Tìm hiểu về các thành phần trong một dây chuyền nghiền đá bột. Mô phỏng lên Panel điều khiển. Viết chương trình lập trình điều khiển dây chuyền bằng PLC S7300. Dùng WinCC Flexible để tao giao diện điều khiển trên máy tính, kết nôi máy tính và PLC để thực hiện điều khiển dây chuyền trên giao diện máy tính.
1 MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: PHÂN TÍCH KẾT CẤU, CÁC PHẦN TỬ TRONG DÂY CHUYỀN NGHIỀN ĐÁ BỘT 1.1 Giới thiệu vật liệu đá trình nghiền đá 1.1.1 Giới thiệu đá 1.1.2 Quá trình nghiền đá a Khái niệm nghiền b Các phương pháp đập nghiền c Các loại máy nghiền 1.2 Kết cấu phần tử dây chuyền nghiền đá bột 1.2.1 Kết cấu đặc trưng dây chuyền nghiền đá bột 1.2.2 Các phần tử dây chuyền nghiền đá bột 10 a Máy nghiền thô 10 b Gầu nâng 11 c Máy nạp liệu kiểu rung 12 d Máy nghiền tinh 13 e Thiết bị lọc xoáy- Cyclone 14 f Thiết bị lọc bụi kiểu tay áo 15 g Quạt hút ly tâm 16 h Van xả bột 17 1.3 Trình tự hoạt động dây chuyền nghiền đá bột 18 Kết luận 22 CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT 23 2.1 Khái niệm hệ thống điều khiển giám sát - SCADA 23 2.2 Phân loại hệ thống SCADA 24 2.3 Cấu trúc hệ thống điều khiển giám sát - SCADA 25 2.4 Mạng truyền thông công nghiệp SCADA 26 2.5 Chức nhiệm vụ hệ thống SCADA 33 2.6 Tổng quan HMI 34 2.6.1 Giới thiệu HMI 34 2.6.2 Các thành phần HMI 35 2.6.3 Quy trình xây dựng hệ thống HMI 36 2.6.4 Các hệ thống HMI thực tế 36 Kết luận 38 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ MƠ HÌNH PANEL DÂY CHUYỀN VÀ GHÉP NỐI PLC 39 3.1 Thiết bị điều khiển logic khả trình Simatic S7 - 300 39 3.1.1 Giới thiệu PLC S7 - 300 39 3.1.2 Các Module PLC S7 - 300 40 3.1.3 Kiểu liệu nhớ PLC 41 a Kiểu liệu PLC 41 b Bộ nhớ PLC 42 3.1.4 Vòng quét cấu trúc chương trình 43 a Vòng qt chương trình PLC S7 - 300 43 b Cấu trúc chương trình 44 3.2 Phân tích đầu vào PLC S7 - 300 46 3.2.1 Đầu vào PLC S7 - 300 46 3.2.2 Đầu PLC S7 - 300 54 3.3 Mơ hình Panel ghép nối PLC 58 Kết luận 61 CHƯƠNG IV: LẬP TRÌNH WINCC GIÁM SÁT, ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH DÂY CHUYỀN 62 4.1 Lập trình WinCC giám sát 62 4.1.1 Giới thiệu 62 4.1.2 Lập trình giao diện HMI phần mềm WinCC Flexible 2008 63 a Tạo Project 63 b Kết nối PLC WinCC Flexible 64 c Tạo biến kết nối PLC S7 - 300 WinCC Flexible 66 d Thiết kế giao diện điều khiển phần mềm WinCC Flexible 2008 68 4.2 Lập trình điều khiển dây chuyền nghiền đá bột 71 4.2.1 Xây dựng cấu hình phần cứng cho CPU S7 - 300 71 4.2.2 Lập trình mơ STEP 75 4.3 Kết mô 78 Kết luận 81 KẾT LUẬN 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 PHỤ LỤC: CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN PLC S7 -300 84 MỞ ĐẦU Hầu hết người dân Việt Nam khơng lạ với câu nói "Rừng vàng biển bạc" Quả thật thiên nhiên ưu với đất nước người Việt Nam Nhưng việc khai thác sử dụng tài nguyên cho hợp lý đã, tiếp tục tốn hóc búa nhà nước ta Hiện tình trạng khai thác ạt, khơng có định hướng với xuất dạng thô làm cạn kiệt tài nguyên quốc gia mà gây lãng phí vơ nghiêm trọng Một số tài nguyên đá trắng Theo