Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát cân băng định lượng trong công nghệ sản xuất xi măng

Mục LụcTrangLời mở đầu2Chương I .4 1.Giới thiệu về công nghệ sản xuất xi măng.42.Cân băng định lượng trong công nghệ sản xuất xi măng6Chương II161.Giới thiệu về bộ điều khiển PID162.Ứng dụng bộ điều khiển PID để nâng cao chất lượng cân băng định lượng18Chương III301. Giới thiệu về PLC302. Thiết bị khả trình PLC S7 300303. Chương trình điều khiển36Chương IV441.Giới thiệu phần mềm giám sát wincc442. Xây dựng giao diện giám sát hệ thống45Chương V47

Mục Lục

Trang

Lời mở đầu 2

Chương I

4

1.Giới thiệu về công nghệ sản xuất xi măng 4

2.Cân băng định lượng trong công nghệ sản xuất xi măng 6

Chương II 16

1 Giới thiệu về bộ điều khiển PID 16

2.Ứng dụng bộ điều khiển PID để nâng cao chất lượng cân băng định lượng 18

Chương III 30

1 Giới thiệu về PLC 30

2 Thiết bị khả trình PLC S7 300 30

3 Chương trình điều khiển 36

Chương IV 44

1 Giới thiệu phần mềm giám sát wincc 44

2 Xây dựng giao diện giám sát hệ thống 45

Chương V 47

LỜI NÓI ĐẦU

Trong công cuộc phát triển xây dựng cơ sở hạ tầng và xây dựng dân dụngtăng lên nhanh chóng trên thế giới nói chung Đặc biệt là sự bùng nổ về đầu tưphát triển công nghiệp xi măng ở các nước đang phát triển, trong đó phải kể đến

là Việt Nam Để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng về chấtlượng giá cả sự cạnh tranh trên thị trường, cho nên việc đầu tư cải tiến côngnghệ ở các công ty xí nghiệp đang là một giải pháp tốt cho việc cạnh tranh vềgiá cả và chất lượng

Với bất kỳ một nhà máy xi măng nào, nhất là đối với những nhà máy có mức độ

tự động hoá cao thì việc cân băng định lượng dùng giám sát, điều khiển cácthành phần phối liệu là vô cùng quan trọng, nó là một trong những yếu tố quyếtđịnh đến năng suất của cả dây truyền và tỷ lệ các thành phần phối liệu nó ảnhhưởng trực tiếp đến chất lượng xi măng sản xuất ra

Nói đến tự động hoá ngày nay không thể không nhắc đến các thiết bị điềukhiển có lập trình Trong đó PLC (Programmable Logic Controler) là một thiết

bị điển hình Với những tính năng ưu việt như dễ dàng lập trình thông qua nhiềukiểu ngôn ngữ (LADDER, STL, FBD), có thể thay đổi chương trình điều khiểnmột cách đơn giản, khả năng truyền thông mạnh với môi trường bên ngoài (với

PC, PLC ), gọn nhẹ, làm việc tin cậy trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt đã làm cho mọi quá trình sản xuất trở nên đơn giản và hiệu quả Tạo nên mốiliên kết giữa điều khiển quá trình sản xuất và quản lý kinh doanh (hệ điều khiểngiám sát thu thập số liệu - DCS)

Tại các nhà máy xi măng hầu hết các công đoạn chính trên dây chuyềnsản xuất đều dùng PLC Simatic S7 – 300 của Siemens, các công đoạn sau đây

có dùng PLC S7-300: Máy rút liệu trong các kho đá vôi, đá sét, phụ gia, khothan, cụm đóng bao và cảng nhà máy Đặc biệt là hệ thống cân băng định lượngtrong nhà máy xi măng

Với đề tài “Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát cân băng định

lượng trong công nghệ sản xuất xi măng”.

Phạm vi đề cập của bản đồ án này là thiết kế hệ thống cân băng địnhlượng trong nhà máy sản xuất xi măng Bản đồ án này được thực hiện với sự

giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của thầy giáo Nguyễn Đăng Khang Nội dung của bản

đồ án này chắc chắn còn nhiều thiếu sót, em rất mong được tiếp thu những ýkiến đóng góp bổ sung của các thầy cô giáo để bản đồ án của em được hoànchỉnh hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG I

Giới thiệu về công nghệ sản xuất xi măng và cân

băng định lượng trong sản xuất xi măng

1 Giới thiệu về công nghệ sản xuất xi măng.

1.1 Công đoạn chuẩn bị nguyên liệu.

Nguyên liệu để sản xuất xi măng chủ yếu là đá vôi, ngoài ra còn có cácloại phụ gia khác như than, đất, quặng sắt, thạch cao Với điều kiện thuận lợi lànguyên liệu ở gần sát nhà máy, đá sau khi được khai thác được hệ thống cácbăng tải cao su vận chuyển về nơi tập kết và được phân loại (đá vôi đen, đá vôixanh), kiểm tra chất lượng Đá đạt chất lượng có kích thước giới hạn là 350

mm

Đá đã đạt chất lượng được đưa xuống các máng đá, từ các máng đá này,được các băng tải xích tấm đưa đến các máy kẹp hàm đá để thực hiện công đoạnđập đá lần thứ nhất Sau khi qua các máy kẹp hàm này thì kích thước đá đạt kíchthước giới hạn là 80 mm

