Thiết kế hệ thống điều khiển Logic tự động trạm trộn bê tông xi măng

Kỹ thuật điều khiển khả trình đã phát triển mạnh và chiếm một vị trí rất quan trọng trong các ngành kinh tế quốc dân. Kỹ thuật điều khiển logic khả trình phát triển trên cơ sở công nghệ máy tính và từng bước phát triển tiếp cận theo nhu cầu phát triển của công nghiệp. Ngày nay PLC có 1 vị trí rất quan trọng trong nền công nghiệp và nó được coi là trung tâm là bộ não của các hệ thống điều khiển. Là một sinh viên khoa điện, em cảm thấy rất tự hào khi được học tập và nghiên cứu các bộ môn trong ngành tự động hóa trong đó điển hình là bộ môn PLC với những ứng dụng rất quan trọng và rộng lớn trong các ngành công nghiệp cũng như đời sống. Và đặc biệt là trong đồ án môn học này chúng em đã có cơ hội kiểm nghiệm tính đúng đắn và ứng dụng những kiến thức lý thuyết đã được học về PLC .

LỜI NÓI ĐẦU

Kỹ thuật điều khiển khả trình đã phát triển mạnh và chiếm một vị trí rất quan trọng trong các ngành kinh tế quốc dân Kỹ thuật điều khiển logic khả trình phát triển trên cơ sở công nghệ máy tính và từng bước phát triển tiếp cận theo nhu cầu phát triển của công

nghiệp Ngày nay PLC có 1 vị trí rất quan trọng trong nền công nghiệp và nó được coi là trung tâm là bộ não của các hệ thống điều khiển

Là một sinh viên khoa điện, em cảm thấy rất tự hào khi được học tập và nghiên cứu các bộ môn trong ngành tự động hóa trong đó điển hình là bộ môn PLC với những ứng dụng rất quan trọng và rộng lớn trong các ngành công nghiệp cũng như đời sống

Và đặc biệt là trong đồ án môn học này chúng em đã có cơ hội kiểm nghiệm tính đúng đắn và ứng dụng những kiến thức lý thuyết đã được học về PLC

Nội dung đồ án môn học của chúng em là :” Thiết kế hệ thống điều khiển Logic tự

động trạm trộn bê tông xi măng” với 5 nội dung chính :

- Tổng quan về dây chuyền sản xuất bê tông xi măng

- Thiết kế sơ đồ công nghệ trạm trộn bê tông xi măng Đại học BKĐN Quy trình vận hành của trạm trộn bê tông xi măng đó (trộn 6 mẻ)

- Sơ lược về PLC và về module analog trong PLC của hãng Mitsubishi Tính chọn các cảm biến – Loadcell Lựa chọn các thiết bi chấp hành và các cơ cấu chấp hành cho hệ thống điều khiển tự động trạm trộn bê tông xi măng ĐHBKĐN

- Thiết kế chương trình điều khiển logic tự động dùng PLC của hãng Mitsubishi đã chọn

- Thiết kế mạch điện kết nối giữa các thiết bị đầu vào – PLC – các thiết bị chấp hành Kết luận và tài liệu tham khảo

Em xin chân thành cám ơn thầy giáo Khương Công Minh đã quan tâm và hướng dẫn , giúp đỡ nhóm của chúng em tận tụy, nhiệt tình

Em xin chân thành cám ơn !

Đà Nẵng, ngày 5 tháng 3 năm 2017

Sinh viên thực hiện

HỒ HOÀNG PHÚC

Chương 1 Tổng quan về dây chuyền sản xuất bê tông xi măng

1.1 Khái niệm chung về bê tông

Trong lãnh vực xây dựng, bê tông là một nguyên vật liệu vô cùng quan trọng, thông qua chất lượng bê tông cơ thể đánh giá chất lượng của toàn bộ công trình Chất lượng bê tông phụ thuộc vào các thành phần như: cát, đá, nước, xi măng…

Bê tông là một hỗn hợp được tạo thành từ cát, đá, xi măng, nước… Trong đó cát và đá chiếm 80% - 85%, xi măng chiếm 8% - 15%, còn lại là khối lượng của nước, ngoài ra còn có chất phụ gia thêm vào để đáp ứng yêu cầu cần thiết Có nhiều loại bê tông tùy thuộc vào thành phần của hỗn hợp trên Mỗi thành phần cát, đá, xi măng … khác nhau sẽ tạo thành nhiều Mác bê tông khác nhau

