Xây dựng thuật toán và ứng dụng phần mềm matlap simulink điều khiển hệ thống cân bằng phối liệu trong công nghệ sản xuất xi măng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THỊ THANH HÒA XÂY DỰNG THUẬT TOÁN VÀ ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB - SIMULINK ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CÂN BĂNG PHỐI LIỆU TRONG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Mã số:60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS. ĐỖ TRUNG HẢI THÁI NGUYÊN - 2015 - i - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Nguyễn Thị Thanh Hòa Sinh ngày: 31/08/1986 Học viên lớp cao học khóa 15 Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, Trƣờng Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp – Đại Học Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại: Trƣờng Đại Học Hùng Vƣơng – Phú Thọ Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dựa trên sự hƣớng dẫn của tập thể các nhà khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Kết quả nghiên cứu là trung thực. Thái Nguyên, ngày 15 tháng 12 năm 2014 Học viên Nguyễn Thị Thanh Hòa - ii - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CẢM ƠN nghiệp Thái Nguyên. Có đƣợc bản luận văn tốt nghiệp này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Khoa Điện, Phòng Đào tạo, và TS. Đỗ Trung Hải đã trực tiếp hƣớng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình triển khai, nghiên cứu và hoàn thành đề tài “Xây dựng thuật toán và ứng dụng phần mềm Matlab – Simulink điều khiển hệ thống cân băng phối liệu trong công nghệ sản xuất xi măng”. Xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo, các nhà khoa học đã trực tiếp giảng dạy truyền đạt những kiến thức khoa học chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa cho bản thân tôi trong nhƣng năm tháng qua. Xin trân trọng cảm ơn các thày cô giáo bộ môn Tự động hóa – Khoa Điện đã giúp đỡ về trang thiết bị và kiến thức thực tế để tôi có thể hoàn thành phần thực nghiệm của luận văn. Tuy nhiên, do có sự hạn chế về kiến thức nên Luận văn không tránh khỏi những thiếu sót. Tôi rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp của các thầy giáo, cô giáo và các nhà khoa học để tôi tiến bộ hơn. Trân trọng cám ơn./. Thái Nguyên, ngày 15 tháng 12 năm 2014 Học viên Nguyễn Thị Thanh Hòa - iii - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT 1. BgT: Băng tải 2. BT: Biến tần 3. GT: GIảm tốc 4. BĐK: Bộ điều khiển 5. ĐC: Động cơ - iv - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỤC LỤC 1. Tính cấp thiết của đề tài viii 2. Mục tiêu nghiên cứu viii 3. Dự kiến các kết quả đạt đƣợc ix 4. Phƣơng pháp và phƣơng pháp luận ix 5. Cấu trúc của luận văn ix 6. Kết luận và kiến nghị ix CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÂN BĂNG ĐỊNH LƢỢNG CỦA DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT XI MĂNG 1 1.1. Lý thuyết chung về hệ thống cân băng định lƣợng 1 1.1.1. Đặt vấn đề 1 1.1.2. Khái niệm 2 1.1.3. Cấu tạo của hệ thống cân băng định lƣợng 3 1.1.4. Cấu tạo của một băng tải 5 1.1.4. Nguyên lý tính lƣu lƣợng của cân băng định lƣợng 5 1.1.5. Khái quát về điều chỉnh cấp liệu cho cân băng 7 1.2. Hệ điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ dùng biến tần 9 1.2.1. Động cơ không đồng bộ 9 1.2.2. Khái quát về biến tần 13 1.2.3. Điều chỉnh tần số động cơ bằng biến tần 15 1.3. Cảm biến trọng lực Loadcell 17 1.3.1. Khái niệm Loadcell 17 1.3.2. Tế bào cân đo trọng lƣợng 17 1.3.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 20 1.4. Băng tải cao su 23 1.5. Sensor đo tốc độ 25 1.5.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: 25 1.5.2. Đo vận tốc băng tải 26 1.6. Đo khối lƣợng liệu trên băng. 27 1.7. Kết luận chƣơng 1 28 CHƢƠNG 2. BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CÂN BĂNG ĐỊNH LƢỢNG 29 - v - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2.1. Cấu trúc điều khiển hệ thống cân băng định lƣợng 29 2.2. Phân phối lƣu lƣợng từng băng tải 30 2.3. Điều khiển lƣu lƣợng từng băng tải 31 2.3.1. Sơ đồ cấu trúc điều khiển băng tải 31 2.3.2. Nhận dạng mô hình toán học đối tƣợng 34 2.4. Lựa chọn thiết bị thực hiện điều khiển 42 2.5. Card ghép nối ArduinoDue 43 2.5.1. Giới thiệu ArduinoDue 43 2.5.2. Thƣ viện ArduinoIO 45 2.6. Kết luận chƣơng 2 46 CHƢƠNG 3. THỰC NGHIỆM 47 3.1. Các thiết bị thực nghiệm 47 3.1.1. Động cơ 47 3.1.2. Biến tần 48 3.1.3. Thiết bị điều khiển 48 3.1.4. Thiết bị hiển thị 49 3.1.5. Card ghép nối máy tính – Bo mạch ArduinoDue 49 3.1.6. Thiết bị đo khối lƣợng - Loadcell 51 3.1.7. Thiết bị đo vận tốc băng tải 52 3.1.8. Mô hình thực nghiệm hệ thống cân băng định lƣợng 53 3.2. Thực nghiệm 55 3.2.1. Cấu trúc điều khiển hệ thống trên Matlab - Simulink 55 3.2.2. Kết quả thực nghiệm 57 3.2.2. Kết quả thực nghiệm 57 3.3. Kết luận chƣơng 3 69 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 71 Kết luận 71 Kiến nghị 71 Tiếng Việt 72 Tiếng Anh 72 - vi - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. 1. Cấu trúc của hệ thống cân băng định lượng 3 Hình 1. 2. Hình ảnh hệ thống cân băng định lượng 3 Hình 1. 3. Hệ thống điều khiển cân băng định lượng 4 Hình 1. 4. Sơ đồ cấu tạo cân băng định lượng 5 Hình 1. 5. Định lượng gián đoạn 8 Hình 1. 6. Định lượng liên tục 8 Hình 1. 7. Đặc tính cơ khi thay đổi tần số động cơ không đồng bộ 11 Hình 1. 8. Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động 12 Hình 1. 9. Biến tần 13 Hình 1. 10. Nguyên lý hoạt động của biến tần 14 Hình 1. 11. Sơ đồ mạch lực bộ biến tần nguồn áp dùng Tranzitor 16 Hình 1. 12. Giản đồ điện thế và điện áp pha A dùng phương pháp PWM 16 Hình 1. 13. Sơ đồ tế bào cân số SFT 18 Hình 1. 14. Sơ đồ cầu tế bào cân Tezomet 19 Hình 1. 15. Cấu tạo của một Loadcell 20 Hình 1. 16. Nguyên lý hoạt động của một Loadcell 21 Hình 1. 17. Cấu trúc cầu cân bằng mô men lực 22 Hình 1. 18. Băng tải cao su 24 Hình 1. 19. Encoder quang tương đối 25 Hình 1. 20. Mạch đo tín hiệu tốc độ 27 Hình 1. 21. Mạch khuếch đại tín hiệu đo khối lượng 27 Hình 2. 1. Cấu trúc điều khiển hệ thống cân băng định lượng 29 Hình 2. 2. Sơ đồ cấu trúc điều khiển băng tải cân băng định lượng 32 Hình 2. 3. Cấu trúc điều khiển băng tải cân băng định lượng 33 Hình 2. 4. Cấu trúc điều khiển băng tải 34 Hình 2. 5. Sơ đồ thu thập dữ liệu nhận dạng 31 Hình 2. 6. Dữ liệu tín hiệu điều khiển (volt) 35 Hình 2. 7. Dữ liệu tín hiệu vận tốc dài băng tải (m/h) 35 Hình 2. 8. Giao diện công cụ nhận dạng mô hình 36 Hình 2. 9. Nhập dữ liệu nhận dạng mô hình 37 Hình 2. 10. Nhận dạng mô hình 37 Hình 2. 11. Giao diện kết quả nhận dạng 38 Hình 2. 12. Đánh giá kết quả nhận dạng mô hình 39 Hình 2. 13. Đặc tính quá độ đối tượng 39 Hình 2. 