Sau khi qua công đoạn đập đá lần 1, đá được hệ thống băng tải cao su đưavào máy đập búa để thực hiện công đoạn đập đá lần 2 Qua khỏi công đoạn này,

đá nguyên liệu đạt kích thước 25 mm và được hệ thống gàu tải xúc lên đổ vàocác xilo 1 và 2

Các loại phụ gia khác thì được đưa từ các nơi về và tập kết ở kho chứaphụ gia qua công đoạn đập nhỏ, sấy, sàng phân loại để có được kích cỡ quyđịnh tạo điều kiện cho máy nghiền đạt năng suất sau đó được đổ vào các xilo3và 4

Riêng phụ gia đá thạch cao thì cũng như đá nguyên liệu (đá vôi) đượcmáy kẹp hàm đập nhỏ rồi được gàu tải xúc lên chứa trong xilo 5

1.2 Công đoạn phối và nghiền nguyên liệu.

Đây là công đoạn quan trọng, quyết định chất lượng sản phẩm của côngnghệ sản xuất xi măng lò đứng Đảm nhận công đoạn quan trọng này chính là hệthống cân băng định lượng điều khiển bằng máy vi tính Hệ thống gồm 06 bộcân băng được đặt dưới đáy các xilo theo thứ tự từ cuối băng tải chính đếnmiệng máy nghiền là : Đá 1, đá 2, than, quặng sắt, thạch cao Nhiệm vụ chính

của các cân băng đáp ứng sự ổn định về lưu lượng và điều khiển lượng nguyênliệu cấp này sao cho phù hợp với yêu cầu công nghệ đặt ra.

Nguyên liệu từ đáy các xilo được trút lên mặt các băng tải cân băng qua hệthống cấp liệu Mỗi cân băng trong hệ thống nhận 1 nhiệm vụ khác nhau (vậnchuyển các nguyên liệu khác nhau với 1 lưu lượng khác nhau) nhằm mục đíchkhống chế và điều chỉnh (tốc độ băng) sao cho lưu lượng liệu nhận được ứng vớigiá trị đặt trước theo yêu cầu công nghệ sản xuất với sai số bé hơn hoặc bằng giátrị cho phép

Hệ thống 06 cân băng định lượng này đổ nguyên liệu lên 1 băng tải cao su

và băng tải này có nhiệm vụ vận chuyển nguyên liệu (đã được phối) đổ vào máyngiền bi thực hiện nghiền thành bột liệu Các hạt bột liệu đạt tiêu chuẩn (về kíchthước) sẽ được hệ thống gàu tải xúc lên đổ vào cá xilo chứa, các hạt chưa đạt (có

độ mịn > 10% trên sàng 4900 lỗ/cm2 ) sẽ được máy phân ly đưa trở lại vào đầumáy nghiền để nghiền lại Tỷ lệ phối liệu theo định mức sau:

1.3 Công đoạn nung luyện clinke.

Đây cũng là 1 trong những công đoạn quyết định chất lượng của sảnphẩm Bột liệu được lấy ra và được đồng nhất bằng hệ thống rút liệu,sau đó qua

hệ thống máy trộn ẩm đạt độ ẩm 60% rồi đưa vào máy vê viên kiểu sàng quay.Những viên liệu có kích cỡ 6  8 mm sẽ được đổ xuống 1 băng tải cao su rồiđưa vào hệ thống cấp liệu cho lò nung, các viên liệu được cấp vào lò bằng cáchrãi đều từng lớp một và được nung ở nhiệt độ 1500oc sau đó được rút ra bằng hệthống máy ghi xả Lúc này các viên liệu đã trở thành clinke và dính vào nhauthành từng tảng có kích thước khoảng 80  100 mm Hệ thống ghi xả sẽ xảclinke nóng lên băng tải xích tấm đặt ngay dưới đáy lò và các tảng clinke đượcđưa vào máy kẹp hàm clinke để đập nhỏ Tuỳ theo chất lượng clinke tốt hay xấu

mà được đưa vào chứa trong các xilo riêng (Để sau này rút ra và phối với cáclượng phụ gia khác nhau

1.4 Công đoạn nghiền clinke thành ximăng thành phẩm và đóng bao xi măng.

Clinke sau khi được các bộ phận chức năng kiểm tra chất lượng, clinkeđược hệ thống cân băng định lượng phối cùng với các thành phần đá mỡ, thạchcao, đất pháp cổ, xỉ bông theo một tỷ lệ nhất định, sau đó được hệ thống băng tảicao su đưa vào máy nghiền bi Sản phẩm sau máy nghiền chính là xi măng thànhphẩm Các hạt xi măng chưa đạt (có độ mịn > 10% trên sàng 4900 lỗ/cm2 ) sẽđược máy phân ly đưa trở lại vào đầu máy nghiền để nghiền lại Sản phẩm ximăng đạt chất lượng được đổ vào các xilo 14, 15, 16 Sau khi để nguội thì đượcđưa vào máy đóng bao, thành phẩm được đóng kho kết thúc quy trình sản xuất.