1.2 Các thành phần cấu tạo bê tông

1.2.1 Xi măng

Việc lựa chon xi măng là đặc biệt quan trọng trong việc sản xuất ra bê tông, có nhiều loại xi măng khác nhau, xi măng mác càng cao thì khả năng kết dính càng tốt và làm chất lượng thiết kế bê tông tăng lên tuy nhiên giá thành của xi măng mác cao là rất lớn Vì vậy khi thiết kế bê tông vừa phải đảm bảo chất đúng yêu cầu kĩ thuật và giải quyết tốt bài toán kinh tế

1.2.2 Cát

Cát dùng trong sản xuất bê tông có thể là cát thiên nhiên hay cát nhân tạo, kích thước hạt cát là từ 0.4 – 5 mm Chất lượng cát phụ thuộc vào thành phần khoáng, thành phần tạp chất, thành phần hạt… Trong thành phần của bê tông cát chiếm khoảng 29%.S

1.2.3 Đá

Đá dăm có nhiều loại tùy thuộc vào kích cỡ của đá, do đó tùy thuộc vào kích cỡ của

bê tông mà ta chọn kích thước đá phù hợp Trong thành phần bê tông đã dăm chiếm khoảng 52%

Bảng 1.1: Tỷ lệ 1 mẻ bê tông xi măng theo đề

1.3 Giới thiệu trạm trộn bê tông xi măng tự động

1.3.1 Cấu tạo

a) Bãi chứa cốt liệu: từ bãi chứa cốt liệu cát và đá Vật liệu được đưa xuống 3

băng tải riêng biệt chờ để tiến hành cân

b) Bộ phận định lượng:

Phân phối liệu gồm 3 phễu: hai phễu đá và một phễu cát, định lượng có 3 quả cân điện

tử (3 cảm biến trọng lượng) Việc đóng, mở các phễu được điều khiển bằng các xi lanh khí nén riêng biệt Phía dưới các phễu là một thùng đáy được mở nhờ một xi lanh khí nén lần lượt các cửa xả xuống thùng cân, sau khi cân xong thì thùng liệu được trút xuống phễu trộn chung

c) Hệ thống máy trộn

- Hệ thống máy trộn bê tông bao gồm hệ thống liên kết và thùng trộn

- Hệ thống liên kết bao gồm băng tải để đưa cốt liệu vào thùng trộn, máy bơm nước,

vít xiên vân chuyển xi măng, thùng trộn bê tông, hệ thống động cơ và khí nén

d) Hệ thống cung cấp điện và điều khiển

- Do trạm trộn bê tông có nhiều động cơ công suất lớn nên cần có 1 hệ thống cung cấp

điện phù hợp cho các động cơ cũng như các thiết bị tiêu thụ điện khác trong trạm trộn đó

1.3.2 Quá trình chuẩn bị

Từ các nguyên vật liệu xây dựng để sản xuất ra sản phẩm cuối cùng là bê tông ta cần thực hiện các công việc như sau:

Cốt liệu được để riêng biệt ở bãi chứa cốt liệu Cốt liệu được máy xúc lật đưa lên đầy các thùng phễu riêng rẽ, chờ xả xuống băng tải để vận chuyển lên các thùng cân cốt liệu, xi măng được đưa lên xi lô chứa xi măng trên cao Nước được bơm lên đầy các thùng chứa để chờ cân định lượng

Sau đó dựa vào sơ đồ công nghệ của từng trạm trộn bê tông xi măng để tiến hành quá trình vận hành

1.3.3 Hình ảnh về trạm trộn bê tông xi măng

Hình 1.1 Trạm trộn bê tông xi măng cấp liệu bằng tời kéo

Chương 2 Thiết kế sơ đồ công nghệ trạm trộn bê tông xi măng ĐHBKĐN

Quy trình vận hành của trạm trộn bê tông xi măng

2.1 Sơ đồ công nghệ

2.2 Quá trình vận hành

nước được xã vào bồn cân

chứa đóng lại

BON CHUA ÐA

BON CHUA CAT

BON CAT ÐA

CAN ÐA

BON CAN CAT

CAN CAT

CAN NUOC CAN XM

BON CHUA NUOC

BON CHUA XM

BANG TAI

ÐC

XE KIP ÐC

XI MANG ÐC THUNG TRON

ÐC

XE KÍP

THUNG TRON

BON CAN NUOC

BANG TAI

XE VAN CHUYEN

VAN XA VAN XA

SO DO CONG NGHE

DEN BAO XE

XE

• Xe kíp được kéo lên thùng trộn → khi CB tiệm cận gửi giá trị “1” thì dừng lại

→ tự động xã trong 20s Van xã xi măng và động cơ thùng trộn được mở

• Van xã xi măng và động cơ thùng trộn được mở

• Van xã đá, cát đóng lại và tiến hành kiểm tra số mẻ đã trộn với 5 Nếu kết quả

so sánh nhỏ hơn thì van cung cấp đá, cát sẽ mở ra → bồn cân đá, cát cân đúng khối lượng để tiến hành trộn mẻ tiếp theo Ngược lại van cung cấp đá, cát

không mở nữa

 Khi Loadcell cân xi măng trở về giá trị 0 thì đồng thời:

• Van xã xi măng đóng lại và tiến hành kiểm tra số mẻ đã trộn với 5 Nếu kết quả

so sánh nhỏ hơn thì van cung cấp xi măng sẽ mở ra → bồn cân xi măng cân đúng khối lượng để tiến hành trộn mẻ tiếp theo Ngược lại van cung cấp xi măng không mở nữa

• Thời gian trộn khô là 60s sẽ được đếm

 Trộn khô xong → van xã nước sẽ mở cho nước vào trùng trộn Khi Loadcell cân

nước trở về giá trị 0 thì đồng thời:

• Van xã nước đóng lại và tiến hành kiểm tra số mẻ đã trộn với 5 Nếu kết quả so sánh nhỏ hơn thì van cung cấp nước sẽ mở ra → bồn cân nước cân đúng khối lượng để tiến hành trộn mẻ tiếp theo Ngược lại van cung cấp nước không mở nữa

• Thời gian trộn ướt là 60s sẽ được đếm

 Trộn ướt xong → xe vận chuyển vào vị trí → CB tiệm cận gửi giá trị “1” → van xã

của thùng trộn mở ra → xã bê tông xi măng trong 30s Sau khi trộn xong 6 mẻ thì chuông báo sẽ báo cho tài xế vận chuyển bê tông xi măng đi

 Sau khi trộn xong 6 mẻ thì hệ thống dừng hoạt động

 Nếu đang hoạt động mà nhấn STOP thì tất cả động cơ ngừng hoạt động và các van

đều bị đóng

Chương 3

Sơ lược về PLC và về module analog trong PLC của hãng Mitsubishi Tính chọn các cảm biến – Loadcell Lựa chọn các thiết bi chấp hành và các cơ cấu chấp hành cho hệ thống điều

khiển tự động trạm trộn bê tông xi măng ĐHBKĐN

3.1 Tổng quan về PLC của hãng Mitsubishi

3.1.1 Điều khiển dùng PLC

PLC là từ viết tắt của Programmable Logical Controller (chương trình điều khiển tự

động có lập trình ), chương trình này được lưu trữ trong bộ nhớ ROM và được nạp vào thông qua máy vi tính cá nhân

Trong PLC chức năng bộ điều khiển cần thực hiện sẽ được xá định bởi một chương trình, chương trình này được nạp vào bộ nhớ PLC Khi đó PLC sẽ thực hiện quá trình điều khiển dựa vào chương trình đã được nạp sẵn Cấu trúc và sơ đồ đấu dây của bộ điều khiển không phụ thuộc vào chức năng hay quá trình hoặt động

Tất cả các linh kiện cần thiết cho việc thiết kế mạch đều được lập trình sẵn trong bộ PLC như : sensor, công tắc, nút nhấn, tế bào quang điện, và tất cả các cơ cấu chấp hành như: cuộn dây, đèn tín hiệu, bộ định thì, rơle trung gian, đều được nối vào PLC

Nếu muốn thay đổi hay mở rộng chức năng và quy trình công nghệ ta chỉ cần thay đổi chương trình bên trong bộ PLC Điều này rất tiện ích cho các kỹ sư thiết kế

3.1.2 Những ưu điểm kỹ thuật của bộ điều khiển PLC

• Không cần đấu dây cho sơ đồ điều khiển logic như kiểu dùng rơ le

• Có độ mềm dẻo sử dụng rất cao, khi chỉ cần thay đổi chương trình (phần mềm) điều khiển

• Chiếm vị trí không gian nhỏ trong hệ thống

• Nhiều chức năng điều khiển

• Tốc độ cao

• Công suất tiêu thụ nhỏ

• Không cần quan tâm nhiều về vấn đề lắp đặt

• Có khả năng mở rộng số lượng đầu vào/ra khi nối thêm các khối vào / ra chức năng

• Tạo khả năng mở ra các lĩnh vực áp dụng mới - Giá thành không cao

• Chính nhờ những ưu thế đó, PLC hiện nay được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động, cho phép nâng cao năng suất sản xuất, chất lượng và sự đồng nhất sản phẩm, tăng hiệu suất, giảm năng lượng tiêu tốn, tăng mức an toàn, tiện nghi và thoải mái

trong lao động Đồng thời cho phép nâng cao tính thị trường của sản phẩm

3.2 Lựa chọn PLC

Căn cứ vào số đầu vào/ra, dựa trên những đặc điểm củ hệ thống trạ trộn bê tông được trình bày trong đồ án, em lựa chọn PLC Mitsubishi FX3U 64MR ES/A có thể đáp ứng được các nhu cầu của hệ thống điều khiển

3.3 Lựa chọn module analog PLC

3.3.1 Module Analog FX2N-2AD

Việc xữ lý tín hiệu analog là một trong những bài toán lập trình PLC ứng dụng rất nhiều trong thực tế Trong đồ án này em sử dụng 2 module ngõ vào analog FX2N-2AD mắc nối tiếp để đọc giá trị của 3 cảm biến Loadcell

Hình 3.2 Module Analog Mitsubishi FX2N-2AD

3.3.2 Độ phân giải và thông số ngõ vào/ra

Mỗi module được tích hợp 2 kênh chuyển đổi

Độ phân giải : 12bit

3.3.3 Sơ đồ đấu nối tín hiệu Analog

Ngõ vào Analog module FX2N-2AD

Hình 3.3 sơ đồ đấu nối tín hiệu Analog

3.4 Tính chọn cảm biến – Loadcell

Cảm biến lực dùng trong việc đo khối lượng được sử dụng phổ biến là Loadcell Đây

là một kiểu cảm biến lực biến dạng lực chưa biết tác động vào một bộ phận đàn hồi, lượng

di chuyển của bộ phận đàn hồi biến đổi thành tín hiệu điện tỉ lệ với lực chưa biết Sau đây

là giới thiệu về loại cảm biến này

Loadcell sử dụng trong đồ án này là Loadcell ULSB có các tính năng sau:

• Tải trọng (kg): 500, 1000, 2000

• Cảm biến loại Single Point

• Đạt chuẩn bảo vệ IP65

• Chất liệu: anodized aluminum

• Ứng dụng: cân vật treo, nén

• Phương thức định lượng: cảm biến từ (loadcell)

Thông số kỹ thuật:

3.5 Lựa chọn thiết bị và cơ cấu chấp hành

3.4.1 Chọn động cơ điện

Động cơ được sử dụng rộng rải trên các máy cố định hoặc di chuyển ngắn theo quỹ đạo nhất định như: băng tải, trạm trộn bê tông, máy nghiền đá

Động cơ điện có nhiều chủng loại công suất và chia ra hai loại: động cơ điện một chiều

và động cơ điện xoay chiều Động cơ điện xoay chiều lại chia ra: đồng bộ và không đồng

bộ

Trong trạm trộn bê tông này ta chọn loại động cơ điện không đồng bộ 3 pha Roto

lồng sóc Vihem 3PN160S4 vì nó có cấu tạo đơn giản, rẻ tiền,dễ bảo quản, làm việc tin cậy,

có thể mắc trực tiếp vào lưới điện 2 pha không cần biến đôiỉ dòng điện, hiệu suất cao, chịu vượt tải tương đối tối, thay đổi chiều quay và khởi động nhanh, dễ tự động hóa Điều kiện

vệ sinh công nghiệp tốt, ít gây ô nhiễm môi trường

Thông số kỹ thuật:

3.4.2 Chọn van thủy lực

Theo yêu cầu của công nghệ trộn bê tông, chọn sử dụng loại van đảo chiều 4 cửa 2 vị trí tác động trực tiếp bằng nam châm điện VAN THỦY LỰC – 12

Hình 3.5 van thủy lực

3.4.3 Chọn cảm biến tiệm cận

Trong trạm trộn này em chọn cảm biến tiệm cận Omron E2EV-X5C1 2M để xác

định vị trí của xe chở bê tông xi măng

Hình 3.6 cảm biến tiệm cận Omron E2EV-X5C1 2M

Chương 4 Thiết kế chương trình điều khiển logic

4.1 Sơ đồ công nghệ

Hình 4.1 Sơ đồ công nghệ

4.2 Phân công vào/ra

STT Tên gọi tắt Địa chỉ Mô tả

INPUT

BON CHUA CAT

BON CAT ÐA

CAN ÐA

BON CAN CAT

CAN CAT

CAN NUOC CAN XM

BON CHUA NUOC

BON CHUA XM

BANG TAI ÐC

XE KIP ÐC

XI MANG ÐC THUNG TRON

ÐC

XE KÍP

THUNG TRON

BON CAN NUOC

BANG TAI

XE VAN CHUYEN

VAN XA VAN XA

SO DO CONG NGHE

DEN BAO XE

XE

7 V2 Y001 Van để xã đá vào băng tải

(quay thuận)

ngược)

LC1 = 0 Kg LC2 = 0 Kg

V1= '0' V2 = '0' M2 = '1'

K1 = 6 K2 = 0

K2 = K2 + 1 K2 = 5

CB2 = "1"

V3 = '1' M2 = '0' M3 = '1' LC3 = 0 TG3 = 20s

M2 = '1' CB1 = "1"

TG1 = 60s V4 = '1' LC4 = 0 Kg TG2 = 60 s V5 = '1' TG4 = 30s V5 = '0'

K2 = 5

K2 = K2 +1

K2 = 5 START= '1'

END

M4='0' V41='0'

V21='0' V11='0'

V11='0' V21='0'

M2 = '0'

STOP= '1' Ð

Ð

Ð Ð

Ð

Ð Ð

Ð

Ð

Ð Ð

S

S

S

S S

S

S S

S

S

S S

S

S S

S

Hình 4.2 Lưu đồ thuật toán

4.4 Chương trình điều khiển

0 X000 M0

M0 Y014 M15

X000

CMP C0 K4 M8

M16 X000

CMP C0 K4 M11

M17 X000

Y007 khoi luong nuoc

dong co bang tai

STOP STOP

239

289

293

STOP dong co xe kip quay thuan

dong co thung tron STOP

K200 th?i gian x?

STOP

K600 thoi gian tron kho

CO T3 Y017

M16 M11

T2

= D124 K0

khoi luong nuoc

K600 thoi gian tron uot

den bao dung he thong

thoi gian xa xi mang X013

Y018

Y004 X013

CMP C0 K4

Chương 5 Thiết kế mạch điện kết nối

KẾT LUẬN CHUNG

Trong toàn bộ 5 chương của đồ án em đã cố gắng giải quyết đầy đủ các ván đề liên quan đến:

1 Nghiên cứu công nghệ sản xuất bê tông và cấu tạo trạm trộn bê tông

2 Tính toán và lựa chọn các thiết bị cho một trạm trộn bê tông

3 Xây dựng được một cấu trúc hệ điều khiển trạm trộn bê tông

4 Thiết kế phần mềm điều khiển trạm trộn bê tông , sử dụng

PLC FX3U-64MR/ES-A của hãng Mitsubishi

Trong quá trình làm đồ án em đã học hỏi và đúc kết được những kiến thức cũng như kinh nghiệm thực tế bổ ích Và một lần nửa em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Khương Công Minh đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án này