Bài tập lớn môn kỹ thuật đo lường và cảm biến .ĐỀ TÀI: QUY TRÌNH PHÂN LOẠI VÀ ĐÓNG GÓI BAO BÌ XI MĂNG TỰ ĐỘNG

Từ những năm 70, nhu cầu xi măng cho xây dựng công nghiệp, cơ sở hạ tầng và nhà ờ tăng lên nhanh chóng trên thế giới, đặc biệt là sự bùng nổ về đẩu tư phát triển công nghiệp xi măng tại các nước đang phát triển. Mặt khác để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của khách hàng về chất lượng, tính đa dạng của xi măng. Vì yêu cầu khắt khe về môi trường, tiết kiệm năng lượng do giá nhiên liệu tăng nhanh, các nhà nghiên cứu, thiết kế công nghệ và chế tạo thiết bị không ngừng đầu tư vào việc cải tiến, đổi mới công nghệ và thiết bị, xi măng ngày càng tiên tiến và có hiệu quả cao. Hiện nay, kỹ thuật điện, điện tử trên thế giới đang phát triển rất mạnh mẽ. Các thành tựu của kỹ thuật đã thúc đẩy sản xuất phát triển theo xu hướng tự động hóa cao. Các loại cảm biến được sử dụng rộng rãi trong tự động hóa các quá trình sản xuất và điều khiển tự động các hệ thống khác nhau. Chúng có chức năng biến đồi sự thay đồi liên tục các đại lượng đầu vào không điện thành sự thay đồi các đại lượng đầu ra là đại lượng điện. Căn cứ vào các đại lượng đầu vào cảm biến được phân ra các loại: cảm biến nhiệt độ, cảm biến quang, cảm biến trọng lượng, cảm biến vị trí, lực, áp suất,.... Các thiết bị cảm biến đang dần trờ thành một phần không thể thiếu trong đời sống hiện đại của chúng ta. Quá trình đóng bao xi măng lả giai đoạn cuối trong dây chuyền sản xuất xi măng. Xi măng được sản xuất ra dưới dạng bột dễ hút ẩm và dễ bị hỏng dưới sự tác động của nước. Ngoài ra, hầu hết các nhà máy xi măng đều được xây dựng ở gần các nguồn nguyên liệu và xa nơi tiêu thụ nên quá trình vận chuyển xi măng khó khăn. Do vậy việc đóng bao xi măng là rất cần thiết có ỷ nghĩa quan trọng trong việc hoàn thành sản phẩm và bảo đảm chất lượng sản phẩm. Hệ thống đóng bao xi măng tự động sử dụng một lượng lớn các cảm biến và được điều khiển tự động bằng PLC. Do kiến thức còn hạn chế nên việc nghiên cứu hệ thống đóng bao xi măng còn rất sơ sài, mới chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu các cảm biến được sử dụng trong hệ thống. Rất mong được sự đóng góp ý kiến từ phía thầy giáo và bạn đọc.

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Mục Lục

Lời nói đầu 3

1 ĐÔI NÉT VỀ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT XI MĂNG 1

2 PHÂN TÍCH HỆ THỐNG ĐÓNG BAO XI MĂNG TỰ ĐỘNG 3

2.1 Quy trình đóng bao xi măng tự động đúng yêu cầu khối lượng (49,5 ± 0.5kg) 3

2.2 Quy trình phân loại bao xi măng phát hiện phế phẩm và đưa ra vị trị 6

2.4 Quy trình đếm số lượng sản phẩm mỗi ca làm việc: 7

3 CẢM BIẾN SỦ DỤNG TRONG HỆ THỐNG 9

3.1 Cảm biến vị trí và dịch chuyển 9

3.2 Cảm biến trọng lượng Load cell 11

3.3 Cảm biến quang 22

4 LỰA CHỌN THIẾT BỊ CHO HỆ THỐNG 26

5 CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ( SỬ DỤNG PLC S7-1200) 27

6.BÁO CÁO KẾT QUẢ 33

Lời nói đầu

Từ những năm 70, nhu cầu xi măng cho xây dựng công nghiệp, cơ sở hạ tầng vànhà ờ tăng lên nhanh chóng trên thế giới, đặc biệt là sự bùng nổ về đẩu tư phát triển côngnghiệp xi măng tại các nước đang phát triển Mặt khác để đáp ứng yêu cầu ngày càngcao của khách hàng về chất lượng, tính đa dạng của xi măng Vì yêu cầu khắt khe về môitrường, tiết kiệm năng lượng do giá nhiên liệu tăng nhanh, các nhà nghiên cứu, thiết kếcông nghệ và chế tạo thiết bị không ngừng đầu tư vào việc cải tiến, đổi mới công nghệ vàthiết bị, xi măng ngày càng tiên tiến và có hiệu quả cao

Hiện nay, kỹ thuật điện, điện tử trên thế giới đang phát triển rất mạnh mẽ Các thànhtựu của kỹ thuật đã thúc đẩy sản xuất phát triển theo xu hướng tự động hóa cao Các loạicảm biến được sử dụng rộng rãi trong tự động hóa các quá trình sản xuất và điều khiển tựđộng các hệ thống khác nhau Chúng có chức năng biến đồi sự thay đồi liên tục các đạilượng đầu vào không điện thành sự thay đồi các đại lượng đầu ra là đại lượng điện Căn

cứ vào các đại lượng đầu vào cảm biến được phân ra các loại: cảm biến nhiệt độ, cảmbiến quang, cảm biến trọng lượng, cảm biến vị trí, lực, áp suất, Các thiết bị cảm biếnđang dần trờ thành một phần không thể thiếu trong đời sống hiện đại của chúng ta

Quá trình đóng bao xi măng lả giai đoạn cuối trong dây chuyền sản xuất xi măng

Xi măng được sản xuất ra dưới dạng bột dễ hút ẩm và dễ bị hỏng dưới sự tác động củanước Ngoài ra, hầu hết các nhà máy xi măng đều được xây dựng ở gần các nguồnnguyên liệu và xa nơi tiêu thụ nên quá trình vận chuyển xi măng khó khăn Do vậy việcđóng bao xi măng là rất cần thiết có ỷ nghĩa quan trọng trong việc hoàn thành sản phẩm

và bảo đảm chất lượng sản phẩm Hệ thống đóng bao xi măng tự động sử dụng mộtlượng lớn các cảm biến và được điều khiển tự động bằng PLC Do kiến thức còn hạn chếnên việc nghiên cứu hệ thống đóng bao xi măng còn rất sơ sài, mới chỉ dừng lại ở việcnghiên cứu các cảm biến được sử dụng trong hệ thống Rất mong được sự đóng góp ýkiến từ phía thầy giáo và bạn đọc

Em xin chân thành cảm ơn!

1 ĐÔI NÉT VỀ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT XI MĂNG

Quy trình sản xuất xi măng:

Gồm 6 giai đoạn sau:

- Giai đoạn 1: Khai thác mỏ

- Giai đoạn 2: Gia công sơ bộ nguyên liệu

- Giai đoạn 3: Nghiền, sấy phối liệu sống

- Giai đoạn 4: Nung Clinker

- Giai đoạn 5: Nghiền xi măng

- Giai đoạn 6: Đóng gói xi măng (Nội dung nghiên cứu )

1.1 Giai đoạn 1: Khai thác mỏ

Xác định nguồn khoáng sản,thăm dò địa hình và đánh giá chất lượng

1.2 Giai đoạn 2: Gia công sơ bộ nguyên liệu

-Đá vôi, đất sét, quặng sắt…được vận chuyển từ mỏ khai thác về nhà máy thường

ở dạng viên tảng có kích thước lớn, nên phải được đập nhỏ trước để tiện cho việc nghiền, sấy khô, chuyển tải và tồn trữ

Vật liệu sau khi được đập nhỏ và có độ hạt đồng đều nên giảm được hiện tượng phân li của độ hạt khác nhau trong quá trình vận chuyển và tồn trữ, có lợi cho việc tạo ra thành phần liệu sống và sự phối liệu được chính xác Nhưng trong sản xuất xi măng độ hạt của vật liệu là hạt vừa, nếu hạt quá nhỏ sẽ làm cho hệ thống đập nhỏ phức tạp thêm

- Thiết bị đập nhỏ:

+ Có nhiều kiểu thiết bị đập nhỏ như: kiểu hàm, kiểu cối xay, kiểu trục cán, kiểu búa…Tuỳ thuộc vào điều kiện kinh tế và trình độ kỹ thuật của từng nước mà sử dụng thiết bị đập nhỏ phù hợp để mang lại hiệu quả kinh tế cao và dễ vận hành, sửa chữa

+ Thường thì các nhà máy sử dụng máy đập nhỏ kiểu búa đơn quay để đập nhỏ đávôi, Mergel, than, Clinker…Ưu điểm của loại máy này năng lực sản xuất lớn, tỉ suất đậpnhỏ cao, cấu tạo đơn giản, thân máy nhỏ, độ hạt đồng đều, dễ thay thế linh kiện Tuynhiên nó cũng có những nhược điểm là: đầu búa, rãnh răng lược, tấm lót chống bị màimòn; khi sản xuất tạo nhiều bụi; không thích hợp đập nhỏ các vật liệu bị ẩm ướt hoặc vậtliệu dính.

1.3 Giai đoạn 3: Nghiền, sấy phối liệu sống

- Sấy phối liệu sống:

+ Phối liệu đã được định lượng gồm đá vôi, đất sét sẽ được nạp vào máy nghiềnđứng Tại đây phối liệu được nghiền và sấy khô bằng khí thải từ lò nung Sau khi sấy thìlượng nước có trong nguyên liệu, chủ yếu là trong đất sét giảm xuống rất nhiều, tạo điềukiện cho các giai đoạn sau như nung Clinker, tồn trữ xi măng

- Nghiền phối liệu sống:

+ Sử dụng phương pháp nghiền bi để nghiền phối liệu sống, tỉ lệ chiều dài vàđường kính của máy nghiền bi là 3:1

+ Đặc điểm của máy nghiền bi thép là:

1 Áp dụng rộng rãi trong việc nghiền vật liệu rắn, năng lực sản xuất lớn

2 Khi độ hạt liệu vào là 20 ÷ 30mm thì độ nhỏ của sản phẩm có thể đạt tới 0,1mm

3 Có thể tiến hành nghiền, sấy cùng một lúc

4 Kết cấu đơn giản, dễ kiểm tra, dễ thay thế linh kiện

5 Vận hành tốt

6 Phát ra tiếng ồn khá lớn khi vận hành, tiêu hao nhiều năng lượng trong một đơn vị sản xuất

1.4 Giai đoạn 4: Nung Clinker

Clinker là sản phẩm nung thiêu kết ở 1450oC của đá vôi, đất sét và một số phụ giađiều chỉnh

Nung Clinker xi măng là khâu then chốt trong sản xuất xi măng Nhiệt độ của vậtliệu từ 1300 ÷ 1450 ÷ 1300oC là tiến hành nung Clinker Khi nhiệt độ của vật liệu đạtmức trên thì các chất sắt nhôm 4 canxi, nhôm 3 canxi, oxit magie và các chất kiềm bắtđầu nóng chảy; oxit canxi, silic 2 canxi hoà vào trong pha lỏng Trong pha lỏng, oxit

Phản ứng:

2CaO.SiO2 + CaO → 3CaO.SiO2

Quá trình giảm nhiệt độ từ 1450→13000C là quá trình hoàn thiện tinh thể Alite,cho tới 13000C thì pha lỏng bắt đầu đông kết, phản ứng tạo thành silic 3 canxi cũng kếtthúc Lúc này trong vật liệu còn một số oxit canxi chưa hoá hợp với silic 2 canxi, gọi làoxit canxi tự do

Sau khi nung thành Clinker phải tiến hành làm nguội Mục đích là để tăng chấtlượng Clinker, nâng cao tính dễ nghiền, thu hồi nhiệt dư của Clinker, giảm hao nhiệt,nâng hiệu suất nhiệt của hệ thống nung, giảm nhiệt độ Clinker, thuận tiện cho việc tồntrữ, vận hành và nghiền Clinker

1.5 Giai đoạn 5: Nghiền xi măng

Sau khi làm nguội, Clinker được chuyển lên xilo Clinker Từ đây, Clinker được nạp vào máy nghiền xi măng cùng thạch anh và các phụ gia điều chỉnh; hệ thống nghiền

sơ bộ có thiết bị lọc bụi hiệu suất cao

Mục đích của việc nghiên xi măng: có 2 mục đích

- Xi măng càng mịn thì càng tăng diện tích bề mặt

- Tăng tính năng thuỷ phân hoá rất mạnh, nó bao bọc cát sạn trong bê tông và dính kết lại với nhau

Nhưng thực tế nếu nghiền quá mịn sẽ giảm sản lượng của máy nghiền, tăng tiêu hao điện năng Đồng thời, kích cỡ hạt càng mịn thì khi tồn trữ dễ mất đi hoạt tính, giảm độ bền vững của bê tông Vì vậy độ mịn của xi măng được khống chế trong khoảng 88µm,

dư trên rây khoảng 5→10%

1.6 Giai đoạn 6: Đóng gói xi măng

Sau khi nghiền, xi măng chưa thể xuất xưởng ngay mà phải qua tồn trữ trung gian.Nhiên liệu được cấp cho các vòi phun qua khâu trung gian,từ đây các vòi phun sẽ cấpnhiên liệu để đóng bao

Sau khi đóng bao các bao sẽ được vận chuyển về kho bằng băng tải, hoặc được vận chuyển trực tiếp lên xe để vận chuyển đến nơi tiêu thụ

2 PHÂN TÍCH HỆ THỐNG ĐÓNG BAO XI MĂNG TỰ ĐỘNG.

2.1 Quy trình đóng bao xi măng tự động đúng yêu cầu khối lượng (49,5 ± 0.5kg)

a Quy trình

Xi măng dạng bột ở thùng chứa xi măng được đưa xuống buồng chứa trung gian.Buồng chứa trung gian có chức năng chứa xi măng để cung cấp cho vòi phun Tại buồngchứa sử dụng các con cảm biến mức dạng tiếp điểm Khi xi măng bột dâng cao đến một

độ cao nhất định, thì tiếp điểm của cảm biến tác động và khi xuống thấp quá cho phép thìcảm biến lại tác động để xi măng từ thùng chứa nạp vào buồng chứa trung gian

Mô hình như hình vẽ:

Hình thùng chứa

Xi măng từ buồng chứa trung gian được đưa đến các vòi phun Trên các vòi phunđược gắn các pittong khí nén và các van đóng mở để điều khiển lượng xi măng qua vòiphun Các vòi phun được gắn cảm biến vị trí tiệm cận để nhận biết vỏ bao xi măng đượcđưa vào phía dưới Bên cạnh các vòi phun là hệ thống đưa bao vào và kẹp mở miệngbao, khi vỏ bao đến phía dưới vòi phun thì tác động lên cảm biến vị trí trên vòi phun,

trọng lượng của bao Tín hiệu ra của cảm biến tác động lên bộ điều khiển điều khiển cácvan đóng mở vòi phun để các bao xi măng đạt được khối lượng định trước là 49,5 ±0.5kg Bao xi măng đã đủ khối lượng đưa tới khâu may bao để đóng kín bao xi măng.Bao khi đóng gói xong thông qua hệ thống băng truyền đưa về kho lưu trữ hoặc đưa trựctiếp ra xe vận chuyển đến nơi tiêu thụ.

Hình Buồng chứa trung gian

1: Phễu cấp bột liệu

1.1, 1.2: Cơ cấu đóng mở phễu nhiên liệu

2: Cảm biến mức dạng tiếp điểm điều khiển cơ cấu đóng mở phễu

Các bao xi măng khi đã được đổ đầy xi măng và đóng gói sẽ đi qua 1 khâu kiểm

tra trọng lượng đã được định trước là 49.5kg với sai số khoảng 0.5 Kg Các bao ximăng nào không đạt chất lượng sẽ bị đẩy ra bởi cơ cấu phân loại và đưa trên băng tảiđến vị trí cố định với yêu cầu <0.1%.Các bao xi măng đạt tiêu chuẩn sẽ được chuyển

đi tiếp về kho hoặc đến nơi tiêu thụ

2.4 Quy trình đếm số lượng sản phẩm mỗi ca làm việc:

Quy trình đếm sản phẩm Cảm biến quang

c Các yêu cầu của hệ thống

+) Khả năng làm việc lâu dài và liên tục

+) Có thể nhận biết thông minh các trường hợp ngoại lệ (như các bao liền nhau, các bao gối lên nhau,….)

+) Có thể ghép nối, kết hợp với các thiết bị khác đẻ cùng hoạt động

+) Có thể quản lí từ xa, thuận lợi điều khiển

+) Giá thành phải rẻ nhưng đảm bảo chất lượng tốt

Trong đó CB1, CB2, CB3, CB4 là các cảm biến quang (phát ra tia hông ngoại) có vai trògiống nhau và được đặt trên 4 băng tải Nguyên lý hoạt động của chúng dựa trên thu pháthồng ngoại Một điện áp cố định được cung cấp cho phần tử phát hồng ngoại, như vậy với mạch thu được thiết kế thì mỗi bao xi măng đi qua sẽ nhận được một xung, trong trường hợp hai bao liền nhau thì xung nhận được có độrộng lớn hơn, việc xác định

chính xác các độ rộng xung này được thực hiện bằng thực nghiệm tại hiện trường nhà máy Thiết kế mạch thu phát được trình bày trên hình sau:

Tín hiệu lấy ra sau cảm biến được đưa đến mạch chuẩn hoá (CĐCH) với mục đích tạo ra tín hiện thích hợp để đưa đến module vào số của bộ điều khiển khả trình PLC

(Programmable Logic Controller)

a Cảm biến tiệm cận nói chung:

- Định nghĩa: Là một loại cảm biến dùng để nhận biết sự có mặt hay không có mặt củamột vật thểvới cảm biến điện từ không tiếp xúc

+ có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt

- Phân loại : 3 loại

+ Cảm biến tiệm cận điện cảm

+ Cảm biến tiệm cận điện dung

+ Cảm biến tiệm cận siêu âm

 Chúng ta chỉ tìm hiểu về hai loai là điện cảm và siêu âm vì hai loại này có thể áp dụngvào hệ thống

b Phân tích nguyên lý và chức năng

b.1 Cảm biến tiệm cận điện dung :

- Về hình dạng, kích thước, nguyên lý thì cảm biến tiệm cận điện dung giống cảm biếntiệm cận điện cảm chỉ khác cảm biến tiệm cận điện dung tạo vùng điện trường còncảm biến tiệm cận điện cảm tạo ra vùng điện từ trường

- Cảm biến tiệm cận điện dung còn có thể phát hiện những vật thể là kim loại hoăckhông phải là kim loại

- Dựa vào sự thay đổi điện dung khi vật thể xuất hiện trong vùng điện trường Từ sựthay đổi này trạng thái ngõ ra “ON” hay “OFF” của tín hiệu ngõ ra được xác định.Một bản cực là thành phần cảm biến đối tượng cần phát hiện là bản cực còn lại

- Cảm biến tiệm cận điện dung cũng chia ra làm 2 loại:

+ Shielded (được bảo vệ)

+ Unshielded (không dược bảo vệ)

b.2 Cảm biến siêu âm :

- Cảm biến siêu âm có thể phát hiện hầu hết các đối tượng kim loại, không phải kimloại, chất lỏng, chất rắn, vật trong hay mờ đục

- Cảm biến siêu âm hoạt đông dựa theo đặc điểm vận tốc âm thanh là hằng số Thờigian sóng âm thanh từ cảm biến đến đối tượng và quay lại liên hệ trực tiếp đến độ dàiquãng đường.Vì vậy cảm biến siêu âm thường được dùng để đo khoảng cách quãngđường

- Tần số hoạt động trong công nghiệp thường là từ 25khz đến 500khz

- Vùng hoạt động là khu vực giữa 2 giới hạn khoảng cách phát hiện lớn nhất và nhỏnhất

3.2 Cảm biến trọng lượng Load cell

3.2.1 Vài nét về cảm biến biến dạng strain gage:

Load cell: là thiết bị cảm biến dùng để chuyển đổi lực hoặc trọng lượng thành tín hiệuđiện Khái niệm“strain gage”: cấu trúc có thể biến dạng đàn hồi khi chịu tác động củalực tạo ra một tín hiệu điện tỷ lệ với sự biến dạng này

Hình ảnh về strain gage

Cảm biến trọng lượng hay còn gọi là load cell được cấu tạo bởi các strain gage baogồm một sợi dây kim loại mảnh đặt trên một tấm cách điện đàn hồi.Để tăng chiều dài củadây điện trở strain guge, người ta đặt chúng theo hình ziczac, mục đích là để tăng độ biến dạng khi bị lực tác dụng qua đó tăng độ chính xác của thiết bị cảm biến sử dụng strain gage Cảm biến biến dạng gồm một sợi dây dẫn có điện trở suất ρ (thường dùng hợp kim của Niken) có chiều dài l và có tiết diện s, được cố định trên một phiến cách điện như hình vẽ:

Khi đo một biến dạng của một bề mặt dùng strain gage, người ta dán chặt strain gage lên trên bề mặt cần đo sao cho khi bề mặt thiết bị biến dạng thì strain gage cũng bị biến dạng Điện trở của cảm biến sẽ thay đổi (tỉ lệ với lực tác động) :

Khi cảm bến bị biến dạng do kích thước của dây dẫn bị thay đổi nên điện trở củacảm biến thay đổi một lượng ΔR:R:

Trong đó: - ΔR:l là biến thiên chiều dài dây dẫn,

-ΔR:ρ là biến thiên điện trở suất của dây dẫn-ΔR:s là biến thiên tiết diện dây dẫn, R là điện trở cảm biến khi chưa bị biếndạng

Biến dạng dọc của dây dẫn kéo theo biến dạng ngang của dây Nếu dây dẫn hìnhchữ nhật có các cạnh a,b hoặc dây dẫn tròn có đường kính d thì quan hệ giữa biến dạngdọc và ngang của dây như sau:

● Mạch đo dùng strain gage :

Trường hợp dùng 2 strain gage thì Rx1 sẽ là strain gage nén

( Rx1 = R - ΔR:R), Rx2 là strain gage giãn ( Rx2 = R + ΔR:R)

Mạch đo:

a Mạch đo dùng một strain gage b Mạch đo dùng 2 strain gage

Mạch a điện áp V0 là:

Mạch đo dùng 2 strain gage điện áp V0 là:

R= Điện trở strain gauge (Ohm)

L = Chiều dài của sợi kim loại strain gauge (m)

S = Tiết diện của sợi kim loại strain gauge (m2)

p= Điện trở suất vật liệu của sợi kim loại strain gauge

3.2.2 Phân tích Cảm biến trọng lượng load cell:

a.Cấu tạo Load cell

- Load cell là một vật chứng đàn hồi, là một khối nhôm hoặc thép không gỉ được

xử lí đặc biệt, trên vật chứng có dán 4 strain gage Khi vật chứng bị biến dạng dưới tác dụng của trọng lượng tác động vào load cell thì có thể 2 hoặc 4 strain gage bị tác động Tùy vào dạng của vật chứng ta có các loại load cell

Các strain gage trong load cell được kết nối thành một mạch cầu Wheastone nhưhình vẽ Các strain gage trong mạch cầu có tác dụng bù ảnh hưởng của nhiệt độ.

Kết nối các strain gage trong load cell

Khi không bị tác động, điện trở của các strain gage bằng nhau, cầu ở trạng thái cânbằng Khi bị tác động, vật chứng bị biến dạng, các strain gage thay đổi điện trở làmcầu bị lệch và xuất hiện ở ngõ ra một điện áp V0

+ Khi load cell có 2 strain gage tích cực ( R2, R4 giãn, R1, R3 cố định)

Thường thì giá trị của ΔR:R << R nên biểu thức trên có thể viết lại :

+ Khi load cell có 4 strain gage tích cực (R1 =R4 =R+ΔR:R, R1 =R3=R+ ΔR:R) điện áp racủa cầu V0: