TRONG NHÀ MÁY SẢN XUẤT XI MĂNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGHÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

HOÀNG THỊ NGA

NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT HỆ TRUYỀN ĐỘNG

BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU

BA PHA Ở PHÒNG THÍ NGHIỆM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

ĐỂ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG CHO CÂN BĂNG

ĐỊNH LƯỢNG TRONG NHÀ MÁY SẢN XUẤT XI MĂNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGHÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Khoa chuyên môn

Trưởng khoa

Người hướng dẫn khoa học

PGS.TS Võ Quang Lạp PHÒNG QUẢN LÝ ĐT SAU ĐẠI HỌC

THÁI NGUYÊN 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Hoàng Thị Nga

Sinh ngày : 11 tháng 10 năm 1978

Học viên lớp cao học khóa 14 - Tự động hóa - Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên - Đại Học Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại: Trường Đại Học Công Nghiệp Việt – Hung, thị xã Sơn Tây, thành phố Hà Nội

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu nêu trong luận văn là trung thực Những kết luận khoa học của luận văn chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào

Tôi xin cam đoan rằng mọi thông tin trích dẫn trong luận văn đều chỉ rõ nguồn gốc

Thái Nguyên, ngày 30 tháng 12 năm 2013

Tác giả luận văn

Hoàng Thị Nga

Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn đến các thày cô giáo ở phòng thí nghiệm

đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tác giả hoàn thành thí nghiệm trong điều kiện tốt nhất

Mặc dù đã rất cố gắng, song do trình độ và kinh nghiệm còn hạn chế nên có thể luận văn còn những thiếu sót Tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện và có ý nghĩa ứng dụng trong thực tế

Xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 30 tháng 12 năm 2013

Tác giả luận văn

Hoàng Thị Nga

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ MINH HOẠ vii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT XI MĂNG 2

1.1 Sơ đồ khối công nghệ sản xuất xi măng lò quay .2

1.2 Các công đoạn chính trong nhà máy sản xuất xi măng .3

1.2.1 Đập đá vôi và kho chứa nguyên liệu thô 3

1.2.2 Cân phối liệu và nghiền nguyên liệu 6

1.2.3 Lò và lọc bụi 8

1.2.4 Làm mát Clinker 9

1.2.5 Nghiền than 11

1.2.6 Nghiền xi măng 12

1.2.7 Đóng bao và xuất xi măng 17

1.3 Hệ thống cân băng định lượng trong nhà máy sản xuất xi măng 21

1.3.1 Nhiệm vụ của cân băng định lượng trong nhà máy sản xuất xi măng 21

1.3.2 Các phương pháp cân: 22

1.3.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cân băng định lượng 24

1.3.3.1 Cấu tạo 24

1.3.3.2 Nguyên lý hoạt động 25

1.3.3.3 Điều chỉnh cấp liệu của cân băng: 26

1.3.4 Hệ truyền động cân băng định lượng 27

1.3.4.1 Yêu cầu đối với hệ truyền động điện 27

iv

1.3.4.2 Yêu cầu đối với hệ thống điều khiển 27

1.3.4.3 Sơ đồ khối và nguyên lí hoạt động của hệ thống điều khiển tự động 28

Chương 2 KHẢO SÁT TÍNH TOÁN HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHO 31

CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG 31

2.1 Sơ đồ khối hệ thống Biến tần – Động cơ điện xoay chiều ba pha .31

2.2 Quy đổi các đại lượng điện của động cơ không đồng bộ từ hệ tọa độ vectơ không gian (a,b,c) về hệ tọa độ cố định trên stato (,) .31

2.3 Quy đổi các đại lượng điện của động cơ không đồng bộ 3 pha từ hệ tọa độ cố định trên stato (,) về hệ tọa độ tựa theo từ thông rôto (d,q) 32

2.4 Sự biến đổi năng lượng và mômen điện từ .34

2.5 Cơ sở định hướng từ thông trong hệ toạ độ tựa theo từ thông rôto (d,q) 35

2.6 Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ truyền động điện điều khiển vectơ biến tần 36

2.7 Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ truyền động số……… ……40

2.7.1 Tổng hợp hệ thống 40

2.7.2 Xác định tính ổn định hệ thống 44

2.7.3 Tính toán và xét ổn định cho hệ truyền động biến tần – động cơ điện xoay chiều với thông số cụ thể của mạch vòng .47

2.8 Khảo sát chất lượng hệ thống bằng phần mềm Matlab Simulink 53

2.8.1 Khảo sát chất lượng mạch vòng dòng điện 53

2.8.2 Khảo sát chất lượng mạch vòng tốc độ 56

Chương 3 NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG TẠI PHÒNG THÍ NGHIỆM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ 60