2 Cân băng định lượng trong công nghệ sản xuất xi măng

2.1 Khái niệm:

Cân băng định lượng là bao gồm các thiết bị ghép nối với nhau mà thành,cân băng định lượng của nhà máy sản xuất xi măng là cân định lượng băng tải,được dùng cho hệ thống cân liên tục (liên tục theo chế độ dài hạn lặp lại) Thựchiện việc phối liệu một cách liên tục theo tỷ lệ yêu cầu công nghệ đặt ra

Trong các nhà máy sản xuất công nghiệp, các dây chuyền sản xuất ximăng, hệ thống cân băng định lượng còn đáp ứng sự ổn định về lưu lượng liệu

và điều khiển lượng liệu cho phù hợp với yêu cấu, chính vì nó đóng một vai tròrất quan trọng trong việc điều phối và hoạch định sản xuất, do đó nó quyết địnhvào chất lượng sản phẩm, góp phần vào sự thành công của công ty

Cân băng định lượng trong nhà máy sản xuất xi măng là cân băng tải, nó làthiết bị cung cấp kiểu trọng lượng vật liệu được chuyên trở trên băng tải mà tốc

độ của nó được điều chỉnh để nhận được lưu lượng vật liệu ứng với giá trị dongười vận hành đặt trước

2.2 Cấu tạo của cân băng định lượng :

Hình 1.1: Sơ đồ cấu tạo cân băng định lượng.

Cấu tạo của cân băng định lượng gồm các phân sau:

1: Phễu cấp liệu2: Cảm biến trọng lượng (Load Cell)

2.3 Tế bào cân đo trọng lượng:

Là thiết bị đo trọng lượng trong hệ thống cân định lượng bao gồm 2 loại tếbào là loại SFT (Smat Foree Tran Sduer) và tế bào cân Tenzomet

2.4 Nguyên lý tế bào cân số SFT:

Tải trọng cần đo

ĐỒ ÁN CHUYÊN MÔN TỰ ĐỘNG HÓA

Hình 2.1: Sơ đồ tế bào cân số SFT

Đầu đo trọng lượng là nơi đặt tải cần đo, nó truyền lực tác động trực tiếp củatải lên một đây dẫn đặt trong từ trường không đổi Nó làm thay đổi sức căng củadây dẫn nên dây dẫn bị dao động (bị rung) Sự dao động của dây dẫn trong từtrường sinh ra sức điện động cảm ứng Sức điện động này có tác động chặt chẽlên tải trọng đặt trên đầu đo

Đầu cảm biến nhiệt độ xác định nhiệt độ của môi trường để thực hiện việcchỉnh định vì các phần tử SFT phụ thuộc vào rất nhiều vòng nhiệt độ

Bộ chuyển đổi : Chuyển đổi các tín hiệu đo lường từ đầu đo thành dạng tínhiệu số

Bộ xử lý : Xử lý tất cả các tín hiệu thu được và các tín hiệu ra bên ngoài theophương thức truyền tin nối tiếp

Bảng thống kê một số loại tế bào

Bộ vi xử lýN

SS

N

Năng lượng tiêu

Hình 2.2: Sơ đồ cầu tế bào cân Tezomet.

Nguyên lý tế bào cân Tenzomet dựa theo nguyên lý cầu điện trở, trong đó giátrị điện trở của các nhánh cầu thay đổi bởi ngoại lực tác động lên cầu Do đó nếu

có một nguồn cung cấp không đổi (UN=const) thì hai đường chéo kia của cầu tathu được tín hiệu thay đổi theo tải trọng đặt lên cầu Khi cầu cân bằng thì điện

áp ra Ur=0 Khi cầu điện trở thay đổi với giá trị ΔR R +ΔR R thì điện áp ra sẽ thay đổi, lúcnày điện áp ra được tính theo công thức.

ΔR R +ΔR R

( 2.1) Ur=UN *

R

Trong đó: UN - điện áp nguồn cấp cho đầu đo

Ur - điện áp ra của đầu đo

ΔR R +ΔR R - lượng điện trở thay đổi bởi lực kéo trên đầu đo

R - giá trị điện trở ban đầu của mỗi nhánh cầu

với R tỷ lệ với khối lượng vật liệu trên băng cân thì thấy tín hiệu Ura là khuyếchđại nên sau đó gửi tín hiệu này qua biến đổi A/D vào bộ điều khiển để xử lý Giả sử cấp cho đầu vào cầu cân một điện áp là UN=10v thì cứ 100kg vật liệutrên băng LoadCell sẽ chuyển thành 2mv/v tương ứng Lúc này, điện áp ra củacầu cân sẽ là Ura=20mv

Bảng thống kê một số tế bào cân Tenzomet

2.7 Nguyên lý tính lưu lượng của cân băng định lượng:

2.7.1 Nguyên lý tính lưu lượng:

Cân băng định lượng (cân băng tải) là thiết bị cung cấp liệu kiểu trọnglượng.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 khôngxuống đều).