14. Cấu trúc điều khiển hệ thống 40 Hình 2. 15. Cấu trúc điều khiển hệ thống (m là hằng số) 41 - vii - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 2. 16. Sơ đồ mạch kết nối ArduinoDue với máy tính 44 Hình 2. 17. Các khối chức năng trong thư viện ArduinoIO 45 Hình 3. 1. Động cơ truyền động kéo băng tải 47 Hình 3. 2. Biến tần Commander SE 48 Hình 3. 3. Máy tính có cài đặt Matlab Simulink 49 Hình 3. 4. Card ghép nối ArduinoDue 50 Hình 3. 5. Bo mạch khuếch đại tín hiệu điều khiển 50 Hình 3. 6. Loadcell PT1000 gắn trên băng tải 52 Hình 3. 7. Bo mạch khuếch đại vi sai khuếch đại tín hiệu cân 52 Hình 3. 8. Encoder gắn trên tang bị động 52 Hình 3. 9. Mô hình thực nghiệm hệ thống cân băng định lượng 53 Hình 3. 10. Tủ điều khiển 54 Hình 3. 11. Phần động lực hệ thống 54 Hình 3. 12. Phần điều khiển hệ thống 50 Hình 3. 13. Khối Điều khiển trung tâm trên Matlab – Simulink 55 Hình 3. 14. Bộ điều khiển lưu lượng từng băng tải trên Matlab – Simulink 56 Hình 3. 15. Cấu trúc điều khiển hệ thống trên Matlab – Simulink 56 Hình 3. 16. Đáp ứng lưu lượng băng tải 1 với sản lượng 400Kg/h 57 Hình 3. 17. Đáp ứng vận tốc băng tải 1 với sản lượng 400Kg/h 58 Hình 3. 18. Tín hiệu khối lượng trên băng tải 1 với sản lượng 400Kg/h 58 Hình 3. 19. Đáp ứng lưu lượng băng tải 2 với sản lượng 400Kg/h 59 Hình 3. 20. Đáp ứng vận tốc băng tải 2 với sản lượng 400Kg/h 60 Hình 3. 21. Tín hiệu khối lượng trên băng tải 2 với sản lượng 400Kg/h 60 Hình 3. 22. Đáp ứng lưu lượng băng tải 3 với sản lượng 400Kg/h 61 Hình 3. 23. Đáp ứng vận tốc băng tải 3 với sản lượng 400Kg/h 62 Hình 3. 24. Đáp ứng vận tốc băng tải 3 với sản lượng 400Kg/h 62 Hình 3. 25. Đáp ứng lưu lượng băng tải 4 với sản lượng 400Kg/h 63 Hình 3. 26. Đáp ứng vận tốc băng tải 4 với sản lượng 400Kg/h 64 Hình 3. 27. Tín hiệu khối lượng trên băng tải 4 với sản lượng 400Kg/h 64 Hình 3. 28. Đáp ứng lưu lượng băng tải 5 với sản lượng 400Kg/h 65 Hình 3. 29. Đáp ứng vận tốc băng tải 5 với sản lượng 400Kg/h 66 Hình 3. 30. Tín hiệu khối lượng trên băng tải 5 với sản lượng 400Kg/h 66 Hình 3. 31. Đáp ứng lưu lượng băng tải 1 khi nguyên liệu không đồng nhất 68 Hình 3. 32. Đáp ứng vận tốc dài băng tải 1 khi nguyên liệu không đồng nhất 68 Hình 3. 33. Tín hiệu khối lượng trên băng tải 1 khi nguyên liệu không đồng nhất 69 - viii - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Động cơ một chiều trong cấu tạo và khi làm việc có một số những nhƣợc điểm ; không sinh ra tia lửa điện trong quá trình làm việc. Vì vậy, hệ truyền động - động cơ không đồng bộ đã và đang đƣợc ứng dụng nhiều trong thực tế sản xuất. Một nhƣợc điểm cơ bản của hệ truyền động này là việc điều chỉnh tốc độ ở dải rộng gặp nhiều khó khăn. Tuy nhiên với sự phát triển của công nghệ vật liệu, của khoa học kỹ thuật việc mở rộng dải điều chỉnh tốc độ của hệ truyền động này đã đƣợc khắc phục bằng phƣơng pháp điều chỉnh tần số (Hệ truyền động biến tần - động cơ). Với các hệ truyền động yêu cầu chất lƣợng điều khiển không cao thì điều khiển theo cấu trúc hệ hở là đáp ứng đƣợc yêu cầu. Tuy nhiên, với các hệ truyền động yêu cầu chất lƣợng điều khiển cao thì trong hệ phải có mạch tổng hợp, tạo tín hiệu điều khiển với các mạch vòng phản hồi. Dây chuyền công nghiệp sản xuất xi măng gồm 6 hệ truyền động cho 6 cân băng định lƣợng đảm bảo việc phối liệu theo đúng tỷ lệ cho trƣớc. Đây là một trong những công nghệ yêu cầu chất lƣợng điều khiển cao, vì vậy việc nghiên cứu ứng dụng máy tính với phần mềm Matlab - Simulink để thực hiện thuật toán điều khiển hệ truyền động biến tần động cơ, theo yêu cầu công nghệ cân băng định lƣợng của dây chuyền sản xuất xi măng là việc làm cần thiết và là hƣớng nghiên cứu chính của bản luận văn. 2. Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng thuật toán điều khiển điều khiển hệ truyền động biến tần - động cơ đáp ứng yêu cầu công nghệ cân băng định lƣợng trong dây chuyền sản xuất xi măng. Thực hiện thuật toán điều khiển bằng máy tính với phần mềm Matlab – Simulink. - ix - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3. Dự kiến các kết quả đạt đƣợc Xây dựng cấu trúc và thuật toán điều khiển hệ truyền động biến tần động cơ trong công nghệ cân băng định lƣợng của dây chuyền sản xuất xi măng. Xây dựng mô hình thực nghiệm ứng dụng máy tính với phần mềm Matlab - Simulink để điều khiển hệ truyền động biến tần - động cơ theo công nghệ cân băng định lƣợng của dây chuyền sản xuất xi măng. 4. Phƣơng pháp và phƣơng pháp luận - Phƣơng pháp luận: Nghiên cứu lý thuyết về động cơ không đồng bộ, phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng phƣơng pháp thay đổi tần số. Nghiên cứu về biến tần; phần mềm Matlab - Simulink; công nghệ cân băng định lƣợng; phân tích lựa chọn, xây dựng cấu trúc và thuật toán điều khiển. - Phƣơng pháp nghiên cứu: Phân tích và tổng hợp hệ bằng mô hình toán. Xây dựng mô hình thực nghiệm để kiểm tra, đánh giá các kết quả nghiên cứu lý thuyết. 5. Cấu trúc của luận văn Luận văn đƣợc chia làm 3 chƣơng: Chƣơng 1: Tông quan về hệ thống cân băng định lƣợng trong dây chuyền sản xuất xi măng Chƣơng 2: Bài toán điều khiển hệ thống cân băng định lƣợng Chƣơng 3: Thực nghiệm hệ thống cân băng định lƣợng 6. Kết luận và kiến nghị [...]... Cấu tạo hệ thống cân băng định lƣợng gồm kết cấu cơ khí và hệ thống điều khiển: - Kết cấu cơ khí: Hệ thống cân băng định lƣợng gồm một số băng tải đƣợc truyền động bằng biến tần – động cơ Số lƣợng băng tải tùy thuộc vào số lƣợng các thành phần trong sản phẩm của hệ thống Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -5- Hệ thống điều khiển: gồm trạm điều khiển trung tâm phân phối sản lƣợng... nhiệt điện Hệ thống cân băng định lƣợng tham gia vào quá trình sản xuất xi măng bao gồm: cân đo các nguyên liệu cho máy nghiền nguyên liệu theo các tỷ lệ, thành phần và năng suất đặt trƣớc, cung cấp nhiên liệu để đốt đảm bảo lƣu lƣợng sao cho phù hợp với điều kiện trƣớc, trong và sau lò nung Ngoài ra hệ thống cân băng định lƣợng còn cân đo các nguyên liệu nhƣ than, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/... ứng sự ổn định về lƣu lƣợng liệu và điều khiển lƣợng liệu cho phù hợp với yêu cầu Chính vì nó đóng một vai trò rất quan trọng trong việc điều phối và hoạch định sản xuất, do đó nó quyết định chất lƣợng sản phẩm, góp phần vào sự thành công của công ty, nhà máy Cân băng định lƣợng trong luận văn đề xuất nghiên cứu là cân băng tải, nó là thiết bị cung cấp kiểu trọng lƣợng vật liệu đƣợc chuyên trở trên băng... tâm Hệ thống cân băng định lƣợng là một trong các hệ thống có vai trò rất quan trọng trong các dây truyền sản xuất trong công nghiệp, thƣơng mại Các quá trình công nghệ nói chung đều đi