Dây chuyền phối liệu là dây chuyền cung cấp nguyên liệu theo tỉ lệ công nghệ của các nguyên liệu thành phần. Độ chính xác của dây chuyền phối liệu có vai trò quyết định đối với chất lượng thành phẩm như xi măng hay bê tông.... Hệ điều khiển lại đóng vai trò quyết định đối với độ chính xác dây chuyền phối liệu. Vì vậy hệ thống điều khiển dây chuyền phối liệu là hệ thống có ảnh hưởng quyết định đến chất lượng thành phẩm. Bài báo đưa ra các giải pháp thiết kế hệ điều khiển cho dây chuyền phối liệu dựa trên các thiết bị điều khiển công nghiệp. Đối với mỗi giải pháp, bài báo cũng trình bày các đặc tính công nghệ và ví dụ thiết kế.
CÁC GIẢI PHÁP THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO DÂY CHUYỀN PHỐI LIỆU TS Nguyễn Thiện Hoàng Trường Đại học Xây dựng KS Nguyễn Thị Thu Hường Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Tóm tắt: Dây chuyền phối liệu dây chuyền cung cấp nguyên liệu theo tỉ lệ công nghệ nguyên liệu thành phần Độ xác dây chuyền phối liệu có vai trò định chất lượng thành phẩm xi măng hay bê tơng Hệ điều khiển lại đóng vai trò định độ xác dây chuyền phối liệu Vì hệ thống điều khiển dây chuyền phối liệu hệ thống có ảnh hưởng định đến chất lượng thành phẩm Bài báo đưa giải pháp thiết kế hệ điều khiển cho dây chuyền phối liệu dựa thiết bị điều khiển công nghiệp Đối với giải pháp, báo trình bày đặc tính cơng nghệ ví dụ thiết kế Summary: A system of belt weigh feeders is used to feed materials to a material handling process according to a preset ratio The accuracy of the belt weigh feeders is the deciding factor of the quality of the finished products like cements or concrete, etc The control system is crucial for the proper operation and accuracy enhancement of the systems of belt weigh feeders Thus, the control system dictates the product quality The paper presents solutions for the design of the control system for system of belt weigh feeders based on industrial controllers Technical analyses and design examples are also given Giới thiệu Hình Sơ đồ dây chuyền phối liệu cho máy nghiền nhà máy xi mng Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng Số 9/5-2011 71 Dây chuyền phối liệu dây chuyền cung cấp nguyên liệu theo tỉ lệ công nghệ nguyên liệu thành phần với khối lượng lớn Dây chuyền phối liệu sử dụng nhiều nhà máy xi măng, luyện thép, nhà máy bê tông thương phẩm,…[1] Sơ đồ dây chuyền phối liệu cho máy nghiền nhà máy xi măng thể hình Theo hình vẽ dây chuyền phối liệu gồm có phễu lớn chứa nguyên liệu cấp cho băng tải thành phần Nhiệm vụ băng tải thành phần cung cấp nguyên liệu thành phần với tốc độ cấp liệu đặt trước cho băng tải tổng Băng tải tổng vận chuyển nguyên liệu thành phần với tỉ lệ tương ứng tới máy nghiền Độ xác dây chuyền phối liệu có vai trò định chất lượng thành phẩm xi măng hay bê tơng Hệ điều khiển lại đóng vai trò quan trọng độ xác dây chuyền phối liệu Vì thế, hệ điều khiển có vai trò định tồn hoạt động dây chuyền phối liệu [4] Về tổng thể hệ điều khiển dây chuyền phối liệu phải đáp ứng u cầu sau: Có độ xác đủ để đáp ứng yêu cầu công nghệ tỉ lệ nguyên liệu thành phần; Hiệu chỉnh tỉ lệ phối liệu xác dễ dàng; Có thể giám sát theo dõi điều chỉnh hoạt động dây chuyền từ xa; Hệ điều khiển phải bền để hoạt động lâu dài ổn định môi trường làm việc khắc nghiệt; Dễ dàng việc bảo dưỡng, khắc phục cố, thay thiết bị; Khi cải tạo nâng cấp phần thiết bị động lực thay hay nâng cấp lại hệ điều khiển Đối với hệ điều khiển dây chuyền phối liệu thiết bị trường (field device) cảm biến trọng lượng, cảm biến tốc độ biến tần thường giống Sự khác biệt thiết bị điều khiển thu thập liệu Trên sở tích hợp hệ thống ta có loại hệ thống điều khiển dây chuyền phối liệu sau: Hệ thống điều khiển dựa card tín hiệu PCI, hệ thống điều khiển dựa PLC, hệ thống điều khiển dựa cân băng thương phẩm Trong mục ta sâu phân tích cụ thể cấu hình, ưu nhược điểm ứng dụng loại hệ thống điều khiển dây chuyền phối liệu Hệ thống điều khiển dựa card tín hiệu PCI 2.1 Cấu hình chung hệ thống Các hệ thống điều khiển dựa card tín hiệu PCI có đặc điểm sau [5]: Hệ điều khiển hệ thống điều khiển tập trung; Máy tính làm nhiệm vụ đo lường, điều khiển, giao diện với nguời sử dụng; Thiết bị card tín hiệu PCI gắn vào khe PCI (Peripheral Component Interconnect slots) máy tính; Phần mềm hay driver cho card tín hiệu nhà sản xuất cung cấp dạng tệp chứa sẵn đoạn mã lệnh giao tiếp với đầu vào tín hiệu card tệp có dll (Dynamic link library), người thiết kế dùng tệp để truy nhập tới đầu vào card tín hiệu; Phần mềm chạy hệ điều hành DOS, WINDOW, LINUS… phát triển trình biên dịch C#, C++, C buider, Visual Basic, Delphi… Phần mềm thực nhiệm vụ đo lường, điều khiển giao diện với người sử dụng; Truyền tin: chủ yếu truyền tương tự 4-20mA với cảm biến trọng lực biến tần Ta đưa sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển cho hệ thống dây chuyền phối liệu gồm băng tải nguyên liệu thành phần hình Theo hình ta thấy đặc điểm chi tiết cảm biến tốc độ cảm biến có đầu tín hiệu tương tự Chú ý loại card tín hiệu vào tương tự nhà sản xuất thường tích hợp thêm đầu vào số để thực số chức báo hiệu liên động số cho hệ thống điều khin 72 Số 9/5-2011 Tạp chí khoa học công nghệ x©y dùng Hình Sơ đồ hệ thống điều khiển dây chuyền phối liệu dựa card tín hiệu PCI 2.2 Ví dụ thiết kế Các loại card tín hiệu thường chế tạo sản xuất theo chuẩn công nghiệp Các card tín hiệu hãng ACCESS IO giới thiệu làm ví dụ thiết kế Thơng tin chi tiết cho [3, 4] Mã hiệu tính thiết bị cho hệ thống điều khiển dây chuyền phối liệu hình cho bảng Theo bảng 1, hệ thống điều khiển cần card tín hiệu vào tương tự card tín hiệu tương tự Bảng Thiết bị điều khiển cho dây chuyền phối liệu dựa card tín hiệu PCI Tên thiết bị Số lượng Chức PCI-AI12-16 - Vào tương tự: 16 kênh chung đất/8 kênh vi sai, độ phân giải 12 bít, tốc độ lấy mẫu 100kHz - Vào số: vào số, số PCI-DA12-6 - Ra tương tự: kênh, độ phân giải 12 bít, - Vào số: 16 vào số, số 2.3 Ưu nhược điểm phạm vi ứng dụng hệ thống Ưu điểm hệ thống điều khiển dựa card tín hiệu PCI là: Khả tích hợp lập trình hệ thống mạnh uyển chuyển sử dụng máy tính làm thiết bị xử lý chính; Bảo dưỡng sửa chữa dễ dàng; Khi thay đổi phần khí khơng cần phải thay đổi lại hệ thống điều khiển; Giá thành rẻ Nhược điểm hệ thống điều khiển dựa card tín hiệu PCI là: Hệ thống điều khiển tập trung nên độ xác khơng cao ảnh hưởng nhiễu đường truyền tín hiệu Phạm vi ứng dụng hệ thống: Dùng cho hệ thống phối liệu với u cầu xác phối liệu khơng cao hệ thống cấp phối liệu xi măng lò đứng T¹p chí khoa học công nghệ xây dựng Số 9/5-2011 73 Hệ thống điều khiển dựa PLC 3.1 Cấu hình hệ thống Bộ điều khiển logic lập trình (Programmable Logic Controller) PLC điều khiển sử dụng rộng rãi công nghiệp [11] Cấu tạo chung PLC gồm có xử lý trung tâm (Central Processing Unit) CPU module vào đóng vai trò thu thập tín hiệu điều khiển Các module vào gồm có module vào số, số, vào tương tự, tương tự, hay tích hợp vào/ra số, vào/ra tương tự với chuẩn tín hiệu cơng nghiệp Các hãng sản xuất PLC cung cấp module chuyên dụng cho ứng dụng phổ biến như: PID, điều khiển nhiệt, lưu lượng, áp suất, điều khiển chuyển động… Ngoài hãng cung cấp PLC cỡ nhỏ tích hợp CPU module vào để phục vụ cho đo lường, giám sát điều khiển ứng dụng qui mơ nhỏ Hình Hệ thống điều khiển tập trung với module vào tương tự số Đặc điểm chung hệ thống dựa PLC là: Hệ thống thiết kế theo kiểu hệ thống điều khiển tập trung hay hệ thống điều khiển phân tán; Phần tính tốn thực thuật toán điều khiển PLC thực hiện; Máy tính thực nhiệm vụ giao diện tương tác với người sử dụng Phần mềm thiết kế phần mềm giao diện người máy hãng lớn như: WinCC, Citect,… hay thông qua trình biên dịch Visual Basic, C# ; Truyền tin: Giữa thiết bị đo PLC truyền tin tương tự xung, máy tính PLC truyền tin số theo chuẩn truyền tin công nghiệp 74 Sè 9/5-2011 Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng i vi hệ thống dựa PLC ta đưa cấu hình hệ thống linh hoạt Ta thiết kế hệ điều khiển tập trung hệ điều khiển phân tán Hình cho cấu hình thiết kế hệ điều khiển tập trung phân tán cho dây chuyền phối liệu gồm băng tải Hình Hệ thống điều khiển phân tán với PLC cỡ nhỏ 3.2 Ví dụ thiết kế PLC sản xuất theo chuẩn công nghiệp với hãng lớn Siemens, GE, Rockwell, Mitsubishi, Omron, Toshiba,… PLC Siemens sử dụng rộng rãi giới thiệu làm ví dụ minh hoạ Thơng tin tham khảo cho tài liệu [9] 3.2.1 Hệ thống điều khiển tập trung Mã hiệu tính thiết bị cho hệ thống điều khiển dây chuyền phối liệu hình cho bảng Theo bảng 2, hệ thống điều khiển cho dây chuyền phối liệu có module vào tương tự đếm để điều khiển biến tần, module vào số để thực liên động hệ thống, module CPU để thực việc xử lý điều khiển truyền tin Bảng Thiết bị cho hệ điều khiển tập trung dây chuyền phối liệu dựa PLC Số lượng Chức 6ES7 315-2AG10-0AB0 CPU 315-2 DP, 128 kB RAM, 24 V DC, MPI, PROFIBUS DP 6ES7 331-1KF01-0AB0 Vào tương tự kênh, độ phân giải 13 bit 6ES7 332-5HF00-0AB0 Ra tương tự kênh 6ES7 321-1BH02-0AA0 Vào số 16 kênh, 24V DC 6ES7 322-1BH01-0AA0 Ra số 16 kênh, 24V DC, 0.5 A 6ES7 350-2AH00-0AE0 Đếm tốc độ cao kênh, tần số xung tối đa 20kHz Tên thiết bị T¹p chÝ khoa học công nghệ xây dựng Số 9/5-2011 75 3.2.2 Hệ điều khiển phân tán Mã hiệu tính thiết bị cho hệ thống điều khiển dây chuyền phối liệu hình cho bảng Theo bảng 3, hệ thống điều khiển cho dây chuyền phối liệu có PLC cỡ nhỏ tích hợp thêm module vào/ra tương tự thực điều khiển biến tần, liên động hệ thống, xử lý điều khiển truyền tin Bảng Thiết bị cho hệ điều khiển phân tán dây chuyền phối liệu dựa PLC Tên thiết bị CPU 6ES7 214-1AD23-XB0 Số lượng 6ES7 235-0KD22-0XA0 Chức CPU 224 mở rộng, 14 đầu vào số, 10 đầu số Vào/ra tương tự đầu vào, đầu ra, độ phân dải 12 bit 3.3 Ưu nhược điểm phạm vi ứng dụng hệ thống Ưu điểm hệ thống điều khiển dựa PLC là: Vận hành bảo trì bảo dưỡng đơn giản; Kết nối giao diện với thiết bị khác dễ dàng theo chuẩn công nghiệp; Phần giao diện với người dùng tiện lợi tin cậy lập trình với phần mềm HMI cơng nghiệp WinCC, Citect…; Hệ thống điều khiển phân tán khơng cần cáp tín hiệu nối từ băng tải lên phòng điều khiển trung tâm nên giảm thiểu sai số truyền tín hiệu vấn đề phát sinh cáp tín hiệu đồng thời giảm chi phí mua cáp Hệ thống điều khiển phân tán giảm thiểu thời gian dừng hoạt động có phương án dự phòng thiết bị rẻ hiệu Nhược điểm hệ thống điều khiển dựa PLC là: Giá thành cao nhiều so với hệ thống xây dựng card tín hiệu PLC; Hệ thống điều khiển tập trung dựa PLC khó đạt độ xác cao đường truyền tín hiệu đo dài Hệ thống điều khiển tập trung khó đáp ứng nhu cầu xử lý thời gian thực tốc độ băng tải lớn CPU phải xử lý toán điều khiển tất băng tải; Hệ thống điều khiển phân tán dựa PLC cỡ nhỏ khắc phục nhược điểm hệ thống phân tán khả tính tốn xử lý liệu yếu nên khó thể đạt độ xác cao Phạm vi ứng dụng hệ thống: Cả hai loại hệ thống điều khiển tập trung phân tán chủ yếu thiết kế cho hệ thống có u cầu chất lượng phối liệu khơng cao xi măng lò đứng… Hệ thống điều khiển dựa cân băng 4.1 Cấu hình chung hệ thống Cân băng thiết bị chế tạo riêng chuyên dùng cho ứng dụng cân động với băng tải Cân băng hãng sản xuất theo chuẩn cơng nghiệp với độ xác từ 1% - 0.125% Đặc điểm chung hệ thống dựa cân băng thương phẩm là: Việc tính tốn đo điều khiển băng tải cân băng thực hiện; Phần giao diện kết nối hệ thống thực qua máy tính kết nối liệu; Hệ thống hệ thống điều khiển phân tán; Độ xác điều khiển hồn tồn cân băng cảm biến kèm; Truyền tin: Truyền tin cảm biến biến tần với cân băng truyền tin tương tự 4-20mA xung, Truyền tin cân băng kết nối hệ thống: Tương tự 4-20mA hay truyền tin số, truyền tin kết nối máy tính: Truyền tin số Cấu trúc hệ thống điều khiển dựa cân băng cho dây chuyền phối liệu có cân cho hỡnh 76 Số 9/5-2011 Tạp chí khoa học công nghƯ x©y dùng Hình Sơ đồ hệ thống điều khiển dựa cân băng 4.2 Ví dụ thiết kế Hệ thống điều khiển dây chuyền phối liệu dựa cân băng có cấu trúc linh hoạt ta sử dụng phối hợp cân băng PLC hãng khác tuỳ thuộc vào yêu cầu cụ thể cho cân Các thiết bị trình bày mục lựa chọn để xây dựng hệ thống điều khiển dây chuyền phối liệu hình 4.2.1 Cân băng Có nhiều loại cân băng với độ xác khác Việc lựa chọn cân băng với độ xác mong muốn phụ thuộc vào u cầu cơng nghệ q trình cấp phối liệu Bảng dây cho ta thông số kỹ thuật cân băng Milltronics W600 Siemens Bảng Thông số kỹ thuật cân băng Milltronics W600 Siemens Đặc tính Thơng số Độ xác 0.5-1% Nhiệt độ làm việc đến 650C Công suất cân băng 18 tấn/giờ Cảm biến trọng lực Nguồn cấp 10V, độ nhạy 0.01%, đô phi tuyến 0.001%, tải 150%; dải đo 6, 12, 30 kg Đầu Tốc độ cấp liệu, tổng lượng cấp, trọng lượng băng, tốc độ băng, … Truyền tin Modbus, Profilebus, … T¹p chÝ khoa học công nghệ xây dựng Số 9/5-2011 77 4.2.2 PLC Ta lựa chọn PLC hãng Bảng cho ta thông số lựa chọn PLC module kèm hãng Mitsubishi, thông số kỹ thuật cho [6, 7] Bảng PLC module vào kèm Mitsubishi Số lượng Chức FX2N CPU FX2N-4DA A0 FX2N-40ER-ES/UL 24 DI, 12 DO Tên thiết bị 4.3 Ưu nhược điểm phạm vi ứng dụng hệ thống Ưu điểm hệ thống là: Độ xác cao đảm bảo; Tính vận hành tốt thiết kế theo chuẩn công nghiệp; Vận hành bảo trì bảo dưỡng đơn giản; Kết nối giao diện với thiết bị khác dễ dàng theo chuẩn công nghiệp; Phần giao diện với người dùng tiện lợi tin cậy lập trình với phần mềm HMI công nhiệp WinCC, Citect… Nhược điểm hệ thống là: Giá thành cao nhiều so với hệ thống xây dựng card tín hiệu PCI PLC Phạm vi ứng dụng hệ thống: Hệ thống điều khiển dựa dây chuyền phối liệu chủ yếu dùng cho hệ cấp phối liệu yêu cầu độ xác cao cơng nghệ xi măng lò quay Kết luận Dây chuyền phối liệu dây chuyền cung cấp nguyên liệu thành phần theo tỉ lệ công nghệ với khối lượng lớn Hệ điều khiển có vai trò định độ xác phối liệu dây chuyền Bài báo đưa giải pháp thiết kế cho hệ thống điều khiển dây chuyền phối liệu Đó hệ điều khiển dựa card tín hiệu PCI, hệ thống điều khiển dựa PLC hệ thống điều khiển dựa cân băng điện tử thương phẩm Ưu nhược điểm giải pháp phân tích đầy đủ, rõ ràng, từ báo gắn kết giải pháp với ứng dụng cụ thể Các ví dụ thiết kế đưa với thiết bị sẵn có thị trường nhằm giúp người đọc dễ dàng nắm bắt việc triển khai thực tích hợp hệ thống điều khiển cho dây chuyền phối liệu thực tế Tài liệu tham khảo Bridge Stone, (2000), Conveyor Belt Design Manual I/O Access, (2010), Analog and digital cards datasheets I/O Access, (2010), Analog and digital cards manuals K.ElisNorden, (1998), Handbook of Electronic Weighing, Wiley-VCH Mike Tooley, (2005), PC Based Instrumentation and Control, Elsevier Mishubishi Electric, (2008), The Automation Book Mishubishi Electric, (2010), FX Family Siemens, (2010), Siemens Simatic Controllers 10 Siemens, (2010), Milltronics W60 11 Terry Bartelt, (2006), Industrial Control Electronic, Thomson Delmar 78 Sè 9/5-2011 Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng ... khảo cho tài liệu [9] 3.2.1 Hệ thống điều khiển tập trung Mã hiệu tính thiết bị cho hệ thống điều khiển dây chuyền phối liệu hình cho bảng Theo bảng 2, hệ thống điều khiển cho dây chuyền phối liệu. .. dây chuyền Bài báo đưa giải pháp thiết kế cho hệ thống điều khiển dây chuyền phối liệu Đó hệ điều khiển dựa card tín hiệu PCI, hệ thống điều khiển dựa PLC hệ thống điều khiển dựa cân băng điện... biệt thiết bị điều khiển thu thập liệu Trên sở tích hợp hệ thống ta có loại hệ thống điều khiển dây chuyền phối liệu sau: Hệ thống điều khiển dựa card tín hiệu PCI, hệ thống điều khiển dựa PLC, hệ