Nguyên tắc và hệ thống cân định lượng

Đề tài nêu lên một giải pháp thiết kế hệ thống cân định lượng trực tuyến dùng PLC. PLC có nhiệm vụ đọc giá trị trọng lượng ở dạng tương tự từ ngõ ra của Loadcell sau khi qua bộ khuếch đại. Một chương trình được viết sẵn cho PLC để đọc, thiết lập hệ thống cân, tính toán và giao tiếp với giao diện HMI (được lập trình trên WinCC).

Nguyên tắc và hệ thống cân định lượng

Trong quá trình sản xuất đòi hỏi tính liên tục, pha trộn nguyên liệu có độ chính xác Để giải quết vấn đề trên ta sử dụng cân định lượng Hệ thống cân định lượng

là một trong những khâu quan trọng để nhà máy có thể hoạt động liên tục, là một khâu trong dây chuyền công nghệ nhằm cung cấp chính xác lượng nguyên liệu cần thiết cho nhà máy, lượng nguyên liệu này đã được người lập trình cài đặt trước đó

5.1 Phương pháp cân định lượng

5.1.1 Định lượng tích cực

Phương pháp đầu tiên được gọi là định lượng tích cực, thể hiện trong hình 5.1( a), trước khi bắt đầu trộn thì phễu cân trống, và khi khối lượng đạt đến trọng lượng cài đặt trước thì bộ phận cung cấp chất liệu hoặc các van được đóng lại Sau đó dung lượng trong cân phễu được đổ vào quá trình sản xuất

5.1.2 Định lượng không tích cực

Phương pháp thứ hai được gọi là Định lượng không tích cực , hình 5.1 ( b) Phễu cân ban đầu được đổ đầy và liên tục.Van được mở ra Trong quá trình định lượng đĩa cân đọc khối lượng bị mất đi và khi đạt tới giá trị cài đặt sẵn thì van được khóa lại

Nguyên tắc trộn tiêu cực có lợi hơn, nó linh hoạt trong việc cung cấp vật liệu cho các thiết bị Nhưng nó không được sử dụng trong việc pha trộn các vật liệu trực tiếp trong phễu

5.1.3 Quá tải vật liệu

Để có được tối đa độ chính xác thì hệ thống cân định lượng thường cung cấp hai tín hiệu dừng để tắt dòng nguyên liệu như trong hình 5.1 Tín hiệu đầu tiên (A) thay đổi dòng nguyên liệu- làm chậm dòng nguyên liệu lại

Để bù lại sự quá tải vật liệu, để cuối cùng có được trọng lượng mong muốn, tín hiệu thứ hai (B) được bật lên để tắt nạp nguyên liệu trước khi đạt được trọng lượng mong muốn

Hình 5.2 cho thấy trọng lượng cho mỗi thành phần được hệ thống đưa vào là một hàm của thời gian , và đường chấm chấm cho thấy trọng lượng được tích lũy của các thành phần vật liệu

5.2 Độ chính xác trọng lượng và độ chính xác định lượng

5.2.1 Độ chính xác trọng lượng:

Trọng lượng chính xác và độ chính xác trọng lượng là hai vấn đề khác nhau

Trọng lượng chính xác tùy thuộc vào sai số khối lượng (δ %) trên cân, trọng lượng thực tế ( Q) kg của vật liệu được cân, và sai số cân nặng (δ) %, trọng lượng đọc trên cân có quan hệ như sau:

Trong đó sai số khối lượng là:

Trong đó:

R (kg / giây) : lưu lượng

T (giây) : thời gian bù

Hơn nữa, nếu có một sự biến đổi (βT) giây để đáp ứng lại tín hiệu điều khiển thì sai số là:

Thêm vào đó, "trên khay nâng" dòng vật liệu có thể chứa một số (n) các mảnh vụn lớn hơn so với trọng lượng trung bình (A) kg, thì sai số khối lượng là:

Với sai số (QWl) đọc trên cân tại thời điểm cắt vật liệu , trọng lượng thực tế là:

Và khi dòng nguyên liệu đã dừng lại, trọng lượng đọc trên cân sẽ là:

Trong đó QW2 là sai số bổ sung cuối cùng đọc được sau khi chấm dứt chu kỳ định lượng

QW2 có thể bao gồm trong sai số QW1 hoặc khác QW1

Tổng sai số trọng trong là:

Trong thực tế , khi xác định các giới hạn chấp nhận được cho một hệ thống cân định lượng, để an toàn trong số liệu tính toán thì người ta thường chọn giá trị sai số max để cân chỉnh

Nếu giá trị này nhỏ hơn sai số cho phép, thì độ chính xác là rất cao , trừ khi có một

sự cố trong thiết bị định lượng

5.2.3 Sai số ngẫu nhiên

Trong các hệ thống định lượng chất rắn, xác định rõ kích thước tối đa mẫu là rất quan trọng, tránh các sai số ngẫu nhiên

Giả sử dòng nguyên liệu sẽ có một hạt lớn với khối lượng (m) rơi xuống từ trên cao (H) vào phễu cân gây ra một lực tác động (F) tác động lên các loadcell

Lực này tạo ra sự gia tăng đột ngột của chỉ số cân trong thời gian rất ngắn, nhưng

nó có thế làm tắt dòng nguyên liệu gây ra một sai số lớn , trừ khi cân tiếp tục định lượng sau khi trọng lượng đọc đã đứng lại , và cần có một thời gian đủ trong xử lý

dữ liệu để lọc ra các ảnh hưởng đó

5.3.1 Cân nặng và độ chính xác phân tích

Giả sử một hợp kim sắt với cân nặng thực tế (MA) kg và giá trị phân tích thực tế (AA) %, nhưng với sai số phân tích( ) %, được cân trên thang đo có sai số cân nặng ) % nên cân nặng đọc được là (W) theo thang đo trên là:

(kg) (1) Giá trị phân tích ( ), thể hiện trên dụng cụ phân tích là:

(%) (13) Như vậy, hàm lượng thực của hợp kim chứa trong dung môi hợp kim (MA) và trong kim loại nóng (MM) tương ứng, là:

(kg) ( ) (kg) (14) Khai triển phương trình (14) ta được hàm lượng hợp kim trong dung môi

(kg) (15)

Do đó sai số cân nặng là:

(kg) (16) Khi một số vật liệu hợp kim với trọng lượng khác nhau và giá trị phân tích đang dự định nạp vào lò hoặc nồi, có tổng sai số cân nặng trong dung môi là:

(19) Phương trình này, dựa trên lý thuyết tối đa sai sót có thể xảy ra, nghĩa là tất cả các lỗi được thêm vào

∑

(20)

Với các sai số phân tích đã biết, sai số cân nặng cho phép đôi với từng thang đo có thể được tính toán thông qua phương trình (20) Ngoài ra, cân bằng giữa sai số cân nặng thực tế( ) tại một trọng lượng nhất định cho từng thang đo và sai số phân tích( ) đạt được khi:

(kg) (22) Theo phương trinh (18) ở trên về sai số cân nặng có thể chấp nhận được ( ) trong định lượng của vật liệu hợp kim có thể tính toán:

là , cân nặng dung môi của vật liệu hợp kim sẽ là:

(kg)

Và sai số cân nặng tối đa trong định lượng hợp kim có thể không vượt quá:

(kg)

Theo tính toán sai số cân nặng tối đa cho hệ thống định lượng cân nặng với phạm

vi cân nặng kg, kết quả sai số có thể lên đến:

(kg)

5.4 Hệ thống cân định lượng

Hệ thống định lượng số với cảm biến tải trọng được lắp đặt bên dưới cửa nạp nhiên liệu hoặc bồn chứa hoặc hệ thống phần mềm được điều khiển bằng máy tính cho những mục đích phức tạp

5.4.1 Phần cứng điều khiển cân định lượng

Hệ thống phần cứng điều khiển được sử dụng để định lượng nhiều lần một vật liệu hoặc cho các quá trình định lượng nơi có công thức và trình tự chương trình không thay đổi thường xuyên

Hình 5.3: Định lượng một vài vật liệu trong phễu cân Phễu cân được đặt trên cảm biến tải trọng (LC) với máy đo biến dạng được nối vào mạch cầu trong hộp nối liền (J) và được nối tới thiết bị cân hoặc bộ số hóa cảm biến tải trọng (W) Thiết bị cân nặng có ngõ ra kết nối với một máy tính quan trọng (EDP) và một khối role định lượng (B)

Cân định lượng riêng lẻ được cài đặt sẵn tập hợp điểm (S1) - (Sn), thường công tắc điều chỉnh bằng tay, nối tới khối định lượng (B), nó so sánh cân nặng được cài đặt sẵn với cân nặng thực tế và dừng dòng nguyên liệu khi đạt được giá trị điểm đặt

Ngoài ra còn có khối điều khiển và khóa truyền, nó là ví dụ có thể nhận được tín hiệu bắt đầu từ một chương trình bên ngoài và bắt đầu làm đầy vật liệu bằng cách

mở van nạp đầy hoặc nạp (1 - n) ngay sau khi xả van/nạp tín hiệu nó được đóng lại Hơn nữa, cũng có những nút bấm (P) bằng tay start/stop của van/nạp nối với khối điều khiển và khóa liên động

Các thiết bị tùy chọn cho các mục đích khác nhau là: tín hiệu hiện thị thứ cấp (D) cuối cùng với mức độ điều khiển, ghi âm (R) với đầu tiếp xúc Hi – Low để báo động, bộ cộng (ADD) tổng cộng định lượng cân nặng của vật liệu và máy in (PR)

để in giá trị cân định lượng, tổng trọng lượng, dữ liệu tham khảo, thời gian, …

5.4.2 Phần mềm điều khiển cân định lượng

Sơ đồ 5.4 minh họa một máy vi tính điều khiển hệ thống cân định lượng, cho một vài vật liệu vào trong một phễu cân

Hình 5.4: Máy vi tính điều khiển hệ thông cân định lượng Trong phần mềm điều khiển cân định lượng, điểm đặt (S) và khối role định lượng (B) trong phần cứng chương trình định lượng sơ đồ khối 5.3 được thay thế bằng phần mềm lập trình trên máy vi tính

Với hệ thống phần mềm máy tính điều khiển công thức linh hoạt và chương trình định lượng có thể được nhập vào thông qua một bàn phím (K) hoặc thông qua thiết

bị thu hồi dữ liệu, ví dụ như tấm bìa đục lỗ hoặc bộ đọc băng hoặc đọc mã

pin,…hoặc như một chương trình bên ngoài thông qua một máy tính quan trọng

Các hệ thống phần mềm cũng cho phép định lượng cân nặng của vật liệu sấy khô,

đo tỉ lệ phần trăm độ ẩm của vật liệu nhờ bộ chuyển phát hơi ẩm và máy tính tính toán hiệu chỉnh điểm đặt để đạt được cân nặng của vật liệu khô trong công thức pha trộn, minh họa sự linh hoạt của hệ thống

5.4.3 Hệ thống cân định lượng phức tạp với máy vi tính điều khiển

Hệ thống cân định lượng phức tạp với tất cả các chức năng điều khiển định lượng theo một chương trình phần mềm cho định lượng một số vật liệu linh hoạt lên tới

16 phễu cân thể hiện trong sơ đồ khối hình 5.5

Hình 5.5: Hệ thống cân định lượng điều khiển phức tạp điều khiển bằng máy tính

Thêm vào nó có ngõ vào và ra cho các thiết bị tuần tự bên ngoài và máy tính, cũng như các thiết bị xuất nhập như màn hình hiện thị số lớn, máy đánh chữ, máy

in,…tùy thuộc vào ứng dụng

Phần tương tự chứa các khối kích thích của cảm biến tải trọng, xử lí tín hiệu, định lượng và thể hiện cân nặng

1 Khối kích thích cung cấp dòng điện ổn định hoặc điện áp cho cảm biến tải trọng

2 Khối xử lí tín hiệu gồm bộ lọc và khuếch đại tín hiệu của cảm biến tải trọng

Nó được tích hợp vào mạch kiểm tra cho điểm 0, độ nhạy và sự kích thích cảm biến tải trọng

3 Khối định lượng đóng vai trò cân bì tự động và hoạt động định lượng Nếu

có sai sót nào xảy ra trong quá trình tính toán và khu vực điều khiển, các chức năng cần thiết nhất cho hoạt động định lượng vẫn còn duy trì trong khối này

4 Khối ngõ ra bao gồm 3 mức độ của bộ phân biệt, chỉ ra trạng thái trống hay đầy của phễu cân, và khuếch đại với ngõ ra 4 – 20 mA để điều khiển mức độ liên tục

Điều khiển và tính toán được xây dựng với hệ thống định hướng logic Chức năng tiêu chuẩn của đặc trưng xử lí dữ liệu là sự chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (A/D) của tín hiệu cân nặng tương tự, nó được thực hiện trong phần này Một máy tính điều khiển tất cả các xử lí tín hiệu thông minh và trao đổi tín hiệu giữa các khối kết nối với kênh truyền Cân nặng được tính toán trong mỗi chu kỳ trong khi các chương trình khác như cân bì tự động, đăng nhập vào máy tính hoặc máy in số được bắt đầu chỉ khi nào ngõ vào số được kích hoạt

Các chức năng khác có thể được thực hiện, là bù với trọng lượng cân bì đặt

trước.Tính toán sai số định lượng và bù đắp cho nó, điều khiển tín hiệu cân nặng dựa vào giới hạn giá trị cài đặt sẵn, tích lũy một phần trọng lượng, kiểm soát và lưu trữ các giá thị mong muốn, code,…từ máy tính, công tắc điều chỉnh bằng tay hoặc ngõ vào khác

Khối điều khiển và tính toán bao gồm:

1 Khối dồn kênh nó điều khiển độc lập việc chuyển đổi dữ liệu giữa máy vi tính và bảng điều khiển

2 Khối bộ nhớ nó lưu trữ các chương trình điều khiển cho các máy vi tính, trong lập trình bộ nhớ ROM chỉ đọc và xử lí dữ liệu, bộ nhớ RWM có thể đọc và ghi

3 Khối giám sát giám sát một phần quan trọng của hệ thống máy vi tính Nó phát ra ánh sáng đèn LED để chỉ ra các khuyết điểm và tình trạng hoạt động

và ngõ ra cho các tín hiệu báo động Trong trường hợp có lỗi, tất cả các ngõ

ra được điều chỉnh để cho ra một trạng thái xác định

4 Khối truyền thông để điều khiển máy đánh chữ và trao đổi thông tin với các máy tính quan trọng Việc chuyển đổi dữ liệu có thể được thực hiện bằng hình thức song song (mã BCD) hoặc bằng hình thức nối tiếp (ASCII)

Như có thể thấy ở trên số lượng của các thành phần phần cứng trong một máy vi tính điều khiển hệ thống cân định lượng không nhất thiết phải ít hơn so với hệ thống chỉ có phần cứng, nhưng sự linh hoạt sẽ được tăng lên

Đây là ví dụ có thể định lượng cho một hoặc nhiều vật liệu hơn liên quan tới cân nặng thực tế của một vật liệu nền, độ lệch nhất định của cân nặng thực tế từ cân nặng được cài đặt sẵn cho vật liệu nền sẽ tự động thay đổi cân nặng cài đặt trước cho các vật liệu khác với cùng tỷ lệ phần trăm,do đó các mối quan hệ trong hỗn hợp vẫn không thay đổi

5.5 Bố trí và thiết kế thông số kỹ thuật cho hệ thông điện tử định lượng cho vật liệu hợp kim

Thiết kế thông số kỹ thuật của hệ thống định lượng sẽ dựa trên yêu cầu điển hình cho một ứng dụng trong ngành công nghiệp thép, nhưng thông số kỹ thuật có thể dùng làm mô hình cho các hệ thống định lượng tương tự cho phần lớn vật liệu hoặc vật liệu dạng bột, dạng lỏng

Các thông số kỹ thuật sẽ phải được sửa đổi để đáp ứng yêu cầu cá nhân theo từng trường hợp, và đặc biệt là dữ liệu kỹ thuật liên quan đến lắp đặt cơ khí chẳng hạn, phạm vi trọng lượng và xử lý dữ liệu,… chắc chắn sẽ phải được điều chỉnh riêng

Định lượng chính xác các vật liệu hợp kim là rất quan trọng trong quá trình sản xuất thépví dụ trong lò ôxy (BOF) nhà máy thép và trong lò hồ quang điện (EM) nhà máy thép

Các vật liệu hợp kim thường được lưu trữ trong kho có sức chứa lớn hoặc gian hàng trong khu vực lưu trữ của các nhà máy thép, và vận chuyển bằng băng tải hoặc cần cẩu trên cao để đưa vào bể chứa trên hệ thống định lượng trong các nhà máy thép

Hệ thống định lượng là định lượng các vật liệu hợp kim theo công thức chuyển từ một máy tính quá trình, nó tính toán trọng lượng riêng lẻ theo giá trị phân tích của thép lỏng và thông số kỹ thuật cho sản phẩm cuối cùng

Đặc điểm kỹ thuật của hệ thống điện tử định lượng vật liệu hợp kim

1 Những điều kiện tiên quyết

1.1 Thông số kỹ thuật

Đặc trưng kỹ thuật này bao hàm tất cả các điều kiện tiên quyết và dữ liệu cơ bản cần thiết để có thể cung cấp, phân phối, lắp đặt, thử nghiệm và đưa vào hoạt động một cân định lượng, và hệ thống xử lý dữ liệu phải được cài đặt trong nhà máy thép của chủ đầu tư

Thay đổi cuối cùng trong đặc điểm kỹ thuật này phải được xác nhận thông qua một xác nhận chính thức bằng văn bản của cả Nhà thầu và Chủ đầu tư

1.2 Phân phối

Việc phân phối phải gồm quá trình hoạt động hoàn tất của cân định lượng điện

tử và hệ thống xử lý dữ liệu, không bao gồm băng tải nguyên liệu, bộ phận tiếp nguyên liệu, nhiên liệu và phễu cân, dễ dàng cài đặt, thử nghiệm và sẵn sàng để sử dụng, nhưng lại bao gồm tất cả các bản vẽ cơ khí và điện kèm hướng dẫn cần thiết

để cài đặt thiết bị

Hơn nữa tài liệu kỹ thuật và việc cung cấp tư liệu về các hoạt động và bảo trì toàn bộ thiết bị cân và hệ thống xử lý số liệu, cũng như đào tạo cán bộ vận hành và

kỹ thuật viên cũng sẽ được bao gồm trong việc phân phối

1.3 Giá bán

Nhà thầu phải cung cấp một bảng báo giá cho Bên mua với chi tiết giá sau: a) Việc cung cấp phần cứng và phần mềm của hệ thống cân định lượng điện

tử hoàn chỉnh và hệ thống xử lý số liệu

b) Việc cung cấp các tài liệu cài đặt hệ thống điện

c) Việc lắp đặt cơ khí và hệ thống điện

d) Việc thử nghiệm và vận hành

e) Các bản vẽ và hướng dẫn sử dụng

f) Phụ tùng cho một năm hoạt động

g) Đào tạo nhân viên vận hành và nhân biên kỹ thuật

1.4 Sai lệch từ đặc điểm kỹ thuật

Trong báo giá nhà thầu phải nêu rõ những sai lệch từ đặc điểm kỹ thuật này, như liên quan đến việc cung cấp phần cứng và phần mềm cho thiết bị cân hoàn chỉnh cùng hệ thống xử lý số liệu, cũng như liên quan đến sự phù hợp với tất cả các quy tắc và các quy định khác được quy định trong các đặc điểm kỹ thuật hoặc các phụ lục của nó

1.5 Đảm bảo

Không quan tâm người nào thực hiện phần cơ khí hay người lắp đặt điện cho cả

hệ thống, Nhà thầu có trách nhiệm kiểm tra và phê duyệt tất cả các cài đặt chế độ làm việc, và thiết lập các thiết bị vào hoạt động, sao cho đảm bảo quá trình hoạt động đáng tin cậy của hệ thống hoàn chỉnh, đồng thời duy trì các dữ liệu kỹ thuật như đã được quy định

2 Mô tả ngắn gọn về hệ thống cân và xử lý dữ liệu

2.1 hệ thống cân định lượng cho 6 loại nguyên liệu

1) Hệ thống cân định lượng điện tử tích hợp, với máy tính xử lý số liệu, PLC để kiểm soát quá trình chuyển giao nguyên liệu và hệ thống điều khiển nguồn điện cung cấp cho tất cả các bộ tiếp liệu, băng tải …, được thể hiện trong sơ đồ khối ở

hình 6 bên dưới

Nguyên tắc hoạt động của hệ thống cân định lượng

Hình 6 Sơ đồ khối hệ thống cân định lượng Chú thích:

F : Bộ phận tiếp nguyên liệu VDU : Đơn vị hiển thị

PLC : Bộ điều khiển chương trình logic WH : Phễu cân

2) Hệ thống cân định lượng được thể hiện trong Hình 6, bao gồm bốn phễu cân (WH 1- 4), với các cảm biến lực và thiết bị cân điện tử (WE1- 4) được kết nối với máy tính, nó còn được thông qua một bộ điều khiển chương trình logic (PLC) điều khiển các đơn vị kiểm soát năng lượng với toàn bộ rờ le, khởi động động cơ…, bộ rung tiếp nguyên liệu (F1- 3), các cửa dưới (G) trong những phễu cân (WH), và băng tải (BC)

3) Các phễu cân sẽ được sử dụng cho việc kiểm soát khối lượng nguyên liệu trong quá trình tự động nạp lại nguyên liệu cho các thùng chứa (SB 1 - SB 6) Các cân phễu (WH 1) sẽ được lấp đầy bằng vật liệu thông qua một bộ nạp nguyên liệu,

và cấp nguyên liệu thông qua bộ rung tiếp nguên liệu (F 1) vào băng tải (BC 1 –

BC 2) để phân phối các nhiên liệu vào thùng chứa (SB 1 - SB 6)

4) Máy tính với các đơn vị hiển thị hình ảnh (VDU) và máy in thông qua một giao diện liên kết để kết nối tói máy tính xử lý hiện có trong các nhà máy thép 5) Bố cục và dữ liệu kỹ thuật của tất cả các bộ phận cơ khí, thùng chứa, phễu cân, cổng, bộ trung chuyển, băng tải… phải được thiết kế và quy định bởi nhà thầu, nhưng sẽ được mua và cài đặt bởi Nhà đầu tư Tuy nhiên, Nhà thầu phải kiểm tra

và phê duyệt thiết bị và cả việc lắp đặt, sao cho có thể đảm bảo hiệu suất của hệ thống định lượng theo yêu cầu trong đặc điểm kỹ thuật này

3 Phương pháp cân định lượng

Hệ thống cân định lượng tích hợp và hệ thống xử lý dữ liệu có ba chế độ hoạt động:

1 Điều khiển tự động quá trình định lượng (đong)

2 Kiểm soát bán tự động quá trình định lượng

3 Điều khiển bằng tay quá trình định lượng

3.1 Điều khiển tự động quá trình định lượng