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN 60

3.1 Quá trình thí nghiệm 60

3.1.1 Giới thiệu bài thí nghiệm 60

3.1.2 Nguyên lý làm việc 61

3.2 Kết quả thí nghiệm 62

3.2.1 Trường hợp thí nghiệm với bộ điều khiển P trong S7-300 62

3.2.2 Trường hợp thí nghiệm với bộ điều khiển PI trong S7-300 63

3.3 So sánh đánh giá kết quả thí nghiệm với lý thuyết tính toán: 64

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ: 65

1.Kết luận: 65

2.Kiến nghị: 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1 A/D Bộ biến đổi tín hiệu tương tự ra tín hiệu số

2 ACV Nguồn xoay chiều

3 CPU (Central Processing Unit) Bộ xử lý trung tâm

9 Ke Hệ số encorder phản hồi âm tốc độ

10 Ki , Kp Hệ số biến đổi của bộ điều khiển số dòng điện

11 Kω Hệ số của khâu lấy tín hiệu tốc độ

12 P Bộ điều chỉnh tỷ lệ

13 PI (Proportion Intergal) Bộ điều chỉnh tỷ lệ tích phân

14 PID (Proportinal Intergal Derivative) Bộ điều chỉnh tỷ lệ vi

tích phân

15 Sp Tín hiệu chủ đạo số đặt tốc độ

16 T(p) Hàm số truyền của biến tần

17 T1, T2 Chu kỳ lấy mẫu (hay gọi thời gian lượng tử)

18 Us Điện áp so sánh

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ MINH HOẠ

(,) và hệ tọa độ tựa theo từ thông rôto (d,q)

33

điện xoay chiều

40

Hình 2.12a Đáp ứng dòng điện với: kp=0.25; ki = 42 ; k = 0.0006;

MỞ ĐẦU

1 Mục tiêu luận văn

Trong nhà máy sản xuất xi măng, cân băng định lượng có một vị trí rất quan trọng, nó giúp cho việc cân các nguyên liệu để đảm bảo cho mác xi măng được chính xác Vì vậy bản luận văn đã tìm hiểu nghiên cứu các yêu cầu về hệ điều khiển chuyển động cho cân băng định lượng Dựa trên các phương án xây dựng hệ điều khiển chuyển động cho cân băng định lượng có trong nhà máy, phương án này phù hợp với hệ truyền động biến tần-động cơ điện xoay chiều ba pha điều khiển bằng PLC S7-300 có ở phòng thí nghiệm trong nhà trường Vì

vậy đề tài được chọn “Nghiên cứu khảo sát hệ truyền động biến tần-động cơ

điện không đồng bộ xoay chiều ba pha ở phòng thí nghiệm khoa Điện-Điện tử

để điều khiển truyền động cho cân băng định lượng trong nhà máy sản xuất

xi măng” Kết quả của bản luận văn này giúp cho nghiên cứu hệ truyền động

mới, có ý nghĩa ứng dụng trong thực tế sản xuất

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Tìm hiểu tổng quan về dây chuyền sản xuất xi măng trong đó nghiên cứu kỹ các yêu cầu điều khiển chuyển động của cân băng định lượng và các phương án truyền động cho cân băng định lượng có trong nhà máy để từ đó giúp cho việc chọn phương án thích hợp

- Dựa trên phương án đã chọn kết hợp với sơ đồ hệ thống truyền động biến tần-động cơ điện không đồng bộ xoay chiều ba pha ở phòng thí nghiệm tiến hành tính toán, khảo sát, mô phỏng để đánh giá chất lượng hệ truyền động này làm cơ sở so sánh với phần thực nghiệm

- Tiến hành thí nghiệm thành công, cụ thể là: Nắm được nghiên lý các bài thí nghiệm, thí nghiệm với các chế độ làm việc khác nhau Kết quả của thí nghiệm so sánh với lý thuyết giúp cho việc khẳng định thích hợp hệ điều khiển chuyển động cân băng định lượng

3 Nội dung luận văn

Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các nội dung sau:

Chương 1: Tổng quan về dây chuyền sản xuất xi măng

Chương 2: Khảo sát tính toán hệ truyền động cho cân băng định lượng

Chương 3: Nghiên cứu thí nghiệm hệ truyền động cân băng định lượng tại

phòng thí nghiệm Khoa Điện – Điện tử trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên

2

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT XI MĂNG 1.1 Sơ đồ khối công nghệ sản xuất xi măng lò quay

Các vật liệu dùng để sản xuất xi măng bao gồm: đá vôi, đất sét, pirit và phụ gia

Do vậy quá trình sản xuất xi măng là quá trình xử lý các vật liệu (vận chuyển, đập, nghiền lọc, sấy, chứa trong kho, cân, trộn…) được thể hiện trong sơ đồ khối hình 1.1

Hình 1.1 Sơ đồ khối

công nghệ sản xuất xi măng lò quay

Đá vôi Máy đập Kho chứa

Kho chứa nguyên liệu tổng hợp

Cân

Nghiền và sấy nguyên liệu thô

Si lô chứa và cấp nguyên liệu thô

Cấp liệu cho máy đóng

Máy Xuất bao

1.2.1 Đập đá vôi và kho chứa nguyên liệu thô

4 + Kho chứa đá sét

+ Kho chứa nguyên liệu tổng hợp

Thạch cao

16 Kho chứa (đá sét, Pyrit, phụ gia)

17 Máy cào để cao thạch cao và bazan

18 Máy cào để cào than, pyrit và phụ gia

Đá sét sau khi đập thô được chuyển xuống băng tải và vào máy rải (14) Máy cào (15) và máy rải (14) vận chuyển đá sét xuống băng tải phía dưới để chuyển vào kho chứa (Hình 1.4 )

Trong kho chứa nguyên liệu tổng hợp thạch cao và bazan được máy cào (17) cào xuống băng tải để đưa vào khoang chứa trong kho cùng với clinker Còn sét, pyrit và phụ gia được máy cào (18) cào xuống băng tải để chuyển vào khoang chứa trong kho cùng với đá vôi Than cũng được vận chuyển vào kho chứa này ở một khoang khác trong kho (Hình 1.5)

6

1.2.2 Cân phối liệu và nghiền nguyên liệu

+ Cân phối liệu:

19 Các két chứa phối liệu

20 Băng tải xích

21 Băng tải dài (21) Giai đoạn cân phối liệu là quan trọng nhất trong dây chuyền sản xuất xi măng Với bốn loại phối liệu khác nhau chứa ở các két chứa khác nhau trong kho chứa nguyên liệu tổng hợp Sét và pyrit được máy cào vận chuyển xuống cân băng còn đá vôi và phụ gia thì được chuyển trực tiếp xuống cân băng Có bốn cân băng giống nhau để cân bốn loại phối liệu trên

Sau khi cân thì các phối liệu được đổ chung xuống băng tải dài (21) để vận chuyển xuống gầu nâng chuẩn bị cho quá trình nghiền nguyên liệu thô

Bên cạnh các két chứa và các băng tải đều được trang bị đầy đủ các hệ thống lọc bụi túi có kèm theo quạt gió (Hình 1.6)

Hình 1.6 Cân phối liệu

20

19

21

Các cân băng

+ Nghiền nguyên liệu thô:

22 Gầu nâng (22)

23 Bơm dầu thủy lực

24 Máy nghiền phân ly

25 Động cơ chạy máy nghiền phân ly

32 Silô chứa bột liệu 33.Ống khối

34 Két nước 35.Tháp điều hòa 36.Phun nước

Các phối liệu được cân và vận chuyển bằng gầu nâng (22) để chuyển vào máy nghiền phân ly Sau khi nghiền nếu như nguyên liệu đã đủ độ mịn thì được vận chuyển vào két chứa, còn nguyên liệu chưa đủ độ mịn thì được vận chuyển qua băng tải (26) để quay lại gầu nâng và trở lại máy nghiền để nghiền lại Vận chuyển nguyên liệu từ két chứa bằng ống khí động qua cửa cấp phối liệu (29) để tiếp tục chuyển xuống gầu nâng (30) đưa lên ống dẫn bột liệu (31) và chuyển vào silô chứa (32) (Hình 1.7)

8

1.2.3 Lò và lọc bụi

+ Chứa liệu và cấp liệu thô cho lò

+ Tháp tiền nung và lò nung

37 Hệ thống silô chứa và cấp bột liệu

38 Ống dẫn bột liệu được rút ra từ silô

39 Van chia liệu

được chuyển vào gầu nâng đên ống dẫn khí (41), còn một phần thì được chuyển đến quay lại xilô chứa liệu qua đường ống dẫn khí có quạt gió

Bột liệu từ gầu nâng chuyển qua ống dẫn (41) sau đó đổ vào hệ thống tháp

5 tầng, đây là hệ thống tháp tiền nung (khu vực lò quay) (Hình 1.7)

Tháp tiền nung gồm 5 tầng, bột liệu được vận chuyển từ trên xuống dưới theo chiều của tháp Còn khí nóng của than và dầu thì được vận chuyển ngược lại theo chiều đi lên của tháp bằng ống dẫn khí nóng (43) để sấy bột liệu thô

Bột liệu sau khi sấy thì chuyển xuống phễu chứa (44) Từ phễu thì bột liệu được chuyển vào lò nung Phần lớn khí nóng của than và dầu đốt được phun vào

lò nung bằng vòi phun (46) Sau khi nung xong thì nguyên liệu đầu ra của lò nung được gọi là Clinker và được chuyển vào bộ phận làm mát (47) (Hình 1.8)

1.2.4 Làm mát Clinker

48 Phễu rót Clinker 52 Băng tải xích

49 Giàn làm mát 53 Lọc bụi túi

50 Hệ thống quạt gió làm mát 54 Lọc bụi

51 Băng tải dài (51) 55 Quạt gió cho máy lọc bụi (54)

10

Hình 1.9 Bộ phận làm mát Clinker

Sau khi nung thì Clinker được chuyển vào phễu rót (48) để chuyển vào giàn làm mát (49) Tại đây giàn làm mát được trang bị hệ thống gồm nhiều các quạt gió để thổi mát Clinker Và phần khí nóng được chuyển qua đường ống dẫn khác trở lại lò nung Khi Clinker làm mát song thì được rót xuống băng tải dài (51), băng tải này được trang bị hệ thống lọc bụi bằng máy lọc bụi túi (53) Clinker sau khi lọc được đổ xuống băng tải xích (52) (Hình 1.9)

12

Than từ ống dẫn than (56) chuyển xuống băng tải (57), từ băng tải này than được rót vào hai két chứa than (58) Hệ thống băng tải phía dưới sẽ chuyển than vào máy nghiền than (59) Sau khi than nghiền song thì được vận chuyển theo đường ống (60) để đưa vào két chứa bột than (61)

Hệ thống băng tải tiếp theo sẽ chuyển than vào hai silô chứa Bên cạnh đó là

hệ thống bơm dầu (64) thực hiện qua trình bơm dầu vào chộn với than để vòi phun dầu và than (46) Tại đây dầu và than vừa đốt vừa được phun vào lò nung ở trên (Hình 1.10 )

1.2.6 Nghiền xi măng

Hình 1.11 Cân phối liệu cho xi măng

66 Hệ thống cân băng

67 Hệ thống băng tải vận chuyển phối liệu xi măng (67)

Clinker sau khi được làm mát thì cùng với bazan và thạch cao mỗi phối liệu được đựng trong một silô chứa

Để đảm bảo tỷ lệ các phối liệu thì ở đây hệ thống cân phối liệu cho xi măng được trang bị (66) để cân phối liệu Phối liệu sau khi cân được đổ chung vào hệ thống băng tải (67) để chuyển vào hệ thống máy nghiền

72 Máy nghiền bi

73 Máy phân ly

15

74 Két chứa

75 Băng tải (75)

76 Gầu nâng (76)

77 Ống dẫn xi măng vào xi lô

Phối liệu của xi măng được vận chuyển vào đường ống (69) nhờ băng tải (68) Đường ống này một phần đưa phối liệu vào thẳng máy nghiền bi (72), như vậy thì hiệu quả và độ mịn của xi măng kém hơn Còn phần lớn là chuyển xuống máy nghiền sơ bộ (70), sau đó qua gầu nâng (71) chuyển lên đổ xuống máy nghiền bi Bột liệu từ máy nghiền bị chuyển lên máy phân ly (73), tại đây máy phân ly sẽ chia bột liệu làm hai thành phần Phần đủ độ mịn thì được chuyển lên két chứa (74), còn phần không đạt độ mịn thì được chuyển ngược lại máy nghiền

bi Từ két chứa lúc này xi măng được đổ xuống băng tải (75) và chuyển đến gầu nâng (76) để dẫn tới xilô chứa xi măng (Hình 1.12)

- Xilô xi măng: I Xilô 1; II Xilô 2; III Xilô 3; IV Xilô 4

Hình 1.13 Xilô chứa xi măng

Xi măng từ gầu nâng vận chuyển đến các xilô bằng hai đường ống Xilô chứa gồm 4 xilô con đặt song song với nhau để chứa xi măng rời (Hình 1.13)

17

1.2.7 Đóng bao và xuất xi măng

Hình 1.14 Xuất xi măng rời

- Xuất xi măng rời

78 Quạt gió

79 Máng khí động

80 Hệ thống xuất xi măng rời

Xi măng từ đáy các silô nhờ quạt gió đẩy vào máng khí động để chuyển xi măng rời ra thiết bị chuyên chở (Hình 1.14 )

- Cấp liệu cho các máy đóng bao

-

Hình 1.15 Cấp liệu cho máy đóng bao

19

- Máy đóng bao

Hình 1.16 Máy đóng bao

- Xuất xi măng

Hình 1.17 Xuất bao xi măng

Riêng hai xilô 2 và 4 thì không xuất xi măng rời mà chuyển xi măng rời xuống để cấp liệu cho các máy đóng bao (Hình 1.15)

Tại đây xi măng đóng thành bao hoàn chỉnh nhờ máy đóng bao (Hình 1.16) và vận chuyển xuất xi măng (Hình 1.17)

- Philo sophy of the system

21

Hình 1.18 Philosophy of the System

1.3 Hệ thống cân băng định lượng trong nhà máy sản xuất xi măng

1.3.1 Nhiệm vụ của cân băng định lượng trong nhà máy sản xuất xi măng

Hệ thống cân băng định lượng là hệ thống quan trọng trong dây chuyền sản xuất của nhà máy xi măng Độ chính xác của hệ thống này đóng vai trò quyết định đến chất lượng sản phẩm

Hệ thống cân băng định lượng cấp liệu trong các nhà máy xi măng được thiết kế để cấp các nguyên liệu thành phần một cách chính xác theo tỷ lệ phối trộn cài đặt trước cho máy nghiền Việc các cấp nguyên liệu theo tỷ lệ cài đặt nhằm mục đích có thể sản xuất ra các mác xi măng khác nhau theo bộ tiêu chuẩn Việt Nam về hàm lượng phối trộn các nguyên liệu thành phần như clinke, đá vôi, thạch cao,…

Trong công nghệ sản xuất xi măng các thiết bị định lượng chuyên dùng có nhiều kiểu, có thể phân loại các thiết bị định lượng như sau

- Theo chế độ vận hành có: Định lượng liên tục và định lượng gián đoạn

- Theo phương pháp định lượng người ta chia thành: Định lượng theo thể tích (đong) hoặc định lượng (cân) hoặc ở dạng hỗn hợp (cân đong)

- Theo phương pháp điều khiển định lượng: Thiết bị định lượng thủ công, thiết bị định lượng từ xa, thiết bị định lượng tự động (theo chương trình đặt sẵn)

Trong số các thiết bị định lượng hiện đang dùng thì cân băng định lượng được dùng rộng rãi nhất Nó thuộc loại thiết bị cân tự động và liên tục bằng cơ cấu chấp hành dưới dạng cơ khí hoặc điện tử Thiết bị này cho phép cấp một dòng liên tục đều đặn từ silô chứa tới thiết bị gia công

Các hệ thống điều khiển cân băng có thể là bằng tay, bán tự động hoặc tự động hóa hoàn toàn Có thể sử dụng các vi mạch tổ hợp để điều khiển, tuy nhiên

do ưu điểm ưu việt của PLC trong môi trường khói bụi, bảo trì, bảo dưỡng nên ngày nay hầu như các bộ điều khiển đều sử dụng các PLC, biến tần và các thiết

bị công nghiệp có tính module hóa cao khác trong thiết kế

Ta xét một loại cân băng định lượng được điều khiển nhờ máy tính đang được sử dụng ở các nhà máy xi măng: Hệ thống này bao gồm 04 băng cân được thiết kế giống hệt nhau để cân 4 loại liệu (đá vôi, đất sét, pirit và phụ gia) Từ 4 cân băng này người ta xác định các thông số v- vận tốc (m/ph) của băng tải và khối lượng m (kg/m) tức thời của băng tải liệu Các thông số này được chuyển vào máy tính thông qua các bộ chuyển đổi A/D và Card ghép nối Một chương trình phần mềm được cài đặt sẵn trong máy tính và đưa ra tín hiệu điều khiển tới

cơ cấu chấp hành nhằm đảm bảo duy trì ổn định lưu lượng tức thời Q = m.v (kg/ph) theo giá trị đặt trước

1.3.2 Các phương pháp cân:

Cân liệu trong công nghiệp sản xuất đòi hỏi các cấp độ, phục vụ, nhu cầu khác nhau, phù hợp với giới hạn trình độ kỹ thuật do đó các hệ thống cân khác nhau

23

a) Cân cấp liệu tĩnh: Là loại cân trong quá trình liệu đứng yên Có hai loại cân

mẻ và cân cộng dồn.Cân tĩnh phù hợp với quá trình sản xuất thô sơ gián đoạn

- Cân mẻ: Liệu đươc đổ vào máng cân và trong máng cân lúc nào cũng chỉ có một loại liệu

Đặc điểm: Thiết bị cân có thể rất lớn, công nghệ đơn giản ít hỏng hóc, tự động hóa và cơ khí hóa ở mức thấp, ít chính xác trong việc phối liệu, cần thêm quá trình trộn khuấy rất nặng nề

- Cân cộng dồn: Khối lượng m1 của vật liệu 1 sau khi cân trong máng liệu được cộng dồn với khối lượng m2 của vật liệu 2, cứ thế đến vật liệu thứ n

Đặc điểm: Công nghệ phức tạp hơn cân mẻ, quá trình cân liệu nhanh hơn, nhưng vẫn cần phải thêm quá trình khuấy trộn

b) Cân cấp liệu động: Khi công nghệ sản xuất hiện đại và tự động hóa ở mức

cao Năng suất đòi hoirtawng tối đa, phối liệu chính xác và liên tục thì cân tĩnh không còn phù hợp nữa, do đó mà cân động ra đời

- Cân cấp liệu động là hệ thống cân ngay khi liệu đang động

Đặc điểm: Công nghệ cân phức tạp ứng dụng cơ khí hóa và tự động hóa ở mức cao, quá trình cấp liệu liên tục, quá trình trộn khuấy nhẹ nhàng, độ chính xác cao nhất

Tại nhà máy xi măng Hoàng Mai cân động được dùng để cân cấp liệu cho máng nghiền sấy nguyên liệu thô Yêu cầu đặt ra là tỉ lệ liệu phải đảm bảo chính xác và liệu được cấp liên tục trong quá trình cân

+ Cân kép: Cân kép có hai động cơ kéo hai băng tải việc điều chỉnh lưu lượng cân là điều chỉnh tốc độ hay vận tốc của băng tải thứ nhất bằng cách thay đổi tốc độ cào liệu, còn cảm biến được đặt ở băng tải thứ hai Ưu điểm của cân kép: Độ chính xác cao, nhưng thêm thiết bị nên phức tạp

Lưu lượng: Q = v2. = k.v1.v2 (khi v1 thay đổi làm cho trọng lượng trên mét cũng thay đổi) Điều chỉnh lưu lượng bằng cách điều chỉnh vận tốc v1 của băng tải bằng động cơ m1 Các cân này dùng để cân quặng sắt và phụ gia

+ Cân rung: Cân rung là cân cấp liệu động điều chỉnh lưu lượng bằng cách rung máng cấp liệu

1.3.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cân băng định lượng

1.3.3.1 Cấu tạo

Hình 1.19: Sơ đồ cấu tạo cân băng định lượng

2: Cảm biến trọng lượng (Load Cell) 7: Hộp số

4: Tang bị động 9: Động cơ không đồng bộ 5: Bulông cơ khí 10: Cảm biến vị trí

25

1.3.3.2 Nguyên lý hoạt động

Cân băng định lượng (cân băng tải) là thiết bị cung cấp liệu kiểu trọng lượng.Vật liệu được chuyên trở trên băng tải, mà tốc độ của băng tải được điều chỉnh để nhận được lưu lượng đặt trước khi có nhiều tác động liên hệ (liệu không xuống đều)

Cầu cân về cơ bản bao gồm : Một cảm biến trọng lượng (LoadCell) gắn trên giá mang nhiều con lăn Trọng lượng của vật liệu trên băng được bốn cảm biến trọng lượng (LoadCell) chuyển đổi thành tín hiệu điện đưa về bộ xử lý để tính toán lưu lượng

Để xác định lưu lượng vật liệu chuyển tới nơi đổ liệu thì phải xác định đồng thời vận tốc của băng tải và trọng lượng của vật liệu trên 1 đơn vị chiều dài Trong đó tốc độ của băng tải được đo bằng cảm biến tốc độ có liên hệ động học với động cơ

Tốc độ băng tải V (m/s) là tốc độ của vật liệu được truyền tải Tải của băng truyền là trọng lượng vật liệu được truyền tải trên một đơn vị chiều dài ∂ (kg/m)

Cân băng tải có bộ phận đo trọng lượng để đo ∂ và bộ điều khiển để điều chỉnh tốc độ băng tải sao cho điểm đổ liệu, lưu lượng dòng chảy liệu bằng giá trị đặt do người vận hành đặt trước

Bộ điều khiển đo tải trọng trên băng truyền và điều chỉnh tốc độ băng đảm bảo lưu lượng không đổi ở điểm đổ liệu

Fc

Trong đó: L - chiều dài của cầu cân

g - gia tốc trọng trường (g =9,8 m/s2)

Lực hiệu dụng Fm(N) do trọng lượng của vật liệu trên băng tải gây nên:

Fm =Fc – F0

Trong đó: F0 là lực đo trọng lượng băng tải cả con lăn và giá đỡ cầu cân Tải trọng trên băng truyền có thể tính là:

= S * 

Trong đó :  - khối lượng riêng của vật liệu (kg/m3)

S - tiết diện cắt ngang của vật liệu trên băng (m2)

Do đó lưu lượng có thể tính là:

Q =

g L

V Fc g

L

V Fc

*

* 2

2

*



1.3.3.3 Điều chỉnh cấp liệu của cân băng:

Việc điều chỉnh cấp liệu cho băng cân định lượng chính là điều chỉnh lưu lượng liệu cấp cho băng cân Thực hiện bằng 3 phương pháp:

- Phương pháp 1: Điều chỉnh cấp liệu kiểu trôi

Phương pháp này điều chỉnh cấp liệu bằng tín hiệu của sensơr cấp liệu kiểu trôi để điều khiển 5 thiết bị cấp liệu

Vị trí của sensor cấp liệu theo kiểu trôi được đặt ở phía cuối của ống liệu

- Phương pháp 2: Điều chỉnh cấp liệu liên tục

Phương pháp này điều chỉnh cấp liệu liên tục cho băng cân định lượng sử dụng bộ điều chỉnh PID để điều chỉnh cấp liệu (có thể là van cấp liệu hoặc van quay) để đảm bảo cho lượng tải trên một đơn vị chiều dài băng tải là không đổi