khảo sát tháng đầu năm 2012, qua cảng Cửa Lò (Nghệ An) có 700 nghìn đá trắng loại xuất khẩu, nhiên theo cách thức cũ xuất thô không qua chế biến Số liệu cho thấy giá trị đá trắng thơ trung bình 23.2 USD đá trắng nghiền mịn có giá lên đến 89.2 USD Với cơng nghệ mình, nước nhập đá trắng chế biến thành bột mịn, thêm phụ gia bán với giá thành gấp nhiều lần so với giá thành nhập Ứng dụng bột đá sống đại vô phong phú Từ vật liệu xây dựng, công nghiệp sản xuất giấy, nhựa, sơn chí y tế sản xuất thực phẩm Ở nước ta nay, số doanh nghiệp khai thác xuất đá trắng đếm đầu ngón tay, cơng nghệ khai thác, chế biến suất hạn chế, dây chuyền nhập từ nước giá thành cao Mặt khác, ngành tự động hóa ứng dụng rộng rãi sản xuất đem lại nhiều ưu điểm: tăng suất, nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm giá thành sản phẩm Áp dụng cơng nghệ tự động hóa vào dây chuyền sản xuất dần thay sức lao động người Từ vấn đề trên, việc nghiên cứu, chế tạo, lắp ráp điều khiển dây chuyền nghiền đá bột với suất cao, ổn định, giá thành phù hợp vô cấp thiết Với lí đó, đề tài: "Nghiên cứu ứng dụng PLC phần mềm WinCC điều khiển dây chuyền nghiền đá bột " hình thành Mục đích nghiên cứu đề tài tìm hiểu cấu tạo, chức năng, nguyên lý hoạt động phần tử dây chuyền nghiền đá bột, tìm hiểu hệ thống điều khiển giám sát SCADA từ lập trình điều khiển mơ hình dây chuyền dựa phần mềm WinCC Flexible 2008, phần mềm chuyên dụng để thiết kế hệ thống giao diện người- máy HMI (Human Machine Interface) tự động hóa cơng nghiệp hãng SIEMENS Phạm vi nghiên cứu đề tài dừng lại mức độ thiết kế Panel mô dây chuyền nghiền đá bột kết nối với PLC S7 - 300 Các thông số điều khiển trạng thái hoạt động cảm biến, đèn báo thể cách trực quan giao diện đồ họa phần mềm CHƯƠNG I: PHÂN TÍCH KẾT CẤU, CÁC PHẦN TỬ TRONG DÂY CHUYỀN NGHIỀN ĐÁ BỘT 1.1 Giới thiệu vật liệu đá trình nghiền đá 1.1.1 Giới thiệu đá Đá loại nguyên vật liệu, khoáng sản tồn thể rắn Có hàng trăm loại khống vật khác tham gia cấu tạo nên vỏ Trái đất Các khống vật khơng tồn cách riêng rẽ thiên nhiên mà tạo thành mỏ lớn xuất địa điểm khác tạo thành khoảng thời gian khác Những tập hợp khoáng vật gọi đá Thành phần chủ yếu đá thạch anh, khoáng vật quặng, canxi, khoáng vật sét Các thành phần đá định tính chất vật lý, khả sử dụng vào thực tế đá Các tính chất đá phụ thuộc vào trạng thái học chúng mức độ phong hoá, độ nứt tế vi Trong số khoáng vật tạo đá, thạch anh có độ bền cao Giới hạn bền nén thạch anh khoảng 5000 kG/cm2, đá canxi (CaCO3) khoảng 100 kG/cm2, granit hạt nhỏ có độ bền lớn 3500 kG/cm2 Ngoài ra, người ta dùng thang Mohs để xác định độ cứng đá, ví dụ thạch anh có độ cứng Mohs 7, đá canxi 3, kim cương có độ cứng cao 10 (ứng với độ cứng tuyệt đối 1500) Đá trắng có thành phần chủ yếu Canxi cacbonat, cơng thức hóa học CaCO3, khối lượng riêng 2830 Kg/m3 Bột đá CaCO3 vật liệu hữu ích lồi người Bột đá sử dụng rộng rãi vai trò chất kéo duỗi loại sơn, cụ thể sơn lót, sơn phủ, bột đá chiếm khoảng 30% khối lượng sơn Bột đá dùng làm chất độn chất dẻo, chiếm khoảng 15 - 20% khối lượng ống dẫn nước PVC Bột đá dùng y tế với vai trò thuốc bổ sung canxi, chất khử chua, làm lớp tráng giấy, làm phụ gia thực phẩm (bánh, kẹo, sữa đậu nành ) Bột đá sử dụng xử lý nước thải trung hòa tình trạng chua đất (ruộng phèn) 1.1.2 Quá trình nghiền đá a Khái niệm nghiền Nghiền trình phá hủy vật liệu thể rắn lực học thành phần tử nhỏ hơn, nghĩa cách đặt vào vật thể rắn ngoại lực mà lực lớn lực hút phân tử vật thể Hay nói cách khác nghiền q trình làm giảm kích thước hạt từ kích thước ban đầu đến kích thước sử dụng Tùy theo độ lớn sản phẩm nghiền, người ta phân biệt: nghiền hạt nghiền bột Nghiền hạt Nghiền thô 350 - 100 mm Nghiền vừa 100 - 40 mm Nghiền nhỏ 40 - mm Nghiền bột Bột thô - 0.1 mm Bột mịn 0.1 - 0.05 mm Bột siêu mịn < 0.05 mm Bảng 1 Phân biệt đá theo độ lớn hạt * Khi sử dụng máy nghiền cần quan tâm đến tính chất vật liệu đem nghiền là: độ bền, độ giòn, tính mài mòn độ lớn hạt - Độ bền: độ bền vật liệu đặc trưng cho khả chống phá hủy chúng tác dụng ngoại lực Độ bền đặc trưng giới hạn bền nén (dn) giới hạn bền kéo (dk): σn = Pn F , σk = T F ( N / m2 ) Pn: lực nén vỡ (N), T: lực kéo đứt (N), F: tiết diện chịu kéo nén (m2), Tùy thuộc độ bền dn , người ta phân loại đá thành: Loại Siêu bền Bền Bền trung bình Kém bền dn (MN/m2) > 250 150 - 250 80 - 150 < 80 Bảng Phân loại đá theo độ bền - Độ giòn: đặc trưng cho khả bị phá hủy vật liệu tác động lực va đập Tính giòn tăng lượng nghiền giảm suất máy tăng Vật liệu giòn có sai khác lớn giới hạn bền nén bền kéo Dựa vào số lần va đập cần thiết để làm vỡ vật liệu, người ta phân thành loại sau: Loại Rất giòn Giòn Dai Rất dai Số lần va đập 10 Bảng Phân loại đá theo độ giòn - Tính mài mòn: đặc trưng cho khả vật liệu làm mòn phận cơng tác làm việc - Độ lớn hạt: hạt vật liệu có hình dạng khác thường xác định số đo: chiều dài a, chiều rộng b, bề dày c Khi nghiên cứu, để đơn giản người ta xem viên đá khối cầu có đường kính quy ước D sản phẩm nghiền có đường kính quy ước d - Đường kính quy ước d xác định theo nhiều cách khác sau: + Theo trung bình cộng: d = a+b+c + Theo trung bình nhân: d = a.b.c - Mức độ nghiền: tỷ số kích thước vật liệu trước nghiền với kích thước hạt sản phẩm ký hiệu i Mức độ nghiền tiêu đặc trưng cho trình nghiền, liên quan đến suất cơng suất máy nghiền Với: Dmax: kích thước lớn vật liệu trước nghiền, dmax: kích thước lớn hạt sản phẩm sau nghiền Trong thực tế đường kính lớn vật liệu lấy kích thước lỗ lưới vng mà vật liệu lọt qua b Các phương pháp đập nghiền - Ép vỡ: Đá bị phá vỡ hai mặt nghiền tiến sát vào tạo lực ép có ứng suất vượt giới hạn bền nén - Tách vỡ: Xảy mặt nghiền có gân nhọn, đá bị tách ứng suất tiếp tuyến vượt qua giới hạn bền - Uốn vỡ: Đá kê hai gối đỡ bị uốn lực tập trung - Miết vỡ: Xảy hai mặt nghiền trượt tương nhau, lớp mặt đá bị biến dạng bị tách ứng suất tiếp vượt giới hạn bền - Đập vỡ: Đá bị tải trọng va đập tác động, đá xuất đồng thời biến dạng khác trạng thái động c Các loại máy nghiền Dựa vào kích thước sản phẩm, máy nghiền phân thành máy nghiền hạt (nghiền