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

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

Tốc độ băng tải V (m/s) là tốc độ của vật liệu được truyền tải Tải củabăng 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 chỉnhtốc 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 bảolưu lượng không đổi ở điểm đổ liệu

(2.2) Q = ƍ * V

Trọng lượng tổng trên băng là lực Fc(N) được đo bởi hệ thống cân trọng lượng

và ∂, được tính theo biểu thức:

(2.3) ƍ

= F C L

(2.5) ƍ = 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:

(2.6) Q =

Fc∗V L

2g

=2Fc∗V

L∗g

2.7.2 Đo trọng lượng liệu trên băng tải:

Trọng lượng đo nhờ tín hiệu của LoadCell bao gồm trọng lượng của băng tải

và trọng lượng vật liệu trên băng Vì vậy để đo được trọng lượng của liệu thì taphải tiến hành trừ bì (tức là trừ đi trọng lượng của băng tải )

Bộ điều khiển xác định trọng lượng của liệu nhờ trừ bì tự động các phân đoạnbăng tải

* Nguyên lý của quá trình trừ bì như sau :

Băng tải phải được chia thành các phân đoạn xác định Trong lúc trừ bì băngtải rỗng (không có liệu trên băng) trọng lượng của mỗi đoạn băng được ghi vào

bộ nhớ Khi vận hành bình thường cân băng tải trọng lượng của mỗi vật liệu trênmỗi phân đoạn được xác định bằng cách lấy trọng lượng đo được trên đoạn đótrừ đi trọng lượng băng tải tương ứng đã ghi trong bộ nhớ Điều này đảm bảocân chính xác trọng lượng liệu ngay cả khi dùng băng tải có độ dày không đềutrên chiều dài của nó Việc điều chỉnh trọng lượng cần phải thực hiện đồng bộvới vị trí của băng (belt index được gắn trên băng) mới bắt đầu thực hiện trừ bì.Khi ngừng cân vị trí của băng tải được giữ lại trong bộ nhớ do đó ở lần khởiđộng tiếp theo việc trừ bì được thực hiện ngay

2.8 Khái quát về điều chỉnh cấp liệu cho cân băng:

Việc điều chỉnh cấp liệu cho băng cân định lượng chính là điều chỉnh lưulượng 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 sensơr 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 sửdụng bộ điều chỉnh PID để điều chỉnh cấp liệu (có thể là van cấp liệu hoặc vanquay) 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 đổitheo 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

về độ chính xác điều chỉnh thì phương pháp 2 hơn hẳn phương pháp 1, thời gianđiều chỉnh nhỏ, thiết bị cấp liệu làm việc ổn định không bị ngắt quãng, nhưngphạm vi điều chỉnh không rộng Phương pháp 1 đơn giản hơn, phạm vi điềukhiển rộng hơn và có thể dược đặt bởi người sử dụng, nhưng trong phạm vi điềuchỉnh thiết bị phải làm việc gián đoạn thì ảnh hưởng không tốt đến tuổi thọ củathiết 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

2.9 Cấu trúc của một hệ cân:

2.9.1 Cấu tạo chung của hệ cân:

Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc của một hệ thống

Cấu tạo của hệ thống bao gồm:

1- Gồm 06 hệ cân liệu từ đá Đ1 cho tới Thạch cao Các cân này cókích thước: chiều dài là 3910mm, rộng 1250mm, cao 1150mm, chiều rộng mặtbăng 650mm, tốc độ của băng 0.5÷1m/s, sơ đồ cấu tạo như hình 1.1, hệ truyềnđộng sử

dụng hai loại động cơ đó là 1.5kw và 0.75kw, tốc độ của động cơ truyền độngđều là : nd : 970 v/p

Hệ cân Đ2

Hệ cân Đ2

Hệ cân

Đ1

Hệ cân than

Hệ cân quoặng

Hệ cân đất

Hệ cân thạch cao

Băng tải chính

CHƯƠNG II

Ứng dụng bộ điều khiển PID để nâng cao chất lượng

cân băng định lượng

1 Giới thiệu về bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID: Proportional(tỉ lệ) Integral(tích phân) Derivative(đạohàm) là giải thuậtđiều khiển được dùng nhiều nhất trong các ứng dụng điềukhiển tự động với yêu cầu chính xác (accurate), nhanh (fast response), ổnđịnh (small overshot)

Hình 2.1: Bộ điều khiển PID

PID là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển tổng quát được sử dụng rộng rãitrong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID được sử dụngphổ biến nhất trong số các bộ điều khiển phản hồi Một bộ điều khiển PID tínhtoán một giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trịđặt mong muốn Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điềuchỉnh giá trị điều khiển đầu vào Trong trường hợp không có kiến thức cơ bản vềquá trình, bộ điều khiển PID là bộ điều khiển tốt nhất Tuy nhiên, để đạt đượckết quả tốt nhất, các thông số PID sử dụng trong tính toán phải điều chỉnh theotính chất của hệ thống-trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các thông số phảiphụ thuộc vào đặc thù của hệ thống

Một điều rất tự nhiên, với yêu cầu nhanh thì một cách đơn giản để công thứchóa ý tưởng này là dùng quan hệ tuyến tính:

F=Kp*e Trong đó Kp là một hằng số dương nào đó mà chúng ta gọi là hệ số P(Propotional gain), e là sai số cần điều khiển Mục tiêu điều khiển là đưa e (saisố) tiến về 0 càng nhanh càng tốt Rõ ràng nếu Kp lớn thì tác động nhanh củađiều khiển cũng càng lớn Tuy nhiên, do quán tính mà việc điều khiển càngnhanh càng gây ra tính mất ổn định (do lực quán tính và lực điều khiển tạo racặp đối lực xuất hiện ở hai khoảng thời gian liên tiếp nhau => chúng tạo ra daođộng không kiểm soát được)

Như vậy, ta sẽ sử dụng đạo hàm của sai số e để làm tăng giá trị nhưng ngượcchiều của lực F (vì e đang giảm nhanh dần) Nếu sử dụng đạo hàm làm thànhphần “thắng” thì có thể giảm được overshot của xe Thành phần “thắng” nàychính là thành phần D (Derivative) trong bộ điều khiển PID mà chúng ta đangkhảo sát Thêm thành phần D này vào bộ điều khiển P hiện tại, chúng ta thuđược bộ điều khiển PD như sau:

F=Kp*e +ΔR Kd*(de/dt) Trong đó (de/dt) là vận tốc thay đổi của sai số e và Kd là một hằng số không âmgọi là hệ số D (Derivative gain)

Sự hiện diện của thành phần D làm giảm overshot vật thể điều khiển khi nó tiếngần về vị trí cân bằng (vị trí ổn định), lực F gồm 2 thành phần Kp*e > =0 (P) vàKd*(de/dt) <=0 (D) Trong một số trường hợp thành phần D có giá trị lớn hơnthành phần P và lực F đổi chiều, “thắng” (hãm tốc) lại, yếu tố cần điều khiển (ví

dụ vận tốc, vị trí ) của vật thể giảm mạnh ở gần vị trí cân bằng Một vấn đề nảysinh là nếu thành phần D quá lớn so với thành phần P hoặc bản thân thành phần

P nhỏ thì khi tiến gần điểm cân bằng (chưa thật sự đến vị trí này), vật thể có thểdừng hẳn, thành phần D bằng 0 (vì sai số e không thay đổi nữa), lực F = Kp*e.Trong khi Kp và e lúc này đều nhỏ nên lực F cũng nhỏ và có thể không thắngđược lực ma sát tĩnh Sai số e trong tình huống này gọi là steady state error (tạmdịch là sai số trạng thái tĩnh) Để tránh steady state error, người ta thêm vào bộđiều khiển một thành phần có chức năng “cộng dồn” sai số Khi steady stateerror xảy ra, 2 thành phần P và D mất tác dụng, thành phần điều khiển mới sẽ

“cộng dồn” sai số theo thời gian và làm tăng lực F theo thời gian Đến một lúcnào đó, lực F đủ lớn để thắng ma sát tĩnh và đẩy vật tiến tiếp về điểm cân bằng.Thành phần “cộng dồn” này chính là thành phần I (Integral - tích phân) trong bộ

điều khiển PID Vì chúng ta điều biết, tích phân một đại lượng theo thời gianchính là tổng của đại lượng đó theo thời gian Bộ điều khiển đến thời điểm này

đã đầy đủ là PID:

F=Kp*e +ΔR Kd*(de/dt)+ΔR Ki*∫edt Như vậy, chức năng của từng thành phần trong bộ điều khiển PID giờ đã rõ Tùyvào mục đích và đối tượng điều khiển mà bộ điều khiển PID có thể được lượtbớt để trở thành bộ điều khiển P, PI hoặc PD Công việc chính của người thiết

kế bộ điều khiển PID là chọn các hệ số Kp, Kd và Ki sao cho bộ điều khiển hoạtđộng tốt và ổn định (quá trình này gọi là PID gain tuning) Đây không phải làviệc dễ dàng vì nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố Tôi tóm tắt một kinh nghiệm cơbản khi chọn các hệ số cho PID như sau:

- Chọn Kp trước: thử bộ điều khiển P với đối tượng thật (hoặc mô phỏng), điềuchỉnh Kp sao cho thời gian đáp ứng đủ nhanh, chấp nhận overshot nhỏ

- Thêm thành phần D để loại overshot, tăng Kd từ từ, thử nghiệm và chọn giá trịthích hợp

- Thêm thành phần I để giảm steady state error Nên tăng Ki từ bé đến lớn đểgiảm steady state error đồng thời không để cho overshot xuất hiện trở lại

2 Ứng dụng bộ điều khiển PID để nâng cao chất lượng cân băng định lượng

2.1 Yêu cầu

Hệ thống cân băng định lượng là một trong những khâu quan trọng giúpcho nhà máy hoạt động một cách liên tục Cân băng định lượng là một khâutrong dây chuyền công nghệ nhằm cung cấp chính xác lượng nguyên liệu cầnthiết cho nhà máy, lượng nguyên liệu này đã được người lập trình cài đặt mộtgiá trị trước Khi mà lượng nguyện liêu trên băng tải ít đi thì đòi hỏi phải tăngtốc động cơ lên để băng tải chuyển động nhanh hơn nhằm cung cấp đủ lượngnguyên liệu cần thiết Ngược lại khi lượng nguyên liệu trên băng tải vậnchuyển với lưu lượng nhiều thì các thiết bị tự động sẻ tự động điều khiển chođộng cơ quay với tốc độ chậm lại phù hợp với yêu cầu

2.2 Xây dựng nguyên lý đo khối lượng của cân băng định lượng.

Khối lượng của vật liệu được cơ cấu cân định lượng cân chính xác theo lượngđặt ban đầu Năng suất của băng tải được tính theo biểu thức:

Q = δ.v [ kg/s ] (1)

Hay

Q=(3600.v)/1000

Trong đó

δ : khối lượng tải theo chiều dài [kg/m]

v : tốc độ di chuyển của băng [m/s]

Khối lượng của băng tải theo chiều dài được tính theo công thức:

δ = S.γ.103 (2)

Trong đó:

γ: Khối lượng riêng của vật liệu [tấn/m3]

S: Tiết diện cắt ngang của vật liệu trên băng

T Hệ thống điều chỉnh xung áp T động cơ 1 chiều (Hệ XAT Đ)

- Hệ thống truyền động vécto biến tần động cơ không đồng bộ ba pha

Trong những năm gần đây, hệ thống điều chế độ rộng xung PWM do các linhkiện bán dẫn tạo thành sử dụng các transito GTO, GTR và P-MOSFET, chúng

có rất nhiều ưu điểm: (1) mạch điện chính đơn giản, các linh kiện công suất ít;(2) tần số đóng mở cao, dòng điện dễ giữ được liên tục, sóng hài ít, tổn hao vàphát nhiệt của động cơ khá nhỏ; (3) có khả năng vận hành ở tốc độ thấp, độchính xác cao khi tốc độ ổn định, vì vậy phạm vi điều tốc rộng; (4) dải tần của

hệ thống rộng, tính thích nghi nhanh nhậy rất tốt, khả năng chống nhiễutrạng thái động mạnh; (5) các linh kiện của mạch điện chính làm việc ở trạngthái đóng mở, tổn hao khi mở thông nhỏ, hiệu suất thiết bị khá cao; (6) dòngđiện một chiều khi sử dụng hệ thống chỉnh lưu ba pha không điều khiển được,

hệ số công suất của mạng cao Từ những ưu điểm nổi trội của hệ thống xungđiện áp do đó trong đề tài này chọn hệ thống xung điện áp làm hệ truyềnđộng cho hệ thống điều tốc

Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống truyền động điều chế độ rộng xung một chiều

2.4 Tổng hợp hệ thống

Để phù hợp với yêu cầu của hệ truyền động, qua phân tích cơ cấu cân băng, tathấy rằng hệ truyền động này bao gồm ba mạch vòng điều chỉnh, đó là mạchvòng điều chỉnh dòng điện, mạch vòng điều chỉnh tốc độ và mạch vòng điềuchỉnh năng suất

Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống tự động điều khiển cân băng

Trong đó:

- Q là lượng đặt năng suất

- Wc(p) là hàm truyền của khâu động cơ

- Wpwm là hàm truyền của bộ điều chế độ rộng xung

- WRI là hàm truyền của bộ điều khiển dòng

- WR là hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ

- WR là hàm truyền của bộ điều năng suất

Mô phỏng hệ truyền động cân băng khi sử dụng bộ điều khiển PID

Các thông số hệ truyền động:

Loại động cơ: H-68 do Nga sản xuất với các thông số như sau:

- Pđm: Công suất định mức của động cơ là

- Ti: Hằng số thời gian của máy biến dòng

0,0025 s

- T: Chu kỳ của điện áp ra được chọn 0,0033s

- Tđk: Hằng số thời gian của mạch điều khiển bộ chỉnh lưu 0,00015 s

- T : Hằng số thời gian của máy phát tốc

0,0015 s

- T : Hằng số thời gian của bộ cảm biến vị trí

0,3 s

- đm: Hiệu suất định mức của động cơ 80%

Sử dụng công cụ Simulink của Matlab, xây dựng mô hình mô phỏng mạchvòng điều chỉnh năng suất và mạch vòng điều chỉnh tốc độ (trong đó baogồm cả mạch vòng điều chỉnh dòng điện) của hệ thống truyền động điện sửdụng bộ điều chế độ rộng xung điện áp Đồng thời, để đơn giản cho quá trình

mô phỏng ta chọn các khâu phản hồi tốc độ có

=1, phản hồi vị trí có =1 như hình 3 với

bộ điều chỉnh tốc độ là khâu PI

Hình 2.4: Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bằng bộ điều khiển PID

Kết quả mô phỏng được thể hiện dưới đây đáp ứng được các yêu cầu kỹthuật đề ra:

Hình 2.5: Kết quả mô phỏng với chỉ tiêu tốc độ, dòng điện và năng suất

4.8 Thuật toán PID

Trong quá trình vận hành một bộ điều khiển PID sẽ điều chỉnh giá trị của kết quả đầu

ra sao cho từ đó nó có thể giảm sai lệch (e) trở về 0 Cách xác định sai lệch được xác định bằng việc xác định sự khác nhau giữa giá trị đặt và giá trị thực Nguyên tắc tính toán của bộ điều khiển PID dựa trên cơ sở hàm sau (thể hiện giá trị đầu ra), M(t) là hàm bao gồm một hàm tỷ lệ, một hàm tích phân và một hàm vi phân.

Trong đó

M(t) là tín hiệu ra

K c là hệ số khuyếch đại

e là giá trị sai lệch

M innial là giá trị ban đầu của đầu ra

Để thực hiện chức năng điều khiển trong một máy tính kỹ thuật số thì các hàm liên tục phải được lượng hoá thành các mẫu định kỳ của giá trị sai lệch cùng với giá trị tính toán của đầu ra Hàm số dưới đây là cơ sở cho quá trình điều khiển bằng máy tính số hoá:

Trong đó

Mn là giá trị đầu ra đã được tính toán tại thời điểm lấy mẫu n

K C là hệ số tỷ lệ

e n là giá trị sai lệch tai thời diểm lấy mẫu n

e n-1 là giá trị sai lệch tai thời diểm lấy mẫu n-1

Phương trình đơn giản hoá là:

Trong đó

Mn là giá trị đầu ra đã được tính toán tại thời điểm lấy mẫu n

K C là hệ số tỷ lệ

e n là giá trị sai lệch tai thời diểm lấy mẫu n

e n-1 là giá trị sai lệch tai thời diểm lấy mẫu n-1

K I là hệ số tích phân

MX là giá trị của đầu ra tại n-1

K D là hệ số vi phân CPU sử dụng một hình thức của hàm đã được đơn giản hoá trên khi tính toán giá trị đầu ra của vòng điều khiển

Hàm đơn giản là:

Trong đó

Mn là giá trị đầu ra đã được tính toán tại thời điểm n

MP n là giá trị của khâu tỷ lệ tại thời điểm n

MI n là giá trị của khâu tích phân tại thời điểm n

MD n là giá trị của khâu tích phân tại thời điểm n

*Hàm tỷ lệ:

Giá trị tỷ lệ MP là kết quả giá trị đạt được giá trị này điều khiển độ nhạy bén của việc tính toán và giá trị sai lệch (được tính bằng sự khác nhau giữa giá trị đặt và giá trị thực tại một thời điểm cho trước) Hàm trị tỷ lệ được CPU xử lý là:

Trong đó

MP n là giá trị đầu ra của khâu tỷ lệ tại thời điểm n

K C là hệ số tỷ lệ

SP n là giá trị đặt tại thời điểm n

PV n là giá trị thực tại thời điểm n

T S là thời gian lấy mẫu

T I là hệ số thời gian tích phân

SP n là giá trị đặt tại thời điểm n

PV n là giá trị thực tại thời điểm n

MX là giá trị của hàm tích phân tại thời điểm n-1 Tổng tích phân (MX) là tổng các giá trị trước đó đang chạy của giá trị tích phân Sau mỗi lần tích toán Minm tổng tích phân sẽ được cập nhật bằng giá trị Min đã được điều chỉnh (xem phần Biến số và phạm vi để biết thêm chi tiết) Giá trị ban đầu của tổng

tích phân được đặt theo giá trị đầu ra Minnitial ngày trước quá trình tính toán đầu ra vòng đầu tiên Giá trị tích phân gồm một vài hằng số như hệ số tích phân và hằng số thời gian mà trong một thời gian quét một vòng mà PID tính lại giá trị đầu ra và tích phân thời gian (Ti) mà trong một khoảng thời gian cần để điều khiển sự tác động của hàm tích phân trong việc tính toán đầu ra.

hoặc chỉ là:

Trong đó

MD n là giá trị đầu ra của khâu vi phân tại thời điểm n

K c là hệ số

T s là thời gan mẫu

T d là thời gian vi phân

SP n là giá trị đặt tại thời điểm n

SP n-1 là giá trị đặt tại thời điểm n-1

PV n là giá trị thực tại thời điểm n

PV n-1 là giá trị thực tại thời điểm n-1 CPU phải lưu giá trị thực chứ không lưu sai lệch để sử dụng trong việc tính toán giá trị

vi phân tiếp sau đó Trong lần lấy mẫu đầu tiên giá trị PVn-1được coi là tương đương với giá trị PVn.

Lựa chọn vòng điều khiển: Trong nhiều hệ thống điều khiển người ta thường sử dụng một hoặc hai vòng điều khiển Ví dụ người ta có thể sử dụng vòng điều khiển tỷ lệ hoặc điều khiển tỷ lệ và tích phân.Việc lựa chọn vòng điều khiển được thực hiện bằng việc lập giá trị thông số không đổi Nếu không muốn tính toán bằng tích phân (không

‘I’ trong việc tính toán PID) thì người ta phải xác định giá trị vô cực cho thời gian tích phân Thậm chí nếu không tính toán tích phân thì giá trị của hàm tích phân có thể không bằng 0 bởi giá trị ban đầu của tổng tích phân MX nếu người ta không muốn dùng bộ D trong tính toán PID thì thời gian đạo hàm T d sẽ được coi bằng 0.0.

Nếu không muốn sử dụng bộ P trong tính toán PID và bạn lại muốn sử dụng bộ I hoặc

ID thì hằng số thời gian sẽ được xác định bằng 0.0 Bởi vì giá trị hệ số tỷ lệ là một nhân tố trong các hàm dùng để tính toán giá trị tích phân, giá trị vi phân thì việc đặt giá trị 0.0 cho hệ số sẽ trở thành giá trị 1.0 sử dụng trong hàm tích phân, vi phân.

Cả giá trị đặt và giá trị thực đều là những số thực mà phạm vi, độ lớn và đơn vị vận hành có thể khác nhau Trước khi bộ PID xử lý các giá trị thực đó thì chúng phải được chuyển hoá thành những điểm rõ ràng đúng tiêu chuẩn Bước đầu tiên là chuyển một

số nguyên 16 bit thành một điểm hoặc số thực Dòng lệnh sau cho thấy cách chuyển từ

số nguyên sang số thực.

Lệnh

XORD AC0, AC0 MOVW AIW0, AC0 LDW >= AC0,0 JMP 0 NOT

CRD 16#FFFF0000,AC0 LBL 0

DTR AC0, AC0 Bước tiếp theo là chuyển số thực thành giá trị tiêu chuẩn (Số hoá tín hiệu) 00 và 1.0 Hàm sau dùng để tiêu chuẩn hoá cả giá trị thực và giá trị đặt.

Trong đó :

R Norm là gá trị số thực đã được chuẩn hoá.

R raw là gá trị số thực chưa được chuẩn hoá.

Offset bằng 0.0 đối với giá trị đơn cực.

0.5 đối với giá trị song cực.

Span là giá trị lớn nhất của độ phân giải

= 32000 cho giá trị đơn cực.

= 64000 cho giá trị song cực.

*Chuyển vòng đầu ra thành gá trị nguyên cân bằng:Vòng đầu ra là một số thực

tiêu chuẩn giữa 00 đến 01 Trước khi sử dụng giá trị đầu ra để xác định tín hiệu tương

tự đầu ra ta phải chuyển giá trị đầu ra thành một số nguyên 16 bít được sắp xếp thứ tự Quá trình này là sự đảo ngược quá trình chuyển đổi PV và SP sang giá trị tiêu chuẩn Bước đầu tiên, chuyển vòng đầu ra thành giá trị số thực ta sử dụng công thức dưới đây:

Công thức R scal = (M n - Offset) Span

Trong đó:

R scal là độ chia độ của giá trị số thực đầu ra

M n là giá trị số thực đầu ra đã được chuẩn hoá Offset bằng 0.0 đối với giá trị đơn cực

0.5 đối với giá trị song cực Span là giá trị lớn nhất của độ phân giải

= 32000 cho giá trị đơn cực

= 64000 cho giá trị song cực

Chuỗi lệnh sau cho biết cách sắp xếp thứ tự vòng đầu ra:

MOVR VD108 -R 0,5, AC0

*R 64000.0, AC0 Tiếp theo, giá trị thực thể hiện vòng đầu ra phải được chuyển thành một số nguyên 16 bits Dòng lệnh dưới đây cho thấy cách chuyển đổi đó:

TRUNC AC0, AC0 MOV-W AC0, AQW0

*Các vòng hoạt động đúng chiều và ngược chiều: Gọi là vòng đúng chiều nếu như

hệ số tích phân dương và gọi là vòng ngược chiều nếu hệ số là âm (đối với bộ điều khiển I hoặc ID, giá trị của hệ số là 0.0 việc xác định hệ số tích phân dương cho giá trị thời gian tích phân và giá trị thời gian đạo hàm sẽ ảnh hưởng tới vòng xuôi chiều và việc xác định giá trị âm sẽ ảnh hưởng tới vòng ngược chiều).

*Các biến số và phạm vi: Biến số và giá trị đặt là đầu vào của bộ tính toán PID Như

vậy ta có thể đọc các trường Bảng lặp của các biến số đó như không thể thay đổi bởi lệnh PID

Bộ tính toán PID có thể tạo ra giá trị đầu ra vì vậy trường giá trị đầu ra trong bảng thông số được cập nhật sau mỗi bộ tính toán PID Giá trị đầu ra được tập hợp thành các giá trị từ 00 đến 1.0 Ta có thể sử dụng giá trị đầu ra như một đầu vào để xác định giá trị đầu ra ban đầu khi chuyển đổi từ trạng thái điều khiển bằng tay sang trạng thái điều khiển tự động của đầu ra Nếu ta sử dụng bộ điều khiển tích phân thì bộ tính toán PID sẽ cập nhật giá trị sai lệch và giá trị vừa được cập nhật đó sẽ được sử dụng như một đầu vào của bộ tính toán PID tiếp theo Khi giá trị đầu ra vừa được tính toán nằm ngoài phạm vi cho phép (nhỏ hơn 0.0 hoặc lớn hơn 1.0) thì ta có thể điều chỉnh giá trị sai lệch theo công thức sau:

MX = 1.0 – (MP n +ΔR MD n ) Khi kết quả tính toán đầu ra M n > 1.0

MX = 1.0 – (MP n +ΔR MD n ) Khi kết quả tính toán đầu ra M n < 0.0 Trong đó:

MX là giá trị sai lệch đã được điều chỉnh

MP n là giá trị đầu ra của khâu tỷ lệ tại thời điểm n

MD n là giá trị đầu ra của khâu vi phân tại thời điểm n

M n Là giá trị đầu ra tại thời điểm n Bằng việc điều chỉnh giá trị lệch chuẩn như đã trình bày ở trên, khả năng đáp ứng của

hệ thống được nâng cao đáng kể bởi đầu ra đã tính được ở trên trở lại trong phạm vi cho phép Giá trị sai lệch chuẩn đã được tính toán cũng được tập hợp từ 0.0 đến 1.0 và sau đó được viết trong trường lệch chuẩn của Bảng lặp sau khi hoàn thành mỗi bộ tính toán PID Giá trị lưu trong Bảng lặp sẽ được sử dụng trong việc tính toán PID tiếp theo.

Giá trị lệch chuẩn trong Bảng lặp có thể được thay đổi trước khi thực hiện lệnh PID để xác định các vấn đề phát sinh trong khi tính giá trị lệch chuẩn trong một số ứng dụng

cụ thể Ta phải cẩn thận khi điều chỉnh bằng tay bất cứ giá trị sai lệch chuẩn nào viết trong Bảng lặp phải là một số thực từ 0.0 đến 1.0.