Bộ PID có tác dụng điều chỉnh nếu lưu lượng thể tích của liệu trên băng thay đổi theo phạm vi ±15% và bộ PID chỉ hoạt động sau khi băng đã hoạt động

* Nhận xét 2 phương pháp trên:

Hai phương pháp trên điều chỉnh cấp liệu khác hẳn nhau về bản chất Xét

27

điều chỉnh nhỏ, thiết bị cấp liệu làm việc ổn định không bị ngắt quãng, nhưng phạm vi điều chỉnh không rộng Phương pháp 1 đơn giản hơn, phạm vi điều khiển rộng hơn và có thể được đặt bởi người sử dụng, nhưng trong phạm vi điều chỉnh thiết bị phải làm việc gián đoạn thì ảnh hưởng không tốt đến tuổi thọ của thiết bị

- Phương pháp 3: Điều chỉnh mức vật liệu trong ngăn xếp:

Phương pháp điều chỉnh mức liệu trong ngăn xếp có thể coi là sự kết hợp của 2 phương pháp trên : phương pháp điều chỉnh gián đoạn và điều chỉnh liên tục Phương pháp này tận dụng những ưu điểm và khắc phục nhưng nhược điểm của 2 phương pháp trên và được thiết kế đặc biệt cho các băng cân định lượng

1.3.4 Hệ truyền động cân băng định lượng

1.3.4.1 Yêu cầu đối với hệ truyền động điện

Ta phải chọn hệ truyền động điện để cho các cân băng hoạt động chính xác ổn định theo các yêu cầu kỹ thuật sau:

- Động cơ phải đảm bảo công suất đủ lớn (0,75KW tới 1,5KW)

- Khởi động đầy tải trên băng

- Điều trỉnh trơn   1 để đạt được độ chính xác trong điều chỉnh

- Đảm bảo độ bền vật lý đối với các thiết bị

1.3.4.2 Yêu cầu đối với hệ thống điều khiển

Hệ thống cân băng định lượng là hệ thống điều khiển tự động với sự tham gia điều khiển của máy tính Do vậy nó có những đặc điểm cấu trúc như sơ đồ khối sau:

- Máy tính: Thực hiện chức năng xử lý thông tin, sau khi thu thập và tính toán giá trị đầu vào để đưa ra tín hiệu điều khiển theo một luật điều chỉnh nào đó

- A/D: Bộ biến đổi tín hiệu tương tư ra tín hiệu số

chấp hành

Đo lường A/D

Hình 1.20 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển bằng PC

- D/A: bộ biến đổi tín hiệu từ tín hiệu số ra tín hiệu tương tự

- Thiết bị chấp hành: Thực hiện các lệnh điều chỉnh từ máy tính đưa ra tác động lên đối lượng điều khiển

- Đối tượng điều khiển: Là động cơ điện, biến điện năng thành cơ năng kéo máy sản suất

- Khối đo lường: Có nhiệm vụ thu nhận thông tin cần thiết và chuyển các thông tin đó thành tín hiệu điện (dòng, áp)

1.3.4.3 Sơ đồ khối và nguyên lí hoạt động của hệ thống điều khiển tự động

* Khối 1: Đầu đo khối lượng

* Khối 2: Khối khuếch đại

Tín hiệu từ bộ chuyển đổi rất nhỏ do đó ta cần dùng bộ khuếch đại tín hiệu

Có rất nhiều bộ khuếch đại, giữa bộ khuếch đaị thuật toán và bộ khuếch đại thông thường về cơ bản không khác nhau nhiều, cả hai loại này đều dùng khuếch đại điện áp, dòng điện và công suất Trong khi tính chất của bộ khuyếch đại thông thường phụ thuộc vào kết cấu bên trong của mạch thì tác dụng của bộ khuyếch đại thuật toán có thể thay đổi được và chỉ phụ thuộc vào các linh kiện mắc ở ngoài

29

* Khối 3: Bộ chuyển đổi A/D và D/A

Là bộ chuyển đổi tương tự số, làm nhiệm vụ chuyển đổi các tín hiệu tương tự thành tín hiệu số, và ngược lại

Ta phải sử dụng bộ chuyển đổi này vì: Các tín hiệu điều khiển thường là tín hiệu tương tự, trong hệ thống điều khiển số ta cũng sử dụng máy tính để điều khiển hệ thống, máy tính chỉ có thể xử lí đối với các tín hiệu số Vì vậy cần phải chuyển đổi các tín hiệu tương tự thành tín hiệu số nhờ bộ chuyển đổi A/D Còn khi đưa tín hiệu ra để điều khiển các thiết bị hoặc hiển thị thông qua khối hiển thị ta dùng bộ chuyển đổi D/A để chuyển tín hiệu số thành tín hiệu tương tự

* Khối 4: Máy tính

Máy tính thực hiện chức năng thu thập thông tin số liệu và xử lí các thông tin đó, tính toán giá trị đầu vào để đưa ra tín hiệu điều khiển nào đó

* Khối 5: Biến tần

Biến tần dùng để biến đổi U1, f1 thành U2, f2 theo yêu cầu để cung cấp cho động

cơ Lúc này động cơ không được nối trực tiếp với lưới điện mà nối qua bộ biến tần

* Khối 6: Động cơ

Người ta thường sở dụng động cơ không đồng bộ tô to lồng sóc Trong thực tế động cơ điện không đồng bộ được sử dụng rộng rãi hơn so với động cơ một chiều, nó có một số ưu nhược điểm sau:

- Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, kích thước trọng lượng nhỏ hơn khi cùng một công suất định mức, giá thành rẻ, dễ sử dụng, tính năng kỹ thuật tốt, làm việc tin cậy, vốn đầu tư cơ bản và chi phí vận hành ít hơn Sử dụng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha, do đó trong nhiều trường hợp không cần các thiết bị biến đổi kèm theo v.v

- Nhược điểm: Điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ khó khăn hơn, hệ số công suất thấp, động cơ lồng sóc có các chỉ tiêu khởi động xấu (dòng điện khởi động lớn, mômen khởi động nhỏ)

* Nguyên lý hoạt động của hệ thống:

Khi khởi động ta đưa tín hiệu vào trạng thái sẵn sàng và chạy chương trình điều khiển trên máy tính, máy tính khởi động và chạy theo năng suất đã định trước Trên sơ đồ khối của băng tải được lắp đặt các cân điện tử để đo tải trọng trên chiều dài băng tải xác định (thường trong khoảng 11,5m), tín hiệu đo được qua bộ khuyếch đại để đưa vào máy tính Các tín hiệu khối lượng (m) và vận tốc (v) được đọc vào máy tính theo các đường tín hiệu khối lượng và tốc độ Máy tính sẽ tính được năng suất thực của các cân Qthực = m.v so sánh với năng suất đặt trước Qđặt của chúng được nhập vào từ bàn phím sau khi được hiệu chỉnh thì sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển Uđk (thường có giá trị 0 10V) để điều khiển các động cơ thông qua bộ biến tần Mục đích là để điều chỉnh tốc độ động

cơ hợp lý cho băng tải cân băng sao cho sai số năng suất thực của cân Qthực với năng suất định mức Qđặt của chúng đạt được ≤ 2%

Khi hệ thống có sự cố như băng tải ngừng hoạt động hoặc mất nguồn nguyên liệu dẫn tới tốc độ băng tải nhanh (động cơ điều chỉnh tốc độ băng tải có tốc độ lớn hơn định mức), hoặc lượng nhiên liệu xuống quá nhiều làm cho băng tải dừng hoạt động, thì đầu đo khối lượng sẽ đưa tín hiệu vào máy tính.Lúc này trong máy tính đã được cài đặt chương trình sẵn sẽ xử lý ngay sự cố xảy ra, làm cho tất cả hệ thống đều dừng làm việc và báo lỗi để công nhân vận hành biết và

xử lý

* Nhận xét:

Với nguyên lý và những yêu cầu về truyền động cho cân băng định lượng trong dây chuyền sản xuất xi măng ở nhà máy xi măng Hoàng Mai chúng ta thấy việc ứng dụng cho hệ truyền động biến tần - động cơ điện có dùng máy tính để điều khiển và giám sát hệ thống là hệ truyền động tối ưu nhất Vì vậy trong chương tiếp theo sẽ nghiên cứu khảo sát, tính toán hệ thống Biến tần – Động cơ điện không đồng bộ xoay chiều 3 pha với việc ứng dụng PLC – S7 300 sẽ đáp ứng được yêu cầu truyền động này

31

Chương 2 KHẢO SÁT TÍNH TOÁN HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHO

CÂN BĂNG ĐỊNH LƯỢNG 2.1 Sơ đồ khối hệ thống Biến tần – Động cơ điện xoay chiều ba pha

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống PLC – Biến tần – Động cơ

Trong đó:

- Động cơ điện 3 pha: 2,2 KW; U = 380VAC; Iđm = 5A

- Biến tần 3 pha dùng nghịch lưu áp 3 pha và điều khiển biến tần này dùng phương pháp điều khiển vectơ không gian (Space Vecter Modulation – SVM)

- PID (S7-300) dùng CPU làm bộ điều khiển số

- Encoder tạo mạch vòng phản hồi âm tốc độ số

- Mạch vòng phản hồi âm dòng điện được tổng hợp trong khối biến tần

2.2 Quy đổi các đại lượng điện của động cơ không đồng bộ từ hệ tọa độ vectơ không gian (a,b,c) về hệ tọa độ cố định trên stato (,)