Nghiên cứu thiết kế hệ thống tự động định lượng nguyên liệu cho trạm trộn bê tông tươi lưu động

Trong tất cả các máy móc phục vụ công trình xây dựng hiện nay chưa đảm bảo được yêu cầu về chất lượng cũng như năng suất mà nhu cầu về khối lượng bê tông lớn nên vấn đề năng suất, chất l

BÊ TÔNG TƯƠI LƯU ĐỘNG

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Mã số: 60.52.01.03

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2018

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN VĂN YẾN

Phản biện 1: TS NGUYỄN XUÂN HÙNG

Phản biện 2: PGS TS THÁI THẾ HÙNG

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật Cơ khí họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 27 tháng 10 năm 2018

*Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

- Thư viện Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây nhằm đáp ứng nhu cầu về quy mô, chất lượng và tiến

độ thi công xây dựng dân dụng và công nghiệp, xây dựng cầu đường, thuỷ lợi, sân bay, bến cảng .nước ta đã và đang áp dụng nhiều công nghệ mới và sử dụng thiết bị thi công tiên tiến

Trong tất cả các máy móc phục vụ công trình xây dựng hiện nay chưa đảm bảo được yêu cầu về chất lượng cũng như năng suất mà nhu cầu về khối lượng bê tông lớn nên vấn đề năng suất, chất lượng của sản phẩm phải được quan tâm hơn Vì thế cần phải cải tiến nâng cao mức độ cơ giới hoá, tự động hoá các thiết bị trong các dây chuyền Đây là vấn đề được ngành cơ khí và ngành xây dựng quan tâm, tiến hành và không ngừng cải tiến máy móc thiết bị để cho sản phẩm có chất lượng tốt hơn và năng suất cao hơn

Nhằm đáp ứng các yêu cầu đó và nhu cầu phát triển trong các ngành xây dựng hiện nay, việc nghiên cứu đưa hệ thống điều khiển vào trong các dây chuyền sản xuất nhằm thay thế các dây chuyền cũ là vấn đề cấp thiết Để giải quyết được vấn đề trên cần phải có sự quan tâm của các chuyên gia về lĩnh vực tự động hoá nhằm đáp ứng nhu cầu của xã hội và định hướng phát triển của đất nước hiện nay phục vụ cho nền công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước mà nhà nước đã đặt ra

Các công việc này sẽ được gắn liền với các dây chuyền sản xuất nhằm phục vụ nhu cầu tất yếu của các nhà sản xuất kinh doanh, tạo điều kiện thuật lợi cho việc cạnh tranh với các nước trên thế giới, các sản phẩm sản xuất trong nước được xuất khẩu ra nước ngoài đảm bảo chất lượng và giá thành phù hợp với nhu cầu của người sử dụng

Luận văn này sẽ trình bày toàn bộ hệ thống tự động định lượng nguyên liệu cho trạm trộn bê tông tươi lưu động

Cảm ơn sự hướng dẫn của các thầy giáo trong khoa Cơ khí trường Đại học Bách Khoa đã tạo điều kiện cho em hoàn thành cuốn luận văn này

Trân trọng cảm ơn!

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài:

1 Tính cấp thiết của đề tài:

Ngày nay lĩnh vực tự động hóa, hiện đại hóa trong cơ khí là mục tiêu quan trọng của đất nước trong thời đại khoa học phát triển và hội nhập của đất nước với thế giới, đạt được những thành tựu quan trọng trong vấn đề sản xuất nhằm giảm giá thành sản phẩm, tăng năng suất, đảm bảo an toàn cho môi trường theo tiêu chí hiện nay của đất nước cũng như của thế giới, chất lượng thành phẩm cao nhằm cạnh tranh

và đáp ứng nhu cầu các công trình với nhiều sản phẩm đa dạng

Để phát triển các mục tiêu quan trọng đó cần được sự hổ trợ của các lĩnh vực như tin học, điện tử, điều khiển tự động, hệ thống đo lường, đang được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhằm tạo nên những bước đột phá trong sản xuất với mục đích tăng năng suất và đạt chất lượng cao

Nhiều hệ thống điều khiển tự động đã ra đời nhằm phục vụ các nhu cầu khác nhau trong đời sống và được ứng rất thành công đem lại hiệu quả kinh tế cao

Theo xu hướng hiện nay, để tiết kiệm kinh phí cũng như thời gian cho việc vận chuyển bê tông tươi từ các nhà máy sản xuất, các công trình xây dựng có quy mô lớn

và có nhu cầu sử dụng bê tông cao người ta thực hiện công tác trộn bê tông tươi tại chân công trình Tuy nhiên, các trạm trộn bê tông lưu động này vẫn chưa được tự động hoặc mới bán tự động trong việc cấp nguyên liệu

Với mong muốn tự động hóa định lượng, chuyển nguyên liệu vào trạm trộn nhằm giảm nhân công, tăng độ ổn định và chất lượng bê tông tốt hơn, việc thay thế các hệ thống điều khiển cũ bằng hệ thống điều khiển tự động sử dụng PLC là rất khả thi Vì vậy, em chọn đề tài Nghiên cứu thiết kế hệ thống tự động định lượng nguyên liệu cho trạm trộn bê tông tươi lưu động

2 Mục đích nghiên cứu:

Tự động hóa quá trình sản xuất bê tông tươi tại các trạm lưu động nhằm mục đích giảm nhân công, giảm giá thành và nâng cao chất lượng của bê tông tươi

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

3.1 Đối tượng: Trạm trộn bê tông tươi lưu động sử dụng để phục vụ cho công

trình xây dựng

3.2 Phạm vi nghiên cứu:

+ Nguyên lý làm việc của trạm trộn

+ Các thiết bị chính trong trạm trộn

+ Hệ thống điều khiển tự động PLC

+ Thuật toán

+ Sơ đồ khối hệ thống điều khiển PLC

4 Phương pháp nghiên cứu

Dùng lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

- Lý thuyết: Tham khảo tài liệu để tính toán thiết kế

- Thực nghiệm: Tham quan và khảo sát các cơ sở sản xuất bê tông tươi trên địa bàn thành phố Đà Nẵng

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Về mặt khoa học: Tổng hợp các kiến thức đã được học và nâng cao trình độ của học viên cao học ngành Kỹ thuật cơ khí

- Về mặt thực tiễn: Tự động hóa quá trình sản xuất để giảm thiểu sức lao động cho công nhân, tiết kiệm chi phí và nâng cao chất lượng của sản phẩm bê tông tươi khi làm việc tại bất cứ vị trí nào

6 Cấu trúc luận văn :

Chương 1 Tổng quan tài liệu

Chương 2 Giới thiệu trạm trộn bê tông tươi lưu động

Chương 3 Thiết kế hệ thống tự động định lượng trong trạm trộn bê tông tươi lưu động Kết quả

Kết luận

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Trạm trộn bê tông

1.1.1 Tổng quan hệ thống trộn, thành phần bê tông tươi và phối liệu

Trong lĩnh vực xây dựng, bê tông là một vật liệu vô cùng quan trọng, chất lượng của bê tông có thể đánh giá được chất lượng của toàn bộ sản phẩm cũng như chất lượng trong các công trình xây dựng Do đó, việc xác định chính xác khối lượng từng nguyên liệu có trong thành phần bê tông cũng chính là việc xác định chất lượng của sản phẩm Nhiệm vụ chính trong trạm trộn đề ra là cân trộn cát, đá, nước, xi măng

để đạt độ chính xác cao trong quá trình sản xuất hiện nay để giải quyết vấn đề đó cần phải áp dụng phương pháp điều khiển tự động đề ra Khối lượng nguyên liệu cần phải chính xác với khối lượng đặt ban đầu trong một mẻ trộn, để xác định khối lượng ta sử dụng cảm biến trọng lượng là loadcell

Khái niệm chung về bê tông

Các thành phần cấu tạo bê tông

+ Loại phụ gia hoạt động bề mặt

+ Loại phụ gia rắn nhanh

1.1.2 Các loại trạm trộn đang sử dụng:

Hình 1.1 Trạm trộn bê tông Vinamac

Các thành phần chính trong một mẻ bê tông

+ Xi măng P400, đá dăm 10*20, cát vàng : tính cho một mét khối bê tông

PLC (viết tắt của cụm từ Programmable Logic Controller) là một thiết bị điện

tử phức tạp, chúng có nhiều loại do nhiều hãng sản xuất chế tạo, nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển của nền sản xuất hiện đại Trong một hệ thống dây chuyền sản xuất tự động hiện đại có sử dụng bộ điều khiển PLC, thì thiết bị này được coi là phần trung tâm, là bộ não của hệ thống PLC nhận thông tin về trạng thái của hệ thống và bộ điều khiển các bộ truyền theo một tuần tự xác định trong danh sách lệnh: nhận các yêu cầu của đầu vào, điều khiển các yêu cầu đầu ra theo thứ tự lệnh yêu cầu của bộ xử lý, danh sách lệnh là yêu cầu của người lập trình và được lưu vào bộ nhớ

1.3 Các cơ cấu chấp hành sử dụng trong trạm trộn

Thùng theo thứ tự cho đến khi đạt khối lượng từng loại theo yêu cầu phối trộn Gồm thùng cốt liệu có 3 ngăn được kéo bằng tời, có các bánh xe lăn trên U100 mỗi ngăn chứa một loại liệu khác nhau và phía dưới đáy có các cửa xả được đóng mở bằng píton-xylanh khí nén tự động khi xả các loại liệu từ các cửa xả xong xuống thùng định lượng, thùng định lượng được đặt lên hệ thống cân treo bằng 2 load cell khi cân Các

van xả của xe cốt liệu sẽ cấp các loại liệu đá 1-2, cát, đá 0,5-1 vào của mẻ thì hệ thống tời kéo sẽ kéo cáp và khi đó nó trở thành xe cấp liệu cho thùng trộn theo 2 ray U100 lên phía trên Khi đến cửa nhận liệu ở máy trộn, xe cấp liệu nâng thùng nhờ 2 bánh xe phía sau chạy trên cam nâng để mở cửa xe cấp liệu và đổ liệu vào thùng trộn cho đến khi hết liệu thì tự động đi xuống, đóng cửa thùng định lượng để chuẩn bị định lượng cho mẻ liệu tiếp theo

1.4 Các loại cảm biến

1.4.1 Khái niệm cảm biến: Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các

đại lượng vật lý và các đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo và xử lý được

Các đại lượng cần đo (m) thường có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất ) tác động lên cảm biến cho ta một đặc trưng (s) mang tính chất điện (như điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng cần đo (m):

S=F(m)

Người ta gọi (s) là đại lượng đầu ra hoặc là phản ứng của cảm biến, (m) là đại lượng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc là đại lượng cần đo) Thông qua đo đạc (s) cho phép nhận giá trị của (m)

1.4.2 Các loai cảm biến

- Cảm biến quang

- Cảm biến đo nhiệt độ

- Cảm biến đo vị trí và dịch chuyển

- Cảm biến đo và biến dạng

- Cảm biến đo lực

- Cảm biến đo vận tốc, gia tốc và rung

- Cảm biến đo áp suất chất lưu

- Cảm biến đo lưu lượng và mức chất lưu

- Cảm biến thông minh

PW2 single point aluminum load cell Single point load cell PW12

PW15 Single point load cell from stainless steel PW16 - Single Point Load Cell

Hình 1.6 Một số hình ảnh của loadcell

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU TRẠM TRỘN BÊ TÔNG TƯƠI LƯU ĐỘNG

2.1 Yêu cầu kỹ thuật

Trong quá trình hoạt động của trạm trộn đòi hỏi sự kết hợp giữa các bộ phận với nhau trong quá trình điều khiển cho ra được sản phẩm theo yêu cầu

Hình 2.1 Mô hình trạm trộn bê tông được thiết kế

1/ Máng cấp xi măng 2/ Vít tải xi măng I 3/ Xi lô chứa xi măng 4/ Vít tải xi măng II 5/ Xi lô cân xi măng 6/ Thùng cân nước 7/ Thùng trộn 8/ Máng ra hỗn hợp 9/

Xe vận chuyển liệu 10/ Xe skin 11/ Tủ điện 12/Động cơ vít tải I 13/Động cơ bơm nước 14/ Động cơ kéo liệu 15/ Động cơ kéo skin 16/Động cơ vít tải II

2.4.16 Công tắc hành trình

Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐỊNH LƯỢNG TRONG TRẠM

TRỘN BÊ TÔNG TƯƠI

3.1 Giới thiệu các phương pháp điều khiển

“Điều khiển” là quá trình của một hệ thống, trong đó dưới tác động của một

hay nhiều đại lượng vào thì đại lượng ra sẽ thay đổi theo một quy luật nhất định

Tín hiệu nhiễu z

Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển

Đối tượng điều khiển: Thiết bị, máy móc trong kỹ thuật

Thiết bị điều khiển: Các phần tử truyền tín hiệu, phần tử xử lý và điều khiển, cơ

3.1.3 Điều khiển bằng vi điều khiển

a Khái quát chung về vi điều khiển

b Sơ đồ khối của một bộ vi điều khiển

c Cấu trúc của vi điều khiển 8051

d Cấu trúc bên trong của 8051

3.2 Thiết bị điều khiển ứng dụng trong đề tài

3.2.1 Khảo sát PLC loại S7-200 của hãng siemens

Tín hiệu điều khiển

Thiết bị điều khiển

xe1

xe2

xaxe

3.2.1.3 Cấu trúc bộ nhớ

Bộ nhớ S7- 200 được chia làm 4 vùng với 1 tụ điện có nhiệm vụ duy trì dữ liệu trong một khoảng thời gian nhất định khi bị mất nguồn Bộ nhớ S7- 200 có tính năng động cao, đọc, ghi được trong toàn vùng, loại trừ các bít nhớ đặc biệt SM (Special memory) chỉ có thể truy nhập để đọc

3.2.1.4 Vùng chương trình

3.2.1.5 Vùng tham số

3.2.1.6 Vùng dữ liệu

3.2.1.7 Vùng đối tượng

3.2.2 Các thông số kỹ thuật của PLC họ S7-200

Mục 20 ngõ vào ra 30 ngõ vào ra 40 ngõ vào ra

Điện áp trung cấp Loại AC 100 đến 240 VAC, 50/60 Hz

Loại DC 24 VDC Miền điện áp hoạt

động

Loại AC 85 đến 264 VAC Loại DC 20.4 đến 26.4 VDC

Công suất tiêu thụ Loại AC 60VA

Loại DC 20W Dòng tăng đột

ngột

Loại AC 60A Loại DC 20A Cung cấp năng

lượng bên ngoài

chỉ AC

Điện áp cung cấp nguồn

24 VDC

Tụ ngõ

ra cấp nguồn

300 Mal: Chỉ dùng để cấp nguồn cho ngõ vào

Theo tiêu chuẩn châu Âu IEC6100-4-4;

Điện trở dao động 10 đến 57 Hz, biên độ 0.075 - mm 57 đến 150 Hz, tốc độ đạt

được 9,8 m/s² ở các hướng X,Y,Z mỗi hướng được 80 phút Điện trở sốc 147m/s² , 3 lần mỗi lần ở các hướng X,Y và Z

Nhiệt độ môi

trường

Hoạt động: 0º - 25ºC Lưu trữ: 25º - 75ºC

Trọng lượng của

khối mở rộng I/O

Loại 20 ngõ vào ra: 300 g Max Loại có 8 ngõ ra: 250 g Max Loại có 8 ngõ vào: 200 g Max Trọng lượng của

khối mở rộng

Modul mở rộng Anlog: 150 g Max Modul cảm biến nhiệt: 250 g Max Modul mở rộng CompBus/S: 200 G Max

3.2.3 Cấu trúc chương trình của S7- 200

Có thể lập trình cho S7- 200 bằng cách sử dụng một trong các phần mềm:

- Step 7- Micro/ Dos

- Step 7 - Micro/ Win

3.2.4 Thực hiện chương trình của S7- 200

PLC thực hiện chương trình theo chu kỳ lặp Mỗi vòng lặp được gọi là vòng quét (scan) Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn đọc các dữ liệu từ các cổng vào vùng bộ đệm ảo, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình trong từng vòng quét, chương trình được thực hiện bằng lệnh đầu tiên và kết thúc tại lệnh kết thúc MEND Sau gai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm lỗi Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo tới các cổng ra

3.2.5 Các toán hạng lập trình cơ bản

Có 6 phần tử lập trình cơ bản, mỗi phần tử có công dụng riêng Để dễ dàng xác định thì mỗi phần tử gán cho một ký tự

I :Dùng để chỉ ngõ vào vật lý nối trực tiếp với PLC

Q : Dùng để chỉ ngõ ra vật lý nối trực tiếp với PLC

T :Dùng để xác định phần tử định thời có trong PLC

C :Dùng để xác định phần tử có bên trong PLC

M và S: Dùng như các cờ hoạt động như bên trong PLC

Tất cả các phần tử toán hạng trên có 2 trạng thái ON hoặc OFF ( 1 hoặc 0)

Cuộn dây có thể được điều khiển trực tiếp ngõ ra từ PLC (như phần tử Q), hoặc

có thể điều khiển bộ định thì, bộ đếm hoặc cờ (như phần tử M hoặc S) Mỗi cuộn dây được gắn với các công tắc Các công tắc này có thể là thường mở hoặc thường đóng

Các ngõ vào vật lý nối đến bộ điều khiển lập trình ( phần tử I) không có cuộn dây để lập trình Các phần tử này có thể dùng ở dạng công tắc mà thôi (loại thường đóng hoặc thường mở)

3.3 Cảm biến ứng dụng trong trạm trộn

3.3.1 Các loại cảm biến

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 đổi sự thay đổi liên tục các đại lượng đầu vào (đại lượng đo lường - kiểm tra, là các đại lượng không điện nào đó thành sự thay đổi của các đại lượng đầu ra là đại lượng điện, ví dụ: điện trở, điện dung, điện kháng, dòng điện, tần số, điện áp rơi, góc pha,

3.3.1.1 Các thông số cơ bản của cảm biến

X: gia số đại lượng đầu vào.Với: +

Y: gia số đại lượng đầu ra.+

Trong thực tế còn sử dụng độ nhạy tương đối: S0=

X

Y





Với: Y là đại lượng ra

X là đại lượng vào

Cảm biến có thể là tuyến tính nếu S0=const hoặc là phi tuyến nếu S0= var Cảm biến phi tuyến có độ nhạy phụ thuộc vào giá trị đại lượng vào (X)

b) Sai số

Sự phụ thuộc của đại lượng ra Y vào đại lượng đầu vào X gọi là đặc tính vào ra của cảm biến Sự sai khác giữa đặc tính vào ra thực với đặc tính chuẩn (đặc tính tính toán hay đặc tính cho trong lí lịch) được đánh giá bằng sai số

Phân làm hai loại sai số

+ Sai số tuyệt đối ΔX=X'−X

X': giá trị đo được; X: giá trị thực

+ Sai số tương đối a=

X X



Các nguyên nhân ảnh hưởng tới sai số

Có nhiều nguyên nhân khách quan và chủ quan ảnh hưởng tới sai số, trong thực tế người ta đưa ra các tiêu chuẩn và các điều kiện kĩ thuật để hạn chế mức độ ảnh hưởng này trong phạm vi cho phép

3.3.1.2 Các yêu cầu của cảm biến

Muốn có độ nhạy cao, sai số nhỏ, cảm biến cần có các tính chất sau:

+ Có dải thay đổi đại lượng vào cần thiết

+ Thích ứng và thuận tiện với sơ đồ đo lường, kiểm tra

+ Ảnh hưởng ít nhất đến đại lượng đầu vào

+ Có quán tính nhỏ

3.3.1.3 Phân loại cảm biến

Có thể phân các cảm biến làm hai nhóm chính: là cảm biến tham số (thụ động)

và cảm biến phát (chủ động hay tích cực)

* Nhóm phát bao gồm các loại cảm biến sử dụng hiệu ứng cảm ứng điện từ, hiệu ứng điện áp, hiệu ứng Holl và sự xuất hiện sức điện động của cặp nhiệt ngẫu, tế bào quang điện