từ xử lý các nguyên liệu thô ban đầu để tạo ra các thành phẩm Vậy làm thế nào để định lƣợng đƣợc khối lƣợng nguyên liệu đầu vào một cách chính xác và để cho ra đời các sản phẩm đạt tiêu chuẩn chất lƣợng với chi phí sản. .. đóng bao, máy sản xuất gạch men… 1.1.2 Khái niệm Cân băng định lƣợng là bao gồm các thiết bị ghép nối với nhau mà thành, nó thuộc dạng cân định lƣợng băng tải, đƣợc dùng cho hệ thống cân liên tục (liên tục theo chế độ dài hạn lặp lại) Thực hiện việc phối liệu một cách liên tục theo tỷ lệ yêu cầu công nghệ đặt ra Trong các nhà máy sản xuất công nghiệp, hệ thống cân băng định lƣợng còn đáp ứng sự ổn định... của nó đƣợc điều chỉnh để nhận đƣợc lƣu lƣợng vật liệu ứng với giá trị do ngƣời vận hành đặt trƣớc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -31.1.3 Cấu tạo của hệ thống cân băng định lƣợng Hình 1 1 Cấu trúc của hệ thống cân băng định lượng Hình 1 2 Hình ảnh hệ thống cân băng định lượng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ -4- Hình 1 3 Hệ thống điều khiển cân băng định... sản xuất thấp nhất? Trong các nhà máy, xí nghiệp mọi công đoạn xử lý nguyên liệu đều cần đƣợc định lƣợng, từ các lĩnh vực đơn giản nhƣ đƣa ra một khối lƣợng nguyên liệu đầu vào để sản xuất, đến các công việc phức tạp nhƣ sử dụng trong thƣơng mại để buôn bán, trao đổi Vai trò của việc cân định lƣợng là không thể thiếu trong các hệ thống tự động hoá nhƣ: trong các nhà máy xi măng, nhà máy nhiệt điện Hệ. .. ngừng cân vị trí của băng tải đƣợc giữ lại trong bộ nhớ do đó ở lần khởi động tiếp theo việc trừ bì đƣợc thực hiện ngay 1.1.5 Khái quát về điều chỉnh cấp liệu cho cân băng Việc điều chỉnh cấp liệu cho băng cân định lƣợng chính là điều chỉnh lƣu lƣợng liệu cấp cho băng cân và đƣợc thực hiện bằng 3 phƣơng pháp - Phƣơng pháp 1 (Điều chỉnh cấp liệu gián đoạn) Phƣơng pháp này điều chỉnh cấp liệu bằng tín... các thiết bị điện khác trong cùng hệ thống Ngoài ra đối với tải bơm, quạt, máy nén khí…hoặc những ứng dụng khác cần điều khiển lƣu lƣợng/áp suất, biến tần sẽ giúp ngừng động cơ ở chế độ không tải, từ đó tiết kiệm tối đa lƣợng điện năng tiêu thụ - Đáp ứng yêu cầu công nghệ Đối với các ứng dụng cần đồng bộ tốc độ, nhƣ ngành giấy, dệt, bao bì nhựa, in, thép,…hoặc ứng dụng cần điều khiển lƣu lƣợng hoặc áp... QUAN VỀ HỆ THỐNG CÂN BĂNG ĐỊNH LƢỢNG CỦA DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT XI MĂNG 1.1 Lý thuyết chung về hệ thống cân băng định lƣợng 1.1.1 Đặt vấn đề Việc đo lƣờng và kiểm soát khối lƣợng trong các nhà máy, xí nghiệp là hết sức quan trọng Trong rất nhiều quá trình, việc đo lƣờng và kiểm soát khối lƣợng là không thể thiếu để có thể đạt đƣợc chất lƣợng sản phẩm cuối cùng là tốt nhất, với năng suất cao nhất và giá . cơ trong công nghệ cân băng định lƣợng của dây chuyền sản xuất xi măng. Xây dựng mô hình thực nghiệm ứng dụng máy tính với phần mềm Matlab - Simulink để điều khiển hệ truyền động biến tần -. khiển điều khiển hệ truyền động biến tần - động cơ đáp ứng yêu cầu công nghệ cân băng định lƣợng trong dây chuyền sản xuất xi măng. Thực hiện thuật toán điều khiển bằng máy tính với phần mềm Matlab. - SIMULINK ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CÂN BĂNG PHỐI LIỆU TRONG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Mã số:60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI