Bài tập lớn trang bị điện - điện tử máy công nghiệp dùng chung

Trang 1

Chương 1:

TRÌNH BÀY CÔNG NGHỆ 1.1 Lịch sử phát triển.

Cân đã có lịch sử từ rất lâu Nó xuất hiện cùng với nền sản xuất hàng hóa, từmục đích của con người đó là định lượng hàng hóa Nó đã trải qua nhiều giai đoạnphát triển với những hình dạng và tính năng khác nhau, nhưng mục đích quan trọngnhất vẫn là để biết được khối lượng một cách chính xác

Hình 1.1 Hình ảnh cân rotor

- =

- Kỹ thuật cân đã phát triển với độ

chính xác ngày càng tăng Tuy

nhiên vẫn chỉ dừng lại ở việc cân

những khối lượng hàng hóa nhỏ,

và đòi hỏi thao tác lặp đi lặp lại

của con người Mãi về sau này,

khi nền công nghiệp phát triển

Trang 2

Bài tập lớn: Trang bị điện- điện tử máy công nghiệp dùng chung

- Năm 1969 chiếc cân định lượng đầu tiên được phát minh và đưa vào sử dụng ởĐức, sáng tạo đó đã là cơ sở cho sự tiến bộ của những thế hệ cân định lượng saunày

Hình 1.3 Hình ảnh cân định lượng đầu tiên 1969

- Năm 1984 sự thành công của dòng sản phẩm mới là tiền đề cho sự phát triển của

“DRW” trong việc đo trọng lượng đá, bụi bằng cân định lượng rotor

Hình 1.4 Hình ảnh cân định lượng năm 1984

- Sự phát triển của cân định lượng roto “FRW” tạo ra những triển vọng phát triển kỹthuật mới liên quan đến sự nạp và trao đổi nhiệt Nhờ đó làm tăng tính ổn định trong hệthống Hơn thế nữa, nhờ thiết kế hoàn chỉnh, hệ thống làm việc sẽ giảm được tối đa bụibặm ảnh hưởng đến môi trường

- Ngày nay hệ thống điều khiển “CSC” dùng để đo lượng nguyên vật liệu với phươngpháp điều khiển rất đặc biệt được gọi là ProsCon đã nhanh chóng hoàn thiện và xuất hiệntrên thị trường

Trang 3

Hình 1.5 Hình ảnh cân định lượng năm 1999 và hệ thống điều khiển csc

1.2 Một số loại cân rotor

Trong quá khứ, một vài các kiểu hệ thống máy cấp liệu khác nhau đã được sửdụng Về cơ bản, có 3 loại cân đã từng được sử dụng là: cân băng tải động và tĩnh (BeltWeighfeeder), hệ thống cân tổn hao trọng lượng (Loss in weight feeder) và thiết lập điềukhiển cân đo lường dòng chảy rời rạc (Feed-controlled bulk flow meters)

Trang 4

1.3.1 Khái niệm chung.

Cân rotor - weight feeder rotor: là một loại cân có cơ cấu quay, là một côngnghệ đã được chứng minh trong đó đặt ra những tiêu chuẩn mới trong quá trình sảnxuất xi măng Hầu như tất cả các nguyên liệu tinh và thô có thể được xác định khốilượng với cân rotor nhỏ gọn và trong hộp kín Kết hợp với hệ thống vận chuyển khínén, nhiên liệu nghiền thành bột có thể được đưa trực tiếp vào buồng đốt

1.3.2 Yêu cầu công nghệ.

- Đo lường đạt độ chính xác cao trong cả làm việc ngắn hạn và làm việc dài hạn

- Dải điều khiển đầu ra rộng

- Điều khiển linh hoạt

- Đo lường trực tiếp khối lượng nguyên vật liệu bằng hệ thống định lượng

- Thiết kế gọn

- Tổn hao ít

Trang 5

1.4 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động.

1.4.1 Cấu tạo.

Hình 1.7 Kết cấu và bố trí của cân rotor.

Các ngăn bánh roto nằm ngang (9) này được bọc kín bởi nắp trên(4) ,nắp dưới(6) và vỏ(5) Nguyên vật liệu được đưa vào ở đầu vào (2), được vận chuyển đến đầu ra (10) nhờchuyển động quay của các ngăn bánh rotor (9), và được chuyển đến gia công Toàn bộ thân của ngăn bánh rotor được treo lên khung (1) bởi 2 cái giá cân bằng (7) vì vậy nó có thể xoay được

Hình 1.8 a) Đĩa tròn đặc phần đáy có lỗ xả liệu (10)-b) Rotor khi có vành bao quanh

gắn trên đĩa.

Trang 6

Hình 1.9.

Quan sát thiết kế bên trong Rotor: Tấm giới hạn trên: Để nguyên liệu được những cánh tay khuấy và vành đai bao dàn phẳng trong các ngăn và xác định.quanh tạo thành những ngăn chứa liệu nhỏ

Hình 1.10.

Đĩa tròn đặc phía trên hay còn gọi Khi đã được ghép nối với thân và đáy

là nắp trên, trên có lỗ nạp liệu vào (2)

1.4.2 Nguyên lý hoạt động của cân rotor.

Khi nguyên vật liệu đi từ đầu vào đến đầu ra, nguyên vật liệu sẽ di chuyển ra khỏi

những trục cân bằng gây ra momen ở đường tâm của trục Đường cân (A-A) là đường đi qua khớp nối mềm đến các ống dẫn liệu, được xác định bởi 2 cái giá đỡ cân giữa thân ốngdẫn liệu và khung chính Momen này có thể đo được với cảm biến tải trọng (Load Cell) ởđiểm treo thứ 3 Giá trị momen này tỉ lệ với khối lượng do đó load ceel đo được khối lượng trong các ngăn roto, đồng thời kết quả đo của load ceel đưa lên bộ điều khiển để điều chỉnh sự đóng mở của cửa điều khiển lưu lượng , nhờ đó mà lượng liệu cấp cho các ngăn roto không bị đầy tràn

Trang 7

Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của cân.

Đường kính ngoài của roto có thể lên đến trên 2200mm, với mức nạp liệu được nâng đến 1100mm để đáp ứng công suất yêu cầu cho nguyên vật liệu thô từ 50 đến 700 giờ hoặc nhiều hơn thế Trong khoảng từ 500 đến 1000 kg thì ảnh hưởng của nhiễu ngoài

là nhỏ Hệ thống truyền động chính lắp ráp roto với một khớp nối, tự điều chỉnh, hệ thốngchỉ dẫn

Hình dáng đặc biệt của các thanh trục giúp bù trừ sự thay đổi của lực dao động gây lên bởi khối lượng nguyên liệu, do đó kết quả đo không bị ảnh hưởng

1.5 Các chuyển động chính.

- Chuyển động quay của tay khuấy để đồng nhất liệu

- Chuyển động quay của đĩa tròn nạp liệu

- Chuyển động quay của van quay để chuyển nguyên liệu đến đường cấp liệu khí nén

Trang 8

Hình 1.12 Quy trình làm việc cân rotor.

Hình 1.13 Quy trình tổng thể.

Trang 9

Chương 2:

CÁC THIẾT BỊ ĐÁP ỨNG CÔNG NGHỆ 2.1 Cấu trúc tổng quan.

Hình 2.1 Cấu trúc tổng quan của cân rotor

2.2 Các thiết bị lực.

- Các thiết bị lực là các thiết bị gần với tải nhất bao gồm

Trang 10

Hình 2.2 Sơ đồ tổng quan của cân rotor

- Các thiết bị mạch lực bao gồm:

+ A41 drive motor

+ A44 encoder

Trang 11

Hình2.3 Sơ đồ cấu tạo của A41 và A44

2.3 Các thiết bị điều khiển.

2.3.1 Load cell.

- Thiết bị điều khiển quan trọng nhất của cân rotor là cảm biến Load cell Sau đây em

sẽ tìm hiểu sâu về cảm biến này

Trong hệ thống cân định lượng rotor, yêu cầu cần phải có cảm biến load cell, để cân đạt độ chính xác cao Load cell là cảm biến đo áp lực tối ưu nhất hiện nay, được chế tạo

từ thạch anh (vật liệu áp điện) Khi có lực tác dụng lên bề mặt thạch anh thì nó sinh ra một điện áp phụ thuộc không tuyến tính nhưng đối với cảm biến thì khi hãng sản xuất chếtạo ra họ đã chuẩn cảm biến rồi (tuyến tính hóa)

Trang 12

Hình 2.4 Một số loại load cell thông dụng hiện nay.

Trước đây, hầu hết các thiết bị cân trong công nghiệp sử dụng load cell cảm biến sức căng, biến đổi thành tín hiệu điện (load cell tương tự) Tín hiệu này được chuyển thành thông tin hữu ích nhờ các thiết bị đo lường như bộ chỉ thị

Một hệ thống cân dùng load cell tuơng tự điển hình thông thường bao gồm một hoặcmột vài load cell nối song song với nhau qua một hộp nối (Junction Box) như hình vẽ

Hình 2.5 Hệ thống cân dùng load cell tương tự.

Trang 13

- Mỗi load cell tải một đầu ra độc lập, thường 1 đến 3 mV/V Đầu ra kết hợp đượctổng hợp dựa trên kết quả của đầu ra từng load cell Các thiết bị đo lường hoặc bộ hiển thịkhuyếch đại tín hiệu điện đưa về, qua chuyển đổi ADC, vi xử lý với phần mềm tích hợpsẵn thực hiện tính toán chỉnh định và đưa kết quả đọc được lên màn hình Đa phần cácthiết bị hay bộ hiển thị hiện đại đều cho phép giao tiếp với các thiết bị ngoài khác nhưmáy tính hoặc máy in

- Những load cell này dựa trên nguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone Giá trịlực tác dụng tỉ lệ với sự thay đổi điện trở cảm ứng trong cầu điện trở, và do đó trả về tínhiệu điện áp tỉ lệ Ưu điểm chính của công nghệ này là xuất phát từ yêu cầu thực tế, vớinhững tham số xác định trước, sẽ có các sản phẩm thiết kế phù hợp cho từng ứng dụngcủa người dùng Ở đó các phần tử cảm ứng có kích thước và hình dạng khác nhau phùhợp với yêu cầu của ứng dụng Các dạng phổ biến: dạng kéo (shear), dạng uốn(bending),dạng nén (compression)…

- Tuy nhiên, khó khăn gặp phải ngay từ buổi đầu của các hệ thống này là tín hiệu điện

áp đầu ra của load cell rất nhỏ(thường không quá 30mV) Những tín hiệu nhỏ như vậy dễdàng bị ảnh hưởng của nhiều loại nhiễu trong công nghiệp như:

- Nhiễu điện từ: sinh ra bởi quá trình truyền phát các tín hiệu điện trong môi trườngxung quanh, truyền phát tín hiệu vô tuyến điện trong không gian hoặc do quá trình đóngcắt của các thiết bị chuyển mạch công suất lớn…

- Sự thay đổi điện trở dây cáp dẫn tín hiệu: do thay đổi thất thường của nhiệt độ môitrường tác động lên dây cáp truyền dẫn

- Do đó, để hệ thống chính xác thì càng rút ngắn khoảng cách giữa load cell với thiết

bị đo lường càng tốt Cách giải quyết thông thường vẫn dùng là giảm thiểu dung sai đầu

ra của load cell Tuy nhiên giới hạn của công nghệ không cho phép vượt quá con số mongmuốn quá nhỏ Trong khi nối song song nhiều load cell với nhau, mỗi load cell tải vớimột đầu ra độc lập với các load cell khác trong hệ thống, do đó để đảm bảo giá trị đọcnhất quán, ổn định và không phụ thuộc vào vị trí, hệ thống yêu cầu chỉnh định đầu ra vớitừng load cell riêng biệt Công việc này đòi hỏi tốn kém về thời gian, đặc biệt với những

hệ thống yêu cầu độ chính xác cao hoặc trong các ứng dụng khó tạo tải kiểm tra như cân

Trang 14

lường như đồng hồ volt-ampe với độ chính xác cao, đặc biệt trong điều kiện nhà máyđang hoạt động liên tục

- Thực tế còn rất nhiều yếu tố khác liên quan đến độ chính xác của hệ thống cân như:

• Quá trình chỉnh định hệ thống

• Nhiễu rung và ồn

• Do tác dụng chuyển hướng lực trong các cơ cầu hình ống

• Quá trình phân tích dò tìm lỗi

• Thay thế các thành phần trong hệ thống cân hoặc các hệ thống liên quan

• Đi dây cáp tín hiệu dài

• Môi trường hoạt động quá kín

- Không thể tính toán được trước các yếu tố ảnh hưởng này để có thể mô hình hóatrong quá trình phân tích và thiết kế Trong khi đó điều kiện làm việc ở mỗi nơi rất khácnhau, thiết bị đo ở các xa cảm biến, tín hiệu truyền dẫn yếu dễ bị tiêu hao và nhiều loạinhiễu tác động, đặc biệt với môi trường làm việc khắc nghiệt trong nhà máy và xí nghiệp.Tín hiệu đưa về đến thiết bị đo lường khó phản ảnh trung thực giá trị thực tế

- Trong khi đó, các bộ hiển thị hiện nay thường dùng hệ vi xử lý tốc độ thấp, năng lựctính toán không cao, ít thiết bị tích hợp các thuật toán xử lý chỉnh định các số liệu thu thập

về, hoặc nếu có còn ở mức độ đơn giản Do các bộ hiển thị sử dụng với nhiều loại loadcell khác nhau nên các thuật toán chỉnh định chỉ mang tính tương đối, không triệt để, đặcbiệt là chưa có thiết bị nào tích hợp tính năng bù sai lệch do nhiệt độ Chức năng lọcnhiễu điện từ trường cho tín hiệu đo của các thiết bị này còn rất kém Một yếu điểm nữa làtần số lấy mẫu thấp, do đó không thể áp dụng trong các ứng dụng mà lực tác dụng biếnđổi nhanh (cân động) như các hệ thống cân băng liên tục,…

- Tuy nhiên, từ cuối những năm 1970, các nhà chế tạo load cell đã khám phá khả năng

có thể kết hợp giữa công nghệ điện tử hiện đại với các thành phần đo cơ bản, và kháiniệm load cell số ra đời Ban đầu, khi khái niệm load cell số mới ra đời, nhiều người hiểulầm là các load cell số có các phần tử điện tiêu hao thấp có thể được sử dụng để chuyểnđổi một load cell chất lượng thấp lên một load cell chất lượng cao

- Thực tế thì ngược lại, mỗi load cell số đơn giản cũng mang trong nó một cấu trúckhá phức tạp Thứ nhất, phải có một load cell cơ bản với độ chính xác, độ ổn dịnh và khảnăng lặp lại rất cao trong mọi điều kiện làm việc Thứ hai, phải có một bộ chuyển đổitương tự-số (ADC) 16 đến 20 bit tốc độ cao để chuyển đổi tín hiệu điện tương tự sang

Trang 15

dạng số Thứ ba, phải có hệ vi mạch xử lý để thực hiện điều khiển toàn bộ quá trìnhchuyển đổi từ tín hiệu lực đo được thành dữ liệu số thể hiện trung thực nhất và giao tiếpvới các thiết bị khác để trao đổi thông tin Tham khảo cấu trúc một load cell số trên hìnhbên dưới.

Hình 2.6.Cấu trúc load cell số.

- Tín hiệu điện áp từ cầu điện trở của load cell chính xác cao được đưa đến đầu vào của mạch tích hợp sẵn, bao gồm cả phần khuyếch đại, bộ giải điều chế, một ADC tốc độ cao 20 bit và bộ lọc số Một cảm biến nhiệt độ tích hợp sẵn được sử dụng để đo nhiệt độ thực của load cell phục vụ cho việc bù sai số do nhiệt độ Dữ liệu từ ADC, cảm biến nhiệt

độ cùng với các thuật toán trong phần mềm và một số phần cứng bổ sung tích hợp sẵn có chức năng tối ưu hóa xử lý các sai số do không tuyến tính, bù sai đường đặc tính, khả năng phục hồi trạng thái và ảnh hưởng của nhiệt độ… được vi xử lý tốc độ cao xử lý Dữ liệu kết quả đầu ra được truyền đi xa qua cổng giao tiếp theo một giao thức nhất định Cácmodule điện tử này có thể được đặt ngay trong load cell, load cell cable hoặc trong hộp

Trang 16

- Một hệ thống số điển hình bao gồm một số các load cell số nối với máy tính, PLChoặc thiết bị đo như bộ hiển thị Bên trong hệ thống, mỗi load cell độc lập có thể đượcnhận dạng bằng địa chỉ làm việc của nó Địa chỉ làm việc đó có thể được cài đặt do ngườilập trình thông qua một hoặc nhiều địa chỉ cung cấp bởi nhà máy Thông thường địa chỉ

“0” được sử dụng như là một địa chỉ làm cho tất cả các load cell trả lời, trong khi các sốnối tiếp của load cell có thể được sử dụng để yêu cầu một địa chỉ xác định

- Các load cell số hoạt động trên một chương trình điều khiển kiểu Master/Slave, ở đóđịnh nghĩa một thiết bị (thường là PC hoặc indicator) là master trên mạng Có hai chế độhoạt động chính: Master giám sát tất cả các quá trình truyền phát bằng cách giao tiếp vớitừng slave một cách tuần tự, hoặc master gửi dữ liệu yêu cầu các slave trả lời theo địa chỉtuần tự Chế độ thứ nhất có ưu điểm trong sự mềm dẻo và nắm bắt lỗi, trong khi chế độhai hướng đến tốc độ giao tiếp Hầu hết các load cell số kết nối theo chuẩn RS485 hoặcRS422 Cả hai kiểu giao thức đều có các đặc tính tương tự nhau và cung cấp một môitrường multi-drop Việc giao tiếp giữa các thiết bị nối trên mạng dựa trên giao thức quyđịnh bởi nhà sản xuất

- Có lẽ điểm khác biệt quan trọng nhất giữa hệ thống load cell tương tự và số là mặc

dù nối với nhau nhưng mỗi load cell số hoạt động như là một thiết bị độc lập

- Load cell số cho phép với trong nhiều ứng dụng khác nhau Dưới đây là 4 mô hìnhứng dụng điển hình

 Mô hình 1

Các load cell số cung cấp đầu ra theo giao diện RS422 hoặc RS 485 Các load cell nốivới nhau thành cấu trúc hình sao Junction Box hỗ trợ nối song song 8 load cell số CardRS422/RS485 cho phép kết nối trực tiếp đến máy tính PC hoặc PLC

Trang 17

Hình 2.7 Mô hình 1.

 Mô hình 2

Mô hình này chỉ khác với mô hình 1 là có thêm các thiết bị bảo vệ SPD cho hệ thốngload cell và máy tính chủ, chống lại các ảnh hưởng có hại như xung điện hoặc quá áp

Trang 18

chung một thiết bị điều khiển, đơn giản chỉ cần đi đường dây mạng liên kết chúng về một trạm điều khiển Thông thường một trạm chủ này có thể quản lý được đến 32 load cell số

 Mô hình 4

Trong mô hình này, bộ hiển thị đóng vai trò là trạm chủ giao tiếp trực tiếp với cácload cell hoặc với Junction Box Ngoài chức năng hiển thị, bộ hiển thị này có thể thựchiện một số chức năng điều khiển khác thông qua các đầu vào ra

Định dạng
Số trang	31
Dung lượng	3,05 MB