vỡ) máy nghiền bột Máy nghiền hạt bao gồm số loại thông dụng sau: + Máy nghiền má + Máy nghiền nón + Máy nghiền trục + Máy nghiền va đập: • Máy nghiền búa • Máy nghiền roto Máy nghiền bột bao gồm: + Máy nghiền đĩa + Máy nghiền bi + Máy nghiền lăn 1.2 Kết cấu phần tử dây chuyền nghiền đá bột 1.2.1 Kết cấu đặc trưng dây chuyền nghiền đá bột Dựa vào loại sản phẩm đầu bột thô, bột mịn, bột siêu mịn mà dây chuyền nghiền đá bột có kiểu kết cấu khác Sau kết cấu đặc trưng dây truyền nghiền đá bột siêu mịn: Hình 1 Kết cấu đặc trưng dây chuyền nghiền đá bột * Nguyên lý làm việc Ban đầu, đá theo băng chuyền chuyển đến máy nghiền thô máy nghiền má (Jaw Crusher), nghiền búa (Hammer Crusher) để đạt đến kích thước cần thiết Sản phẩm nghiền sau theo gầu nâng (Bucket Elevator) chuyển vào phễu chứa (Storage Hopper) Bột đá thơ sau theo máy nạp liệu kiểu rung (Vibrating Feeder) đẩy xuống buồng chứa để chuẩn bị q trình nghiền tinh Nhờ có máy rung mà vật liệu đẩy xuống cách đặn, liên tục góp phần nâng cao chất lượng nghiền Trong buồng máy nghiền tinh, bột đá nghiền đến độ hạt theo u cầu, sau hỗn hợp khí bột đá quạt thổi hút lên trên, tiếp tục vào phân tách Qua thiết bị phân tách (Classifier) bột đá có chất lượng tốt, độ hạt mịn lọc xốy (Cyclone Collector) tách khỏi dòng khí, ngồi qua van thu đặt cửa Cyclone, ta thu sản phẩm cuối q trình nghiền Bột đá thơ chưa đạt kích thước yêu cầu không lọt qua phân tách rơi trở lại buồng nghiền, 10 tiếp tục nghiền đạt u cầu Dòng khí phía Cyclone quạt hút chuyển vào lọc bụi (Dust Filter) Bụi bị giữ lại túi lọc để khơng khí ngồi, bụi đá thu hồi van xả đặt bên buồng lọc 1.2.2 Các phần tử dây chuyền nghiền đá bột a Máy nghiền thô * Máy nghiền má Hình Cấu tạo máy nghiền má - Nguyên lý: + Máy gồm giá (1) lắp má tĩnh (2), trục treo (4) treo má động (3) Trên má động má tĩnh bắt lót Khi trục lệch tâm (5) quay, làm cho tay biên (6) chuyển động lên trên, cánh tay đòn (7) (8) đẩy má động quanh trục (4), ép vật liệu vào má tĩnh, thực trình nghiền vật liệu Khi tay biên (6) chuyển động xuống, kéo má động (3) vị trí cũ Khi vật liệu bị nghiền rơi khỏi hai má máy + Phía sau máy có phận chêm (9) để điều chỉnh góc kẹp- khe hở hai má máy - Đặc điểm: + Hệ số nghiền lớn, độ hạt đều, kết cấu đơn giản, vận hành ổn định tin cậy, bảo dưỡng sửa chữa dễ dàng chi phí đầu tư thấp + Có thể nghiền vật liệu có độ cứng có độ bền nén 2000 KG/cm2 79 Hình 25 Kết mô WinCC Flexible Trong giao diện mô phỏng, sau nhập số đá cần nghiền độ hạt bột đá thành phẩm, PLC tự động tính số mẻ tốc độ quay động phân tách gửi xuống giao diện điều khiển Hình 26 Nhập thơng số đầu vào 80 Ta thực chế độ điều khiển Auto Manual Thay đổi giá trị đầu vào Analog biến trở xoay Hình 27 Điều khiển dây chuyền chế độ MANUAL Ở hình trên, động DC1, DC3, DC5, DC7 chế độ hoạt động Hình 28 Điều khiển dây chuyền chế độ AUTO 81 Ở hình trên, động DC1, DC2, DC3 hoạt động, phễu nạp liệu nạp đầy, khối lượng đá phễu nạp 674 Kg, dòng điện động nghiền tinh 41A, dòng điện động quạt hút 38A Kết luận - Trong chương này, ta nghiên cứu cách tổng quan phần mềm thiết kế giao diện WinCC Flexible 2008 phần mềm lập trình cho PLC STEP7 - Thiết kế giao diện điều khiển dây chuyên, lập trình điều khiển dây chuyền với yêu cầu - Dây chuyền hoạt động theo trình tự mà ta thiết kế - Các thông số đầu vào mà ta nhập từ giao diện HMI chuyển lên PLC xác - Các giá trị đầu vào Analog PLC như: khối lượng phễu nạp, dòng điện động chuyển xuống giao diện HMI xác 82 KẾT LUẬN Sau thời gian làm việc tích cực, đến đồ án tơi hồn thành tiến độ giải nhiệm vụ mà giáo viên hướng dẫn giao Đồ án vận dụng kiến thức mạng truyền thông công nghiệp SCADA, PLC S7- 300 phần mềm WinCC Flexible để điều khiển dây chuyền nghiền đá bột Mặc dù đồ án dừng lại mức độ mơ hình thí nghiệm sau q trình làm đồ án, tơi thu nhận nhiều kiến thức kinh nghiệm quý báu Trong trình thực đồ án gặp phải nhiều khó khăn: chưa tiếp xúc với dây chuyền thực tế, chưa hiểu nguyên lý hoạt động toàn dây chuyền kiến thức lập trình PLC S7- 300 Tuy nhiên, bảo tận tình thày Vũ Minh Đức thày Bộ môn Robot đặc biệt & Cơ Điện tử, nghiên cứu vận dụng kiến thức học để giải toán điều khiển dây chuyền thực tế Về bản, đồ án xây dựng kết cấu, nguyên lý hoạt động giao diện điều khiển giám sát cho mơ hình dây chuyền nghiền đá bột Mặc dù cố gắng nhiều, song kiến thức chuyên mơn lẫn kinh nghiệm thực tế hạn chế nên nội dung đồ án nhiều thiếu sót Tiếp tục bổ sung thêm tính cho giao diện điều khiển HMI đưa vào điều khiển dây chuyền thực tế hướng phát triển đề tài Tôi xin gửi lời cảm ơn đến thày Vũ Minh Đức tập thể thày Bộ mơn giúp đỡ tơi suốt trình thực tập trình làm đồ án tốt nghiệp để tơi hồn thành nhiệm vụ Tơi xin chân thành cảm ơn ! 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Trần Thu Hà, Tự động hóa cơng nghiêp: Lập trình S7 & WinCC giao diện người- máy (HMI), NXB Hồng Đức, 2008 Hoàng Minh Sơn, Mạng truyền thông công nghiệp, NXB Khoa học kỹ thuật, 2006 Mạng máy tính truyền thơng cơng nghiệp, Khoa Kỹ thuật điều khiển, Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự, 2011 Hà Văn Trí, Hướng dẫn sử dụng S7 - 300 Tiếng Anh WinCC Flexible Getting Started SIMATIC HMI WinCC Flexible 2008 Compact/ Standard/ User' s Manual Website www.dientuvietnam.com www.plcvietnam.com www.automatic siemens.com Advanced 84 PHỤ LỤC: CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN PLC S7 -300 OB1 FC1 85 86 FC2 87 88 89 90 FC3 FC4 91 92 93 PHỤ LỤC: SƠ ĐỒ ĐẤU NỐI MẠCH LỰC VÀ SƠ ĐỒ ĐẤU NỐI VỚI PLC S7 - 300 ... Kết nối PLC WinCC Flexible 64 c Tạo biến kết nối PLC S7 - 300 WinCC Flexible 66 d Thiết kế giao diện điều khiển phần mềm WinCC Flexible 2008 68 4.2 Lập trình điều khiển dây chuyền nghiền... "Nghiên cứu ứng dụng PLC phần mềm WinCC điều khiển dây chuyền nghiền đá bột " hình thành 4 Mục đích nghiên cứu đề tài tìm hiểu cấu tạo, chức năng, nguyên lý hoạt động phần tử dây chuyền nghiền... chuyền nghiền đá bột, tìm hiểu hệ thống điều khiển giám sát SCADA từ lập trình điều khiển mơ hình dây chuyền dựa phần mềm WinCC Flexible 2008, phần mềm chuyên dụng để thiết kế hệ